Свободновихревые насосы (стр. 15 )

Расчет размеров проточной части СВН можно провести путем пересчета модельного насоса. Этот метод аналогичен лопастным насосам [31]. Для применения данного метода расчета необходимо определить коэффициент быстроходности ns  (3.4) и  подобрать модельный насос, ns которого близок к коэффициенту быстроходности проектируемого насоса. На модельной характеристике по вычисленному значению ns  определяют Qм и Нм. Затем по заданным параметрам насоса  Qн  и  Нн находят масштаб геометрического подобия :

        ,  (5.1)

где   – отношение линейных размеров натурного и модельного насосов, обычно .

Используя формулу (5.1), по имеющимся размерам модельного насоса можно определить размеры проектируемого насоса.

При пересчете подачи, напора и мощности насоса при геометрически подобном изменении его размеров, изменении частоты вращения вала насоса на  и при переходе от жидкости с плотностью к жидкости с плотностью используют уравнения подобия [33]:

  ;  (5.2)

  ;  (5.3)

                 .  (5.4) 

Пересчет по (5.2) - (5.4) справедлив при условии равенства КПД натурного и модельного насосов (зн = зм).

Поскольку СВН по параметрам и абсолютным  размерам могут значительно отличаться друг от друга, приближенным будет являться и условие равенства КПД модели и натуры. В этом случае расчет СВН по формулам подобия будет недостаточно точным. Степень точности расчетных и экспериментальных характеристик за­висит от масштабного коэффициента и отношения скоростей вращения. Кроме того, законам моделирования не подчиняются радиаль­ные зазоры между РК и корпусом насоса. Для увеличения напора и КПД насоса зазоры делают минимальными.

Контрольные задания

По заданным параметрам проектируемого насоса, используя модельную характеристику, определить: масштаб геометрического подобия; расчетную характеристику натурного насоса.

РАЗДЕЛ 6 

КАВИТАЦИЯ В  СВН

6.1 Причины появления кавитации  и определение критического кавитационного запаса

При подборе насосного оборудования необходимо уделять внимание уменьшению капитальных затрат при строительстве насосных станций, что требует создание насосов с высокими кавитационными качествами.

Работа СВН без кавитации с положительными высотами всасывания позволяет повысить концентрацию перекачиваемой среды, увеличить ее газосодержание, а более позднее проявление последствий кавитации уменьшить глубину заложения фундамента насосных установок.

Под кавитацией понимают комплекс физико-механических явле­ний, возникающих при снижении давления в потоке жидкости до некоторого критического его значения [19]. За критическое давление обычно прини­мают давление парообразования жидкости при данной температуре.

Снижение давления в СВН до критического может быть вызвано: большими скоростями жидкости на входе в РК вследствие сжатия потока; отклонением линий тока от заданных траекторий при изменении направления основного потока в случае взаимодействия с циркуляционным потоком, а также при обтекании выступающих частей в проточной части насоса; большими сопротивлениями вследствие шероховатости и неров­ностей поверхностей на входе в насос; отрывом потока от ограничивающих поверхностей на входе в свободную камеру или в области "языка" отвода; наличием перетоков в зазоре между расточкой в корпусе и торцами лопаток по наружному диаметру РК; неустановившимся режимом работы при пуске или остановке.

При кавитации нарушается неразрывность течения жидкости, из  ко­торой выделяются пар и растворенные газы. Пузырьки пара и газа уносятся жидкостью в область с давлением выше критического, где и  разрушаются.

Кавитация сопровождается ухудшением характе­ристик насоса (снижением напора, мощности, КПД), звуко­выми эффектами (шумом, треском), вибрацией и эрозионным разруше­нием элементов проточной части. Кроме этого, кавитация  ухудшает экономичность и надежность насосов, уменьшает долговечность их работы.

При развитой кавитации, когда парогазоводяная смесь заполняет все межлопаточные пространство, происходит разрыв сплошности потока и "срыв" (прекращение) подачи.

