Лабораторная работа № 6: «Кавитационные испытания центробежного насоса»

Вводная часть

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 десятков, и даже сотен мегапаскалей. 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.

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 опасным следствием кавитации. Разрушения рабочих колес вследствие кавитации представлены на рис. 13.

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 \(\Delta h\) ‒ превышением удельной энергии жидкости при входе в насос над удельной энергией её насыщенных паров:

\(\Delta h = (\frac{p}{\rho g} + \frac{v_{вс}^2}{2g}) — \frac{p_{н.п.}}{\rho g} \), (36)

где \(p\) и \(v_{вс}\) ‒ абсолютное давление и скорость на входе в насос; \(p_{н.п.}\) ‒ давление насыщенных паров жидкости на входе в насос, зависящее от рода жидкости и её температуры. Для воды и бензина \(p_{н.п.}\) приведены в табл. 10.

Начальная стадия кавитации определяется критическим кавитационным запасом \(\Delta h_{кр}\) ‒ кавитационным запасом, при котором в насосе наблюдается падение напора на 2% на частной кавитационной характеристике \((H= f(\Delta h))\), или на 1 м при напоре насоса более 50 м.

Величину критического кавитационного запаса \(\Delta h_{кр}, м\), можно определить при кавитационных испытаниях насоса по частной кавитационной характеристике, или по формуле С.С. Руднева:

\(\Delta h_{кр} = 10 (\frac{n \sqrt Q}{C})^{3/4}\), (37)

где \(n\) ‒ частота вращения, об/мин; \(Q\) ‒ подача насоса, м3/с; \(C\) ‒ 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 \(\Delta h_{доп}\), вычисляемым по формуле:

\(\Delta h_{доп} = A \Delta h_{кр}\), (38)

где \(A\) ‒ коэффициент кавитационного запаса \((A = 1,05 ‒ 1,3 = f (\Delta h_{кр}))\) (табл. 11).

Графическая зависимость допускаемого кавитационного запаса от подачи в рабочем интервале подач \(\Delta h_{доп} = f(Q)\) называется кавитационной характеристикой насоса (рис. 14). 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, \(H = f (\Delta h)\) (рис. 15).

При испытаниях насоса кавитационный запас определяется по формуле:

\(\Delta h_{оп} = \frac{p_a — p_в — p_{н.п.}}{\rho g} + \frac{v_{вс}^2}{2g}\), (39)

где \(p_a ≈ 10^5\ Па\) ‒ атмосферное давление; \(p_в\) ‒ показания вакуумметра, Па.

Полученные опытным путем значения \(\Delta h_{оп}\) приводятся к номинальной частоте вращения \(n_н\) по формуле:

\(\Delta h = \Delta h_{оп} (\frac{n_н}{n_{оп}})^2\), (40)

затем строится частная кавитационная характеристика насоса (рис. 15).

По каждой частной кавитационной характеристике находятся \(\Delta h_{кр}\) и \(Q\), а затем \(\Delta h_{доп}\) (по формуле 38). По значениям \(\Delta h_{доп}\) и \(Q\) строится кавитационная характеристика \(\Delta h_{доп} = f(Q)\) (рис. 14).

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

\(H_{вак} = \frac{p_a — p}{\rho g} = \frac{p_в}{\rho g}\), (41)

и далее, произведя подстановку в (41) значение абсолютного давления \(p\) из формулы (36):

\(p = \Delta h \rho g + p_{н.п.} — \frac{v_{вс}^2 \rho}{2}\), (42)

\(H_{вак} = \frac{p_a — p}{\rho g} = \frac{p_a — p_{н.п.}}{\rho g} — \Delta h + \frac{v_{вс}^2}{2g}\), (43)

По аналогии с (43) можно записать выражения для критического и допускаемого вакуума. Критический вакуум:

\(H_{вак}^{кр} = \frac{p_a — p_{н.п.}}{\rho g} — \Delta h_{кр} + \frac{v_{вс}^2}{2g}\), (44)

Допускаемый вакуум:

\(H_{вак}^{доп} = \frac{p_a — p_{н.п.}}{\rho g} — \Delta h_{доп} + \frac{v_{вс}^2}{2g}\), (45)

Употребляется также понятие вакууметрической высоты всасывания \(H_в\), которая связана с вакуумом зависимостью:

\(H_{в} = \frac{p_a — p_{н.п.}}{\rho g} + \frac{v_{вс}^2}{2g}\), (46)

или:

\(H_{в} = H_{вак} + \Delta h\), (47)

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:

\(H_{вак} = \frac{p_a — p_{н.п.}}{\rho g} = H_{вс} + \frac{v_{вс}^2}{2g} + h_{вс}\), (48)

где \(h_{вс}\) ‒ потери напора во всасывающем трубопроводе.

