Шелегов Насосное оборудование АЕС 2011

Глава 4. КАВИТАЦИОННЫЕ ЯВЛЕНИЯ В НАСОСАХ

4.1.Кавитация: основные понятия, причины возникновения

иее последствия

Нарушение сплошности потока жидкости, обусловленное появлением в ней пузырьков или полостей, заполненных паром и выделившимся из жидкости газом, называется кавитацией. Она возникает в области пониженного давления, где есть растягивающие напряжения, которые приводят к разрыву жидкости и образующие полости – каверны заполняются парами жидкости и выделившимся из нее растворенным газом. Попадая в область высоких давлений, паровые пузырьки (каверны) «захлопываются». Это вызывает местный гидравлический удар, по некоторым теориям – кумулятивный, который может привести к разрушению (эрозии) стенок каналов. Действительно, давление в пузырьках остается постоянным и равным давлению упругости насыщенного пара, в то время как давление жидкости по каналу рабочего колеса повышается при течении жидкости от входа к выходу. Попадая в область высокого давления, пузыри схлопываются под действием высокого давления. Такое схлопывание сопровождается местным повышением давления в несколько тысяч атмосфер. Если оно происходит на поверхности лопаток или других элементах насоса, то с их поверхности выбиваются частицы материала, из которого они сделаны. Данное явление называется эрозией. Этот процесс можно определить по потрескивающим звукам, которые усиливаются с увеличением кавитации.

Возникновение и развитие кавитации в жидкости связаны с наличием так называемых ядер кавитации. В технических жидкостях всегда имеются ядра кавитации. Они − те слабые точки, в которых нарушается сплошность жидкости и возникают кавитационные явления. Наиболее вероятно: ядра кавитации представляют собой нерастворенные газовые включения, в том числе в порах и трещинах, а также микрочастицы, взвешенные в жидкости.

Если в жидкости присутствуют свободные или растворенные газовые включения, то кавитация будет протекать более интенсивно, с большим шумом и вибрациями.

81

Кавитация приводит к трем основным отрицательным последствиям:

1)срыву подачи, напора, падению мощности и КПД;

2)эрозионному износу элементов насоса (рабочего колеса, вала

ит.д.);

3)шуму, вибрации установки, а также низкочастотным автоколебаниям давления в трубопроводах.

Внасосах кавитация возникает при давлении перед входом в насос, существенно превышающем давление парообразования при данной температуре жидкости. Это означает, что область минимального давления располагается внутри проточной части насоса. Падение давления внутри проточной части насоса (по сравнению с

входным давлением Рвх) связано с обтеканием лопаток. При обтекании лопаток, как и при обтекании любого тела, образуется область пониженного давления Рmin. Как только давление станет ниже давления насыщенного пара, образуется кавитация. В потоке жидкости такое падение давления происходит обычно в области повышенных скоростей.

Рис. 3.25. Области появления кавитации в центробежном насосе

4.2.Кавитационные явления в центробежных насосах

Вцентробежном насосе область минимального давления находится в наиболее удаленной от оси точке с нерабочей стороны входной части лопаток вблизи ее входной кромки.

Давление Рmin значительно ниже давления во всасывающем патрубке насоса Рвх из-за местного возрастания скорости при натекании на лопатку насоса.

82

витации (увеличивается количество и объем пузырьков), не приводит к изменению напора и КПД насоса, но при этом могут усиливаться эрозионные и колебательные явления. При давлении Ркр напор начинает снижаться (одновременно с напором снижается КПД насоса). Это − критический режим. При давлении на входе насоса равного Рсрв напор и расход резко падают. Это – срывной кавитационный режим. На кавитационной характеристике насоса можно выделить несколько областей: а) режим начальной кавитации (или скрытая кавитация) насоса, когда Ркр < Рвх < Рнач; б) критический режим Рсрв < Рвх < Ркр, при котором заметен излом напорной характеристики (при этом зона распространения кавитационных полостей в насосе невелика); в) режим Рвх < Рсрв, при котором наблюдается срыв всех основных параметров насоса. При этом вся проточная часть насоса практически занята паровой или газовой каверной. Для насосов длительного использования, например для отопления или водоснабжения, важно избежать даже начальной стадии кавитации. В этом случае, давление на входе Рвх должно быть больше давления Рнач. Это позволит избежать кавитационного шума и эрозионного износа элементов насоса.