Самое негативное последствие кавитации – это эрозионное разрушение элементов проточной части. Согласно ударной гипотезе кавитационного разрушения в зоне "схлопывания" кавитационного пузырька давление достигает весьма больших значений, возникают местные гидравлические удары, которые приводят к разрушению металла.

Для  безкавитационной работы насоса необходимо, чтобы минимальное абсолютное давление на входе в насос было больше давления парообразования при данной темпера­туре :

  pmin  > pп.         (6.1)

Условием, определяющим безкавитационную работу насоса, является наличие достаточного кавитационного запаса, представляющего со­бой разность между удельной энергией на входе и энергией, соответ­ствующей давлению парообразования,  т. е.

  ,  (6.2)

где pвх, Vвх  – давление и скорость на входе в насос; рп – давление парообразования.

Для любого насоса существует некоторый минимальный кавитационный запас, при котором  насос начнет кавитировать. Кавитационный запас, при котором происходит кавитация,  называется критическим.

Для определения минимального кавитационного запаса предложена формула

         

  ,  (6.3)

где n – частота вращения рабочего колеса, об/мин; Q – подача, м3/с; С – опытный коэффициент,  характеризующий кавитационные качества насоса.

В технической литературе коэффициент С называется кавитационным коэффициентом быстроходности, так как формула для его определения структурно соответствует выражению для коэффициента быстроходности ns :

  .         (6.4)

Из уравнения  следует, что кавитационные качества насоса тем выше, чем больше С. При работе в оптимальном режиме насосов, плохих в кавитационном отношении, кавитационный коэффициент быстроходности С = 600 – 700, для обычных насосов  С = 800 – 1000, для насо­сов с повышенными кавитационными свойствами С = 1300 – 3000. Для  геометрически подобных насосов величина С  на подобных режимах и при работе на одинаковых жидкостях примерно постоянна. Чем больше величина С, тем лучше насос по своим кавитационным качествам. Уравнение (6.3) дает возможность определить кавитационный запас, если известен С.

Для определения критического кавитационного запаса проводят кавитационные испытания насоса, по результатам которых для нескольких режимов работы насоса получают кавитационные характеристики, которые представляют зависимости напора, мощности и КПД от кавитационного запаса при постоянной частоте вращения и подаче (рис. 6.1).

Рисунок 6.1 – Кавитационная характеристика насоса

В насосах принято различать два критических режима кавитации – первый и второй. Первый критический режим соответствует моменту начала кавитации в насосе. На  кавитационных характеристиках это режим начала понижения напора или к. п.д. Практически кавитация наступает раньше, однако носит локальный характер и не влияет на характеристику насоса. Второй критический режим соответствует моменту срыва работы насоса. На кавитационных характеристиках этот режим соответствует началу резкого снижения напора.

Для определения критического кавитационного запаса Дhкр, соответствующего первому критическому режиму, используют общепринятый критерий трехпроцентного падения напора. В качестве допускаемого кавитационного запаса при работе насоса без кавитации принимают величину на (10 – 30) % большую Дhкр, т. е.

  .  (6.5)

По полученным для различных подач (в рабочей части характеристики) значениям критических кавитационных запасов строят зависимость критических или допустимых кавитационных запасов от подачи насоса. Эту кривую наносят на рабочую характеристику насоса.

Следует отметить условность определения кавитационных режимов работы насоса, в основу которого положено лишь одно из многочисленных вредных проявлений кавитации, а именно ее влияние на энергетические характеристики, в частности на напор насоса. С помощью кавитационных характеристик можно установить начало влияния кавитации на энергетические характеристики насоса, однако выявить момент зарождения кавитации, а следо­вательно и установить начало эрозионного разруше­ния элементов проточной части не представляется возможным. Практика подтверждает, что эрозия начи­нается задолго до снижения энергетических характеристик.

6.2  Влияние конструктивных элементов насоса на кавитационные характеристики