Работа 2.2. КАВИТАЦИОННЫЕ ИСПЫТАНИЯ ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА

Кавитацией называется нарушение сплошности потока жид­кости, обусловленное появлением в ней пузырьков или полостей, наполненных паром и газом. Кавитация возникает, когда абсолют­ное давление в потоке падает до давления насыщенных паров жид­кости при данной температуре. При этом из жидкости интенсивно выделяются пузырьки, заполненные парами жидкости и растворен­ными в ней газами (жидкость закипает). Обычно выделение газа из жидкости незначительно и не оказывает существенного влияния на технические параметры работы насосов, поэтому кавитацию на­зывают паровой. В дальнейшем под термином кавитация будем под­разумевать паровую кавитацию.

Выделяющиеся из жидкости в местах пониженного давления пузырьки, заполненные паром, уносятся потоком и, попадая в об­ласть с повышенным давлением, конденсируются. При этом час­тицы жидкости, окружающие пузырьки пара, с весьма большими скоростями устремляются в пространство, занимаемое ранее паром. Происходит столкновение частиц жидкости, сопровождающееся мгновенным местным повышением давления, достигающим сотен и даже тысяч атмосфер. Если конденсация происходит у стенок каналов насоса, то материал стенок быстро разрушается. Причем в первую очередь раз­рушаются те места, в которых имеются мик­роскопические трещины на поверхности сте­нок.

Рис 2.3. Разрушение рабочих колес вследствие кавитации

Например, из чугуна прежде всего вы­биваются графитовые включения, а затем жидкость, действуя как клин, еще более ин­тенсивно разрушает материал стенок, обра­зуя на их поверхности значительные рако­вины.

Кроме того, материал стенок подвергается разрушению от химического воздейст­вия воздуха богатого кислородом, и различных газов, выделяющихся из жидкости. Описанный процесс разру­шения стенок каналов называется эрозией и является очень опас­ным следствием кавитации. Разрушения рабочих колес вследствие кавитации приведены на рис. 2.3.

Внешним проявлением кавитации является наличие шума, ви­брации, падение напора, подачи, мощности и КПД. Очевидно, что работа насоса в кавитационном режиме недопустима.

Возникновение и характер кавитационных явлений определя­ются кавитационным запасом Dh- превышением удельной энергии жидкости при входе в насос над удельной энергией её насыщенных паров

где р, v - абсолютное давление и скорость на входе в насос;

р_н.n - давление насыщенных паров жидкости на входе в насос, зависящее от рода жидкости и её температуры. Для воды и бензина р_н.n в кПа приведены в табл. 2.2.

Таблица 2. 2

t C,
Вода Бензин Б-70	0.32	1.21	1.69	2.34 16.3	3.17	4.24	7.37 33.2	20.2 55.8	48.2 103.3	103.3

 

Начальная стадия кавитации определяется критическим кави - тационным запасом Dh_кр - кавитационным запасом, при котором в насосе наблюдается падение напора на 2% на частной кавитационной характе-ристике (Н= f(DН)) или на 1 м при напоре насоса более 50 м.

Величину критического кавитационного запаса Dh_кр можно определить при кавитационных испытаниях насоса по частной кавитационной характе
ристике или по формуле С. С. Руднева:

где n- частота вращения, об/мин;

Q- подача насоса, м³ /с;

С- кавитационный коэффициент быстроходности, величина ко­торого зависит от конструктивных особенностей насоса и равна: 600-800- для тихоходных насосов; 800-1000- для нормальных, насосов; 1000-1200- для быстроходных на­сосов.

Работа насоса без изменения основных технических показате­лей, т. е. без кавитации, определяется допускаемым кавитационным запасом Dh_доп, вычисляемым по формуле:

где А- коэффициент кавитационного запаса A=f(Dh_кр) (А=1, 05-1, 3).

Графическая зависимость допускаемого кавитационного запа­са от подачи в рабочем интервале подач Dh_доп= f(Q) называется кавитационной характеристикой насоса (см рис 2.9 и 2.12). Её получают при кавитационных испытаниях насоса по частным ка­витационным характеристикам.

Частная кавитационная характеристика - это зависимость на­пора насоса от кавитационного запаса при постоянной частоте вращения, подаче и температуре жидкости, H= f(Dh) (рис. 2.5)

При испытаниях насоса кавитационный запас определяется по формуле:

 

где p­_а, p_в - показания барометра и вакуумметра.

Полученные опытным путем значения Dh_on приводятся к но­минальной частоте вращения n_н по формуле:

и строится частная кавитационная характеристика насоса (см. рис. 2.5)

Рис. 2.4. Кавитационная Рис 2.5. Частные кавитацион-

характеристика насоса. ные характеристики насоса.

По каждой частной кавитационной характеристике находим Dh_кр и Q, а затем Dh_доп (по формуле 2. 16). По значениям Dh_доп и Q₁ строим кавита-ционную характеристику Dh_доп = f(Q) (см. рис. 2. 4).

Контроль работы насоса при его эксплуатации производится по показаниям вакуумметра, установленного на входе в насос. Связь кавита-ционного запаса с вакуумом можно найти из выражения

подставив в него значение абсолютного давления p из формулы (2.14).

