Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Baskakov Manual.doc
Скачиваний:
3303
Добавлен:
12.03.2016
Размер:
7.12 Mб
Скачать

Особенности действия грузовых насосов

Кавитация в насосах возникает в результате понижения давления или повышения температуры жидкости в потоке.

Кавитация — это разрыв сплошности жидкости, вызванный образованием в потоке жидкости газовых или парогазовых каверн.

Различают два вида кавитации: газовую и паровую. Газовая кавитация возникает в результате выделения из жидко­сти растворенных в ней газов. Паровая кавитация — результат вскипания жидкости.

Газовая кавитация в насосе несущественна, поскольку содержание газов, растворенных в жидкости, довольно мало. Основную опасность для насосов представляет паровая кавитация, вероятность возникновения которой оцени­вают по величине кавитационного запаса насоса:

∆h = Pb / pg + vb² / 2g - Pп / pg м

1 2

где Pb и vb — соответственно давление и скорость жидкости при входе в насос; Pп — давление насыщенных паров жидкости при входе в насос.

Рис. 101. Условия возникновения кавитации:

Р (Atmospheric pressure) — атмосферное давление; Н + h (Liquid head and trim) — высота жидкости;

TVP (True vapour pressure) — истинное давление паров; NPSH (Net positive suction head) — общее давление всасывания; LF (Line ftiction) — сопротивление трубопровода

Кавитационный запас — это величина, выраженная в метрах, на которую полный гидродинамический напор жидкости 1 превышает давление насыщенных паров жидкости 2 при данной температуре.

Если кавитационный запас израсходуется на преодоление сопротивления или повышение скорости потока жидко­сти, то жидкость при входе в насос будет иметь давление, равное давлению насыщенных паров, что вызывает про­цесс кипения и, следовательно, кавитации (рис. 101).

В центробежных насосах возникновение кавитации наиболее вероятно на тыльной стороне лопастей рабочего колеса, вблизи от входных кромок, где наблюдается минимальное давление потока. Именно здесь чаще всего образу­ются парогазовые каверны, которые будут перемещаться вместе с потоком жидкости.

В межлопастных каналах давление жидкости возрастает в тот момент, когда его значение превысит значение давления насыщенных паров жидкости Pп, тогда процесс кипения прекратится, пары в кавернах мгновенно сконден­сируются и произойдет их заполнение жидкостью. Заполнение каверн жидкостью происходит с высокой скоростью, практически мгновенно, и сопровождается сильным гидравлическим ударом. Если заполнение каверны происходит на поверхности лопасти насоса, то за счет таких гидравлических ударов происходит разрушение поверхности металла.

Для определения кавитационного запаса проводят специальные испытания насоса (головных образцов серии насо­сов), в ходе которых получают данные для построения кавитационной характеристики насоса (рис. 102).

Первый кавитационный запас ∆h1, или второй ∆h2 принимают за величину ∆hД , при которой допускается длительная эксплуатация насоса. С учетом ∆hД определяют допустимую вакуумметрическую высоту всасывания насоса (NPSH):

HД.В = (рВ – рП ) / pg + ∆hД

Из этого выражения при известной величине HД.В можно определить навигационный запас:

∆hД = (рВ – рП ) / pg - HД.В

Гидравлический удар в трубопроводе. Зачастую при работе грузовых систем как при погрузке, так и при выгрузке возникают ситуации, когда требуется аварийное или экстренное закрытие грузового клапана на трубопроводе (на многих танкерах это осуществляется автоматически при срабатывании системы ESD).

Гидравлическим ударом называют комплекс явлений, происходящих в жидкости при резком понижении скорости её потока, которые приводят к возникновению в жидкости затухающего колебательного процесса, сопровождающегося чередующимися резкими повышениями и понижениями давления.

В случае резкой остановки потока газа в трубопроводе при закры­тии клапана начинается процесс сжатия жидкости по направлению к закрытому клапану (рис. 103). Первым останавливается и сжимается слой, непосредственно прилегающий к клапану. Давление в нем повы­шается на величину

р = ρ • а • v (Па = 10-5 бар),

Рис. 102. Кавитационная характеристика насоса

Точка I — начало кавитации; на участке 1—2 зо­на кавитации расширяется, на участке 2—3 рас­пространяется на большую часть сечения потока, а в точке 3 наступает суперкавитация, когда напор насоса стремится к нулю, происходит срыв всасыва­ния и подача прекращается

где ρ — плотность жидкости, кг/м3; а — скорость звука в жидкости, м/с; v линейная скорость потока до закрытия клапана, м/с.