4.3. Основные параметры, характеризующие кавитацию

Если написать уравнение Бернулли для сечения 0–0 (в баке или резервуаре) и сечения вх–вх на входе в насос, то давление на входе в насос

Pвх = Р1 +ρgHГВС −ρсвх2 / 2 −hпотер вс – для систем А и В;

(4.1)

Pвх = Р1 −ρgHГВС −ρсвх2 / 2 −hпотер вс – для системы С,

где P1 – абсолютное давление в приемном резервуаре, если он открыт P1 =1 атм, HГВС – геометрическая высота или расстояние от свободной поверхности жидкости в резервуаре до оси насоса; свх –

скорость жидкости на входе в насос, зависящая от расхода жидкости, которую перекачивает насос, а также от размеров входного патрубка; hпотер вс – сумма потерь (местных и трения) во всасывающем трубопроводе.

84

hкр = NPSHкр =(Pкр +ρcвх2 2 − Pп)ρg .

Очевидно, что NPSHкр < NPSHдл.

NPSH или ∆h (в каталогах минимальный кавитационный подпор) – характерный параметр каждого насоса, зависящий от конструктивных особенностей насоса, прежде всего, от диаметров на его входе (диаметра всасывающего патрубка), углов лопаток на его входе, числа лопаток и т.д. В каталогах приводятся значения NPSH (∆h) для длительно работающих насосов, т.е. не допускается работа насоса даже при начальной кавитации, в виде зависимости от расхода для точно указываемых чисел оборотов ротора насоса. Следует помнить, что с увеличением чисел оборотов NPSH или кавитационный подпор – увеличивается, и требуется большее давление на входе, чтобы насос работал без кавитации с уменьшением чисел оборотов. Давление на входе в насос можно уменьшать.

Для гарантированой бескавитационной работы насоса необходимо, чтобы допустимый напор ∆hдоп (давление) на входе в насос или допустимое значение NPSHА (net positive suction head available)

системы были больше значений ∆h или NPSH, взятых из каталога для данного расхода. То есть NPSHА или ∆hдоп – значение, которое должно быть гарантировано в системе на входе в насос, чтобы не было кавитации. Чтобы насос не работал на режимах кавитации, назначают небольшое превышение допустимого кавитационного

запаса ∆hдоп (NPSHА) над ∆h (NPSH) на величину 0,6–0,9 м, т.е.

NPSHА–NPSH = 0,6–0,9 м.

Для подключений, показанных на рис. 4.3 величины NPSHА определяются так:

hдоп= NPSHА=(Pатм +ρgHГВС− Pп−ρghпот.вс)ρg – для системы А;

hдоп = NPSHА=(P1 +ρgHГВС − Pп −ρghпот.вс)ρg – для системы B; hдоп = NPSHА=(P1 +ρgHГВС − Pп −ρghпот.вс)ρg – для системы C.

Для насосов забирающих воду из ниже расположенного резервуара вводят также понятие высоты всасывания Нвс (рис. 4.3, вариант С). Из уравнений (4.1) и (4.2) получим связь между высотой всасывания и NPSH:

86

Под высотой всасывания насоса подразумевается разрежение во всасывающем патрубке, измеренное в метрах столба жидкости, относительно давления во всасывающем резервуаре. Очевидно, что при заборе воды из ниже расположенного резервуара высота расположения насоса Нгвс от поверхности воды в резервуаре должна быть меньше высоты всасывания Нвс, определенной по величине NPSH для данного расхода жидкости через насос. Чтобы гарантировать забор жидкости из этого резервуара, данная разница должна быть не менее 0,5–0,6 м, т.е.

Для того чтобы избежать кавитации, можно предпринять следующие шаги:

1)повысить давление во всасывающем патрубке (опустить насос, или увеличить давление в приемном резервуаре). Производительность от этого не измениться;

2)использовать насосы с меньшими NPSH (имеющими меньшее число оборотов или другой конструкции);

3)снизить расход жидкости через насос или температуру перекачиваемой жидкости, что соответствует уменьшению давления пара.

4.4.Влияние термофизических параметров: температуры, наличия газовой фазы

Согласно формуле (4.3), чем выше давление пара Pп, тем меньше высота всасывания и ниже возможности применения того или иного насоса. Это давление сильно зависит от температуры жидкости и давления окружающей среды (что равнозначно для систем, соединенных с атмосферой, изменению геодезической высоты размещения насоса).