 

По аналогии с (2. 19) можно записать выражения для крити­ческого и допускаемого вакуума.
Критический вакуум

 

Допускаемый вакуум

Употребляется также понятие вакуумметрической высоты вса­сывания Н_в, которая связана с вакуумом зависимостью:

Вакуум на входе в насос зависит от расположения насоса по отношению к свободной поверхности жидкости в приемном резервуаре геометрической высоты всасывания H_ВС, режима работы насосов и других факторов.

Такая зависимость находится с помощью уравнения Бернулли:

 

где h _вс- потери насоса во всасывающем трубопроводе.

Максимальная (критическая) высота всасывания, т.е. высота, при кото-рой начинается кавитация, вычисляется по формуле:

 

Допускаемая высота всасывания H_ВС , т.е. высота при которой обеспечивается бескавитационная работа насоса, равна:

Цель работы: 1. Убедится на практике в существовании явления кавита-ции в центробежном насосе и уяснить причины ее возникновения.

2. Освоить методику кавитационных испытаний центробежного насоса.

3. Получить в результате испытаний кавитационную характеристику насоса

Описание установки. Установка с замкнутой схемой циркуляции жидко-сти (рис.2.16) включает в себя: испытуемый центробежный насос 1, бак 3, всасывающий 2 и нагнетательный 6 трубопроводы, задвижку 5, вакуумный насос 4, контрольно-измерительную аппаратуру (манометр 9 и вакууметр 8,

диафрагму с подключенным к ней дифференциальным манометром 7, ватт- метр 10 и тахометр 11).

 

Рис 2.6 Схема установки для кавитационных испытаний насоса.

Порядок выполнения работы и обработка опытных данных для полу-чения частных кавитационных характеристик: Частные кавитационные

характеристики H= f(Dh) следует получить для минимальной, номинальной и максимальной подач насоса.

С этой целью необходимо:

1. Включить насос 1 и обеспечить заданную подачу задвижкой 5.

2. Уменьшать ступенчато давление на входе в насос, включением вакуумного насоса 4, начиная с давления, заведомо исключающего кавитацию, и заканчивая при резком падении напора, обеспечивая при этом Q_i= const и снимая на каждой ступени показания мано­метра 9, вакуумметра 8, дифманометра 7 и тахометра 11. Резуль­таты измерений записать в табл. 2.3.

3. Вычислить параметры, необходимые для построения частной кавитационной характеристики: напор насоса Н- по формуле (2.2); подачу насоса Q- по формуле (2.9); кавитационный запас Dh_оп по формуле (2.17).

Если в опытах частота вращения n_оп отличается от номиналь­ной n_н более чем на 0, 5%, кавитационный запас Dh_оп необходимо привести к n_н по формуле (2.18). Если же n_оп отличается от n_н ме­нее чем на 0, 5%, принять Dh=Dh_оп.

4. Результаты вычислении записать в табл. 2.3 и построить по ним частные кавитациопные характеристики (см. рис. 2. 5).

Таблица 2.3

Измеряемые параметры	Рассчитываемые параметры
Pa, Па	Pм, Па	Рв, Па	h, мм.рт.ст	nоп, об/мин	H, м	Q, л/с	v, м/с	Dhоп, м	Dh, м

Порядок выполнения работы и обработка опытных данных для по­лучения кавитационной характеристики. Для получения кавитаци-онной характеристики Dh_доп=f(Q) необходимо:

1. По каждой частной кавитационной характеристике H_i= f(Dh) опре-делить допускаемый кавитационный запас Dh_доп= АDh_кр, предварительно определив критический кавитационный запас Dh_кр по падению напора на 2% на кривой H_i=f(Dh) и коэф­фициент кавитационного запаса A= f(Dh_кр) из табл. 2.4.

 

Таблица 2.4

DhКР, м	0-2.5								³ 14
А	1.3	1.25	1.2	1.13	1.1	1.09	1.08	1.07	1.06

 

2. Результаты расчетов свести в табл. 2.5 и построить подан­ным этой таблицы кавитационную характеристику Dh_доп= f(Q) (см. рис. 2.4).

Таблица 2.5

Q, л/с	Dhкр, м	А	Dhдоп, м
Qmin Qн Qmax	Dhкр1 Dhкр2 Dhкр3	А1 А2   А3	Dhдоп1 Dhдоп2 Dhдоп3

Основные контрольные вопросы

1. Что такое кавитация, каковы её внешние признаки?

2. Что называется кавитационным запасом Dh и как его опре­делить при испытаниях?

3. Что называется критическим кавитационным запасом Dh_кр?

4. Что называется допускаемым кавитационным запасом Dh_доп?

5. Формула Руднева для определения критического кавитационного запаса?

6. Что такое высота всасывания и как она связана с кавитацией?

7. Что называется кавитационной характеристикой и как она изображается графически?

8. Что называется частной кавитационной характеристикой и как её получить при испытаниях?

9. Порядок работы при снятии частной кавитационной харак­

10. Как получают кавитационную характеристику центробеж­ного насоса?

Литература к работе 2- 2: 8, 20, 41, 51, 66.