Явление кавитации в центробежных насосах, способы борьбы с ней. Допустимая высота всасывания.

Кавитация – процесс образования пузырьков при понижении давления.

Сущность кавитации – образуются разрывы сплошности в тех местах потока, где давление снижается до величины, соответствующей давлению насыщенного пара при данной температуре жидкости.

Происходит быстрое вскипание жидкости и вслед за вскипанием происходит обратный процесс быстрой конденсации пузырьков пара.

В момент конденсации массы жидкости устремляются к центру пузырька и обуславливают резкий точечный удар. Если пузырек пара находится на поверхности в момент его полной конденсации, то удар приходится на эту поверхность и вызывает местное разрушение металла. При этом давление может достигать нескольких сотен атмосфер.

Три стадии кавитационного процесса:

В начальной стадии зона кавитации заполнена смесью жидкости и более или менее крупных пузырьков пара.

Во второй стадии в кавитирующем потоке на ограничивающей поверхности образуются крупные каверны, срываемые потоком и вновь образующиеся.

Третья стадия – суперкавитация, весь обтекаемый элемент гидромашины лежит в области каверны.

Работа насоса в стадии начальной кавитации нежелательна, но допустима, если детали насоса изготовлены из кавитационно-устойчивых материалов (стали легированные никелем и хромом). В стадии развитой и суперкавитации работа насоса становится ненадёжной и поэтому недопустима. Кавитация обычно возникает во всасывающем тракте насоса на лопастях рабочего колеса, однако кавитационные процессы могут возникать и в напорных потоках в местах срыва жидкости с рабочих лопастей, направляющих лопаток, регулирующих органов.

В насосах низкого давления с деталями из чугуна кавитационные разрушения имеют губчатый характер. Поверхность неровная с извилистыми ноздреватыми полостями. В насосах высокого давления с деталями из конструкционных сталей разрушения в виде впадин и канавок с гладкой поверхностью. Кавитация вредна разрушением металла, снижением кпд. Сопровождается вибрацией, шумом, падением напора.Проявляется обычно с вогнутой стороны входных элементов лопастей, при протекании жидкости через уплотнительные зазоры, в местах резкого поворота потока, где происходит отрыв потока от ограничивающей поверхности.

Высота установки насоса, или расстояние по вертикали между осью и уровнем перекачиваемой жидкости, зависит от конструкции насоса, типа, числа оборотов, величины местных сопротивлений, температуры всасываемой воды. От правильности расчета всасывающей трубы насоса зависит надежная работа насосной установки. Диаметр трубы по требуемому расходу Q,м ³/с и допустимой скорости движения воды по трубе V, м/с определяется по формуле:

, откуда d=l,13

, м, где V=0,75- 1,0 м/с.

Диаметр всасывающей трубы должен быть больше диаметра нагнетательной трубы на 10-30 мм. Вакуумметрическая высота всасывания складывается из геометрической высоты всасывания, потерь напора во всасывающем трубопроводе и скоростного напора при входе в насос. Чем выше температура всасывающей воды, тем меньше допустимая высота всасывания.

Высота всасывания:

, где

h_в - вакуумметрическая высота всасывания, м;

h_св- потери напора на всасывающей линии, м;

скоростной напор, м.

Меры, предупреждающие возникновение кавитации в насосах:

- использование кавитационноустойчивых материалов (легированные стали никелем и хромом);

-ограничение скорости жидкости в проточной полости насосов;

- применение рациональных форм сечений проточной полости и профилей лопастей;

- эксплуатация насосов в режимах, близких к расчётным, поддержание такого давления во всасывающем патрубке при котором кавитация не появляется.

Основной мерой против кавитации в насосах любых типов и конструкций является соблюдение такой высоты всасывания насоса, при которой кавитация не возникает, такая высота всасывания называется допустимой.

где

Р_п – давление насыщенных паров, подаваемой жидкости для данной температуры, Па;

φ=1,4;

h_w – гидравлическое сопротивление всасывающего трубопровода, м;

Н – напор,м;

σ – коэффициент кавитации; σ=0,3-0,4;

ρ – плотность среды, кг/м³;

g – ускорение свободного падения, м/с².

№11,12

Осевые насосы, вентиляторы, компрессоры, их устройство, особенности конструкций и принцип их действия. Ротационные насосы и компрессоры (пластинчатые, шестеренные и винтовые), их устройство и принцип действия

О севые насосы большой подачи выполняются с вертикальным расположением вала. В насосах рабочее колесо выполняется из стального или чугунного литья. Выпускаются насосы типов О, имеющие жёсткое крепление лопастей и типа ОП -поворотное крепление (поворот - перестановка лопастей - производится при остановленном насосе). Имеются конструкции крупных осевых насосов с лопастями, поворачиваемыми на ходу насоса через вал аналогично поворотно-лопастным гидротурбинам.

К станине 2, опирающейся на раму из швеллеров 9, крепится корпус 1 с направляющим аппаратом 4. На коническую заточку нижнего конца вала сажается ступица 3 рабочего колеса, крепящаяся врезной шпонкой и гайкой.

Лобовая часть ступицы имеет вид тела с малым сопротивлением при обтекании. Лопасти направляющего аппарата 4 поддерживают своими внутренними концами криволинейную втулку 10, на внутреннем фланце крепится нижний подшипник 8.

Ротор насоса, состоящий из вала с облицовкой 5, рабочего колеса, соединительной муфты и упорного кольца, подвешен на упорном подшипнике, помещённом в корпусе 7.

Вся осевая нагрузка передаётся на станину насоса. В корпусе 7 расположен верхний подшипник. В тумбе 6 смонтирован сальник. Верхние подшипники смазываются густой консистентной мазью, нижние – водяная смазка.

