2.3.5. Высота всасывания насоса. Кавитация

Высота всасывания насоса является одним из важных эксплуатационных параметров, характери­зующих насосную установку.

Рассмотрение высоты всасывания насоса связано с такими понятиями, как:

а) геометрическая высота всасывания h_вс ;

б) вакуумметрическая высота всасывания Н_вак ;

в) кавитационный запас геометрической высоты вса­сывания h.

рис. 13. Схема для определения высоты всасывания

центробежного насоса

На рис. 13 показана схема насосной установки, за­бирающей воду из открытого расходного резервуара.

Ось насоса расположена выше уровня жидкости в ре­зервуаре на высоте h_вс, называемой геометрической вы­сотой всасывания.

Геометрическая высота всасывания h_вс - расстояние по вертикали от свободной поверхности жидкости расходного резервуара до центра рабочего колеса насоса (до оси насоса).

Для того чтобы жидкость из расходного резервуара могла подниматься вверх (засасываться), во всасываю­щем патрубке насоса должен быть создан вакуум (т.е. давление ниже атмосферного).

Для определения необходимой высоты всасывания составим уравнение Бернулли для сечений О-О и Н-Н (входное сечение насоса) относительно сечения О-О, за­менив Z_н на h_вс:

, (2.12)

где Z₀ = 0, так как плоскость сравнения проходит по сечению О-О;

V₀ = 0, так как уровень жидкости в расходном резервуаре изменяется незначительно;

- потери напора при движении жидкости во всасывающем трубопроводе, м.

После некоторых преобразований в уравнении (2.12) получаем:

h_вс + = (P₀ - P_н)/(g) - V_н²/(2g) . (2.23)

Согласно ГОСТ 17398-72 правая часть уравнения (2.23) представляет собой вакуумметрическую высоту всасывания Н_вак и измеряется в метрах:

Н_вак = (P₀ - P_н)/(g) - V_н²/(2g) , (2.24)

где Р₀ - давление на свободной поверхности жидкости расход­ного резервуара, Н/м²;

P_н - давление жидкости при входе в насос (во всасываю­щем патрубке) Н/м².

Следовательно, вакуумметрическая высота всасывания насоса Н_вак представляет собой высоту подъема столба жид­кости во всасывающем трубопроводе над свободной повер­хностью жидкости расходного резервуара (Р₀ - P_н)/(рg) за вычетом высоты скоростного напора V²/(2g) при дви­жении жидкости в трубопроводе.

Из выражения (2.23) и (2.24) следует, что:

Н_вак = h_вс + или

h_вс = Н_вак - . (2.25)

Отсюда:

h_вс = (P₀ - P_н)/(g) - V_н²/(2g) - . (2.26)

Геометрическая высота всасывания h_вс меньше вакуумметрической высоты Н_вак, так как часть энергии раз­режения расходуется на преодоление гидравлических со­противлений во всасывающем трубопроводе.

Выясним, из каких условий определяется максималь­ная допустимая геометрическая высота всасывания h_вс^max.

Очевидно, что:

, (2.27)

где - допустимая вакуумметрическая высота всасыва­ния, м, т.е. максимальная (предельная) вакуумметричес­кая высота всасывания, при которой обеспечивается рабо­та насоса без изменения основных технических показателей.

Следовательно, для определения максимальной до­пустимой величины геометрической высоты всасывания требуется установить предельно допустимое значе­ние вакуумметрической высоты всасывания .

Из формулы (2.24) следует, что максимальное зна­чение возможно при Р_н = 0 (а, следовательно, V_н = 0) и Р₀ = Р_атм, т.е.:

= Р_атм / (g).

При нормальном атмосферном давлении на уровне моря при температуре 0°С:

Р_атм = 101,324 кПа = 101324 Па (Н/м²)

для воды с плотностью  = 999,9 кг/м³ (при t = 0 °С) и g = 9,81 м/с² максимальное допустимое значение ваку­умметрической высоты всасывания составит:

.

Полученная максимальная теоретически возможная вакуумметрическая высота всасывания из открытого в атмос­феру резервуара (на уровне моря при температуре воды 0° С) величиной, равной 10,33 м, практически недостижима.

В действительности геометрическая высота всасы­вания всегда меньше, ибо при движении жидкости во всасывающем трубопроводе происходят потери напора на трение, по длине и в местных сопротивлениях (отво­дах, задвижках, клапанах), и на создание скоростного напора на входе в насос. Наличие разряжения во всасы­вающем трубопроводе неизбежно сопровождается под­сосом воздуха через соединение труб, в сальниках зад­вижек, что снижает величину разряжения и силу, заставляющую жидкость подниматься к насосу. Атмос­ферное давление колеблется в зависимости от погодных условий, высоты местности над уровнем моря, что при­водит к колебаниям высоты всасывания.

При некотором положительном давлении Р_н > 0 про­исходит разрыв сплошности движущегося потока вслед­ствие интенсивного парообразования (кипения) жидко­сти. Это давление равно давлению насыщенных паров жидкости (Р_пар) при данной температуре.

Известно, что вода при нормальном атмосферном дав­лении закипает при температуре 100С. Но она может закипеть и при значительно меньшей температуре, на­пример 20С, если находится под очень низким давлени­ем, равным Р_пар (холодное вскипание).

Отсюда в реальных условиях допускаемая вакуумметрическая высота всасывания определяется по следу­ющей формуле:

= (P_атм - P_пар)/(g) (2.28)

Следовательно, максимальная допустимая геометри­ческая высота всасывания в реальных условиях может быть определена из условия

h_вс^max = (P_атм - P_пар)/(g) - , (2.29)

где Р_пар - давление насыщенных паров перекачиваемой жид­кости, Н/м²;

- потери напора во всасывающем трубопроводе, м.

Значения атмосферного давления P_атм и давления насы­щенных паров воды P_пар можно определить по Таблица 2 и Таблица 3.

Таблица 2

Атмосферное (барометрическое) давление

Высота над уровнем моря	0	100	200	300	500	1000	2000
Pатм /(g), м	10,33	10,2	10,1	10,0	9,7	9,2	8,1

Таблица 3