Затем последовательно останавливаются и сжимаются до давления Р остальные слои жидкости в направлении от клапана до открытого конца трубопровода, т. е. до входного отверстия трубопровода. Таким образом образуется волна сжатия — ударная волна.

Ударная волна распространяется со скоростью звука в жидкости и достигает входного отверстия трубопровода за время

T=L/a с,

где L длина трубопровода, м; а — скорость звука в жидкости, м/с.

Дальнейшее распространение ударной волны становится невозможным, так как масса газа в емкости многократно превышает массу газа в трубопроводе и, следовательно, его энергию (при погрузке на пути ударной волны располо­жен работающий береговой насос). В связи с этим у входного отверстия трубопровода образуется граница ударной волны. Состояние газа на границе волны различное. Газ в цистерне находится в нормальном состоянии, а в трубопро­воде — в сжатом, что напоминает пружину, присоединенную к закрытому клапану и свободную с противоположного конца.

Очевидно, что сжатый в трубопроводе газ не может оставаться в таком состоянии, поэтому начинается его разжа­тие. Сначала разжимается слой, находящийся у границы удара, затем последовательно остальные слои жидкости. В результате в трубопроводе образуется волна разжатия, распространяющаяся со скоростью звука в жидкости по направлению к закрытому клапану. Волна достигнет клапана за время, с:

T= 2L/a.

Этот период называется фазой гидравлического удара.

В данный момент вся масса газа будет иметь скорость и давление, направленные в сторону цистерны, и газ будет стремиться «оторваться» от клапана. В результате возникает вторая волна гашения — волна снижения давления до величины ниже нормального давления. Она достигнет цистерны за время

ЗT=3L/a.

Рис. 103. Схема возникновения гидравлического удара в трубопроводе

При этом вся масса газа в трубопроводе будет неподвижной, а его давление пониженным. Поскольку давление в цистерне выше давления газа в трубопроводе, последний начнет перемещаться в направлении от цистерны к клапану, в результате возникнет четвертая волна — восстановления, которая достигнет клапана за время

2T=4L/a.

В этот момент в трубопроводе установится начальное давление, но, поскольку клапан остается закрытым и газ не может продолжить свое движение, у клапана вновь возникнет ударная волна.

При отсутствии потерь энергии удар имел бы периодический характер и колебательный процесс в трубопроводе продолжался бы бесконечно долго. В действительности в связи с потерями энергии на трение и деформацию трубо­провода колебательный процесс в нем постепенно затухает, и, в конечном итоге, давление в трубопроводе нормали­зуется.

При закрытии быстрозапорного клапана (БЗК) гидравлический удар возникает и в трубопроводе за клапаном вследствие резкого понижения давления и возникновения кавитации у клапана. При одновременном возникновении гидравлического удара перед клапаном и кавитации за ним может произойти разрушение клапана или трубопровода.

Вероятность возникновения гидравлического удара оценивают величиной отношения

t3 /Т,

где t3 — время закрытия клапана. Если это соотношение равно 1, то вероятность возникновения гидравлического удара весьма высока.

При соотношении времени закрытия клапана к фазе гидродинамического удара

t3 > 5,

т. е. вероятность возникновения удара отсутствует.

Существующие расчетные методы оценки вероятности возникновения гидравлического удара показывают, что для газовозов безопасное время закрытия БЗК равно 22,5 секунды.

Гидравлический удар в трубопроводе возможен также в случае пуска грузового насоса при полностью открытом нагнетательном клапане. На практике закрыть клапан мгновенно нельзя, поэтому при закрытии клапана происходит некоторый сброс давления. В результате давление гидравлического удара на практике меньше расчетного, а фронт давления менее выражен.

Если фактическое время закрытия клапана в несколько раз превышает фазу гидравлического удара, то сброс давления происходит более интенсивно и возникновение гидравлического удара маловероятно.

Слишком медленное закрытие клапана может привести к другим последствиям, нежели возникновение гидравли­ческого удара, а именно к увеличению протечек из поврежденных трубопроводов или шлангов,

переполнению грузо­вого танка и т. д. Поэтому необходимо выбирать оптимальное время закрытия клапана: не столь малое, чтобы не возник гидравлический удар, и не столь продолжительное, чтобы можно было обеспечить безопасность грузовых операций.

Практически на всех терминалах имеются сведения о длине трубопроводов и времени безопасного закрытия клапа­нов на них.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]