При вращении, лопасти взаимодействуют с потоком жидкости, сообщая ей энергию и перемещая её вдоль оси насоса.

Гидравлический к.п.д. ступени:

, где Р_ст – давление, создаваемое ступенью;

Р_т – теоретическое давление.

η_г = 0,75 – 0,92.

Механический к.п.д. учитывает потери энергии от трения в уплотнениях, подшипниках, дискового трения

η_м = 0,94 – 0,98.

Полный к.п.д. ступени η = η_г ∙ η_м = 0,7 – 0,9.

Мощность на валу: , где

М – момент силы, Н∙м.

Регулирование подачи

- изменение частоты вращения;

- поворот лопаток рабочего колеса или направляющим аппаратом.

К онструкция осевого вентилятора аналогична конструкции осевого насоса. В конструкциях осевых вентиляторов с одним и несколькими рабочими насосами применяются устройства, улучшающие аэродинамику потока и повышающие КПД вентиляторов: полы, обтекатели, исправляющие и спрямляющие аппараты. Пол представляет собой тело, штампованное из тонкого листового металла, закрепляемое неподвижно перед направляющим аппаратом. Назначение пола-обеспечить постепенное возрастание скорости на входе в направляющий аппарат первой ступени при минимальных потерях энергии. Регулирование подачи осевых вентиляторов может производиться изменением частоты вращения, направляющим аппаратом, поворотом рабочих лопастей. Осевые вентиляторы относятся к быстроходным нагнетателям и применяются для подачи относительно больших объёмов газа при меньших давлениях по сравнению с центробежными. У осевых вентиляторов струи воздуха движутся параллельно оси, поэтому окружная скорость практически не изменяется, т.е. для каждой струйки, следовательно, центробежные силы не участвуют в работе вентилятора. Осевые вентиляторы имеют высокий КПД.

Осевой компрессор комбинируется из нескольких ступеней давления. Ступень состоит из вращающегося венца рабочих и неподвижного венца направляющих лопастей, которые представляют собой круговые плоские решетки. Рабочие лопасти закреплены на дисках или барабане ротора, направляющие – жёстко посажены в корпусе. Проточная полость образуется межлопастными каналами венцов рабочих и направляющих лопастей и поверхностями в корпусе и втулки. Длина лопастей уменьшается от первой ступени к последней. Осевой компрессор состоит из массивного ротора с несколькими венцами рабочих лопастей и корпуса, несущего венцы неподвижных направляющих лопастей. Газ всасывается в приёмный патрубок и, двигаясь в осевом направлении, сжимается последовательно в лопастных ступенях компрессора. Привод компрессора может быть различный. Объемные роторные машины широко распространены в промышленности.

Группы роторных насосов (конструктивно): шестеренные, пластинчатые, аксиально-поршневые, радиально-поршневые, винтовые.

Ш естерёнчатые состоят: зубчатые колёса 1 и 2, сцепляющиеся, помещены с малыми зазорами в корпус 3. Одно из колёс ведущее снабжено валиком, выходящим из корпуса через уплотняющий сальник, другое колесо является холостым. При вращении колёс жидкость поступает из полости всасывания 4 во впадины между зубьями и перемещается в напорную полость 5, при сцеплении колёс происходит выдавливание жидкости из впадин. Шестерёнчатые насосы реверсивны.

Подача Q = (f ∙ l ∙ Z₁ ∙ n₁ + f ∙ l ∙ Z₂ ∙ n₂ )∙η₀ , где

f – площадь поперечного сечения впадины между зубьями, м²;

l – длина зуба колеса, м;

Z₁ Z₂ – количество зубьев, шт.;

n₁,n₂ – частоты вращения, об/мин.;

η₀ – объёмный коэффициент насоса, учитывает перенос жидкости в пространствах впадин обратно в полость всасывания; учитывает перетекание жидкости через зазоры из напорной полости во всасывающую. η₀ = 0,7 – 0,9.

, где

ε – передаточное число зубчатой пары; D₁,D₂ – диаметр начальных окружностей.

П ластинчатые насосы (сборные насосы): в центре корпуса 1 вращается эксцентрично расположенный массивный ротор 2. В радиальных канавках, выфрезированных в роторе, ходят пластинки 3. Внутренняя поверхность корпуса обработана так, что полость всасывания 4 и полость подачи 5 отделены друг от друга пластинами и цилиндрическими поверхностями ab и cd. В следствии наличия эксцентриситета е при вращении ротора 2 жидкость переносится из лопасти в лопасть в межлопастных пространствах А.

Производительность Q = f_А ∙ l ∙ Z ∙ n ∙ η₀ , где

f_А – площадь межлопастного пространства при пробегании его по замыкающей дуге ab, м²;

l – длина пластины, м;

Z– количество пластин, шт.;

n – частота вращения, об/мин.;

η₀ – объёмный коэффициент насоса.

По подводу жидкости насосы различают с внутренним и внешним подводом жидкости.

В интовые насосы. В системах регулирования и смазки крупных машин двигателей находят применение винтовые насосы. В расточку корпуса 1 плотно вставлен винт 2 в плоской прорези корпуса находится пластина 3 , зубцы которой входят в межвитковые каналы винта и плотно перегораживают их. При вращении винта жидкость, заключённая в межвитковых каналах 4, удерживается от вращения зубцами пластины 3 и перемещается в осевом направлении. Таким образом, осуществляется всасывание и подача. При вращении винта пластина 3 перемещается вверх.

Подача , где

η₀ = 0,7 – 0,95;

n – частота вращения основного червяка, об/мин.;

d – диаметр червяка, см.

№13