Для насосов, работающих в системах теплоснабжения, в инструкциях по монтажу и эксплуатации приводятся значения минимального давления на входе в зависимости от изменения температуры перекачиваемой жидкости, которые должны обеспечиваться, чтобы насос работал без кавитации.

Если значений минимального давления не приводится в инструкциях или каталогах на выбранный тип насоса, то при эксплуатации этого насоса с температурой рабочей среды больше, чем

87

200 °С и расположенного высоко над уровнем моря, необходимо провести расчет.

Например, насос, смонтированный на уровне моря, может поднимать холодную воду с высоты всасывания 7,5 м. Тогда на 1000-метровой высоте над уровнем моря и для перекачивания горячей воды в 600 °С он должен быть смонтирован с высотой вса-

сывания не более 7,5–1,9–1,2 = 4,4 м.

Если же давление всасывания получается меньше нуля, то насос может работать только в режиме из накопительного резервуара.

Следует также помнить, что присутствие в жидкости газовой фазы в растворенном или свободном состоянии приводит к ускорению появления кавитации и ее росту. Так, это может быть связано с негерметичностью всасывающего трубопровода, когда воздух из внешней среды будет проникать во внутрь трубопровода, или при захвате воздуха из воздушной подушки над уровнем жидкости в резервуаре.

Всасывающие и самовсасывающие насосы. Любой насос может всасывать жидкость из резервуара, расположенного ниже оси насоса. При этом должно выполняться следующее условие: насос, всасывающий патрубок и всасывающий трубопровод, из которых должен быть полностью удален воздух, должны быть залиты жидкостью. При этом высота Нг вс, с которой насос может подавать жидкость, определяется из неравенства Нвс > Нг вс.

Процедура заполнения всасывающего трубопровода может занимать значительное время. Кроме того, после остановки насоса жидкость, находящаяся в нем, может вытечь, образуя воздушные полости во всасывающем трубопроводе. Поэтому требуются вторичное заполнение трубопровода и удаление воздуха из него. Для того чтобы избежать таких неудобств, могут применяться самовсасывающие насосы, особенностью которых является возможность всасывать жидкость из нижерасположенного резервуара при пустом всасывающем трубопроводе. Для этого достаточно залить насос жидкостью. Тогда во время работы насос, в силу наличия дополнительного узла на его входе, начнет откачивать воздух из всасывающего трубопровода и при полном его удалении нагнетает жидкость из резервуара.

88

Глава 5. КОНСТРУКЦИЯ ОСНОВНЫХ УЗЛОВ НАСОСНЫХ АГРЕГАТОВ

5.1. Рабочее колесо

Основной узел центробежного насоса − рабочее колесо (рис. 5.1). В зависимости от числа рабочих колес насосы подразделяют на одно- (с одним рабочим колесом) и многоступенчатые (с несколькими рабочими колесами, установленными на одном валу).

и сплошного заднего 2, который посредством ступицы обеспечивает крепление колеса на валу. В промежутках между дисками установлены лопатки. Для того чтобы не снижать площадь проходного сечения рабочего колеса на входе жидкости, длина лопатки различна.

5.2. Направляющий аппарат

Рис. 5.2. Схема многоступенчатого центробежного насоса:

1 – подвод; 2 – рабочее колесо; 3 – направляющий аппарат; 4 – диффузор отвода

89

Преобразование кинетической энергии во многоступенчатом насосе (рис. 5.2), сообщаемой жидкости рабочим колесом, в потенциальную происходит в направляющем аппарате каждой ступени, который представляет собой устройство, состоящее из неподвижных дисков с плашками.

ют наружными кромками к внешнему диаметру колеса. Лопатки, располагаемые через одну, не доходят до внутренней окружности колеса.

Рабочие колеса выполняют из чугуна, стали. Для работы в агрессивных средах применяют лопатки из бронзы, латуни и корро- зионно-стойких сталей.

5.3. Вал насоса

Вал насоса (рис. 5.4) предназначен для передачи вращающего момента от привода насоса к рабочим колесам.

Вал с неподвижно посаженными на нем рабочими колесами образует ротор насоса. Для соединения вала с рабочим колесом предусмотрено соединение шпоночного типа. Вал − наиболее нагруженная и ответственная деталь насоса.

90