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

\(H_{вс}^{кр} = H_{вак}^{кр} — \frac{v_{вс}^2}{2g} — h_{вс}\), (49)

или:

\(H_{вс}^{кр} = \frac{p_a — p_{н.п.}}{\rho g} — \Delta h_{кр} — h_{вс}\), (50)

Допускаемая высота всасывания \(H_{вс}\), т.е. высота, при которой обеспечивается безкавитационная работа насоса, равна:

\(H_{вс} = H_{вак}^{доп} — \frac{v_{вс}^2}{2g} — h_{вс}\), (51)

или:

\(H_{вс} = \frac{p_a — p_{н.п.}}{\rho g} — \Delta h_{доп} — h_{вс}\), (52)

Описание установки

Установка с замкнутой схемой циркуляции жидкости (рис. 16) включает в себя: электродвигатели, испытываемый центробежный насос, бак, всасывающий и нагнетательный трубопроводы, вентиль изменения расхода, вакуумный насос, контрольно-измерительную аппаратуру: манометр и вакуумметры, диафрагму с подключенным к ней дифференциальным манометром и тахометр), пульты включения электропитания центробежного и вакуумного насосов.

Цель работы:

1. Убедиться на практике в существовании явления кавитации в центробежном насосе и уяснить причины ее возникновения.
2. Освоить методику кавитационных испытаний центробежного насоса.
3. Получить в результате испытаний кавитационную характеристику насоса.

Порядок выполнения работы и обработка опытных данных

Частные кавитационные характеристики \(H = f(\Delta h)\) следует получить для минимальной, номинальной и максимальной подач насоса.

Для этого необходимо:

1. Включить насос и обеспечить заданную минимальную подачу вентилем изменения расхода, предварительно определив для нее примерный перепад давлений на дифманометре \(h\), мм. рт. ст., из формулы (29).
2. Уменьшать ступенчато давление на входе в насос, включением вакуумного насоса, 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, вакуумметров, дифманометра и тахометра. Результаты измерений занести в табл. 12.
3. Повторить пункты 1 и 2 для номинальной и максимальной подачи.
4. Вычислить параметры, необходимые для построения частной кавитационной характеристики: подачу насоса \(Q\), л/с ‒ по формуле (29); скорости во всасывающем и напорном трубопроводах \(v_{вс}\) и \(v_н\) ‒ по формулам (30) и (31), принимая диаметры трубопроводов из табл. 9 и переведя для этого \(Q\) в (м3/с); напор насоса \(H\) ‒ по формуле (21), имея в виду, что \(z_м = 0,50\ м\); кавитационный запас \(\Delta h_{оп}\) ‒ по формуле (39), принимая давление насыщенных паров \(p_{н.п.}\) по табл. 10 для заданной температуры жидкости.
   Если в опытах частота вращения nоп отличается от номинальной \(n_н\) \((n_н = 2900\ об/мин)\) более чем на 0,5%, кавитационный запас \(\Delta h_{оп}\) необходимо привести к \(n_н\) по формуле (40). Если же \(n_{оп}\) отличается от \(n_н\) менее чем на 0,5%, принять \(\Delta h = \Delta h_{оп}\). Результаты вычислений занести в табл. 12.
5. Построить по результатам табл. 12 частные кавитационные характеристики \(H_i = f(\Delta h)\) (см. рис. 15) для минимальной, номинальной и максимальной подач насоса.
6. Для получения кавитационной характеристики \(\Delta h_{доп} = f(Q)\) необходимо по каждой частной кавитационной характеристике \(H_i = f(\Delta h)\) определить допускаемый кавитационный запас \(\Delta h_{доп} = A \Delta h_{кр}\), предварительно определив критический кавитационный запас \(\Delta h_{кр}\) по падению напора на 2% на кривой \(H_i = f(\Delta h)\) и коэффициент кавитационного запаса \(A = f(\Delta h_{кр})\) из табл. 11.
7. Результаты расчетов по п.5 свести в табл. 13 и построить по данным этой таблицы кавитационную характеристику \(\Delta h_{доп} = f(Q)\) (см. рис. 14).
8. Сформулировать заключение выводы по проделанной работе.

Основные контрольные вопросы к лабораторной работе № 6

1. Что такое кавитация, каковы её внешние признаки?
2. Что называется кавитационным запасом \(\Delta h\) и как его опре¬делить при испытаниях?
3. Что называется критическим кавитационным запасом \(\Delta h_{кр}\)?
4. Что называется допускаемым кавитационным запасом \(\Delta h_{доп}\)?
5. Привести формулу 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 характеристики.
10. Как получают кавитационную характеристику центробежного насоса?

Рекомендуемая литература к лабораторной работе № 6

• 16. Башта, Т.М. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы: Учебник для машиностроительных вузов [Текст] / Т.М. Башта, С.С. Руднев, Б.Б. Некрасов [и др.]. М.: Машиностроение, 1982. 423 с. [с. 227…231]
• 17. Руднев, С.С. Лабораторный курс гидравлики, насосов и гидропередач [Текст] /С.С. Руднев, Л.Г. Лодвидзе, [и др.]. М.: Машиностроение, 1974. 416с. [с. 237…245]
• 18. Васильев, Б.А. Гидравлические машины [Текст] / Б.А. Васильев, Н.А. Герцев. М.: Агропромиздат, 1988. 272 с. [с. 109…119]