Судовые насосы

 

6. Кавитация. Допустимая высота всасывания

Кавитация —  это процесс нарушения сплошности текущей жидкости. Ее сущность состоит  в образовании разрывов сплошности в тех зонах потока, в которых  давление падает до величины, равной давлению насыщенного пара при данной температуре жидкости, т. е. условием начала возникновения кавитации является Кавитация — сложное физическое явление. Начало ее процесса характеризуется появлением в потоке малых парогазовых пузырьков, которые из зоны образования уносятся в область повышенного давления и там разрушаются. По мере развития кавитации количество парогазовых пузырьков возрастает и образуются устойчивые парогазовые полости. Пузырьки, попав в область повышенного давления, конденсируются, и жидкость, окружающая их, устремляется с большой скоростью в пространство, которое ранее было занято паром. Процесс конденсации пара заканчивается гидравлическим ударом и сопровождается резким повышением  местного давления. Сила гидравлического удара может достигать порядка нескольких сотен атмосфер. Наряду с эрозией вследствие гидравлических ударов происходит также и коррозионное разрушение металла. Кавитация сопровождается термическими и электрохимическими явлениями. Она приводит к резкому снижению КПД насоса и его напора. Работа кавитирующего насоса сопровождается шумом, треском, ударами и повышенной вибрацией.

Кавитация может  возникнуть во всасывающем, напорном трактах, в местах срыва потока с поверхностей лопастей и регулирующих органов (задвижек, заслонок), при протекании жидкости через уплотнительные зазоры, в зонах резкого поворота потока и т. д.

В ЦН кавитация  проявляется чаще всего с вогнутой (тыльной) стороны входных кромок лопастей (рис. 12, точка В), в зоне, наиболее удаленной от оси вращения РК.

 

Рис. 12.К определению зоны начала кавитации в ЦН.

 

Процесс развития кавитации  в насосе разбивается на 4 периода: возникновение, начало (неустановившаяся стадия), частично    развившаяся (установившаяся) стадия и полностью  развившаяся (срывная) стадия. Степень  развития кавитации определяется этими периодами времени. Для предупреждения кавитации в насосе могут быть применены различные способы (рациональное профилирование формы проточной части, ограничение скорости движения жидкости в сечениях канала и др.).

Предкавитационное состояние насоса определяется величиной кавитационного запаса энергии , представляющей собой превышение энергии жидкости при входе в насос над удельной энергией, соответствующей давлению ее насыщенных паров .

 

(12)

 

Начальная стадия кавитации определяется по критическому кавитационному запасу . Обеспечение нормальной работы насоса (без изменения его энергетических и виброакустических параметров) определяется допустимым кавитационным запасом энергии . Он определяется по формуле

 

(13)

 

где

К — коэффициент запаса, принимаемый в пределах 1,15 - 1,30.

Величина  находится по формуле

 

(14)

 

где

 — коэффициенты, принимаемые  для условий, близких к безударному  входу потока на лопасти, согласно  работе [5]:

 и [6] в зависимости от кавитационных качеств насоса.

Геометрическая  высота всасывания h_вс используется для установления режима работы насоса. Нормальная работа насоса может быть обеспечена только при допустимом значении h_вс, которая существенно зависит от температуры перекачиваемой жидкости. Ее повышение уменьшает величину h_вс (рис. 13). Величина h_вс может быть положительной и отрицательной. Отрицательная иначе называется подпором насоса. В этом случае насос должен находиться ниже уровня жидкости в приемной емкости.

 

Рис. 13. К определению  высоты всасывания насоса	Рис. 14. К определению допустимой высоты всасывания

 

В случае, когда жидкость перекачивается из закрытой емкости, давление в которой равно  , величина становится отрицательной:

 

 

В судовой практике в таких условиях работают конденсатные, бустерные, а в некоторых случаях и питательные насосы. Кроме того, может быть отрицательной при высоких температурах перекачиваемой жидкости, что указывает на необходимость расположения уровня всасываемой жидкости выше оси насоса. Исходя из этого, возможны два различных случая установки насосов: при перекачивании жидкости с низкой температурой (рис. 14, а) и с высокой (рис. 14,6). Схема рис. 14,6 преимущественно используется в системах регенерации ПТУ  и питания парогенераторов.

Вакуумметрическая высота всасывания h_вак — это величина вакуума у входного патрубка насоса. Она связана с уравнением

 

(15)

 

При имеем срывную вакуумметрическую высоту всасывания:

 

 

при - допустимую вакуумметрическую высоту всасывания:

 

 

 

7. Характеристики ЦН

Рациональная  эксплуатация ЦН будет на расчетном  режиме. Это режим, при котором  имеет место оптимальное (наивыгоднейшее) сочетание параметров H, Q и w. При этом будут иметь место наименьшие гидравлические потери и наибольшее значение КПД.

 

Рис. 15. Напорная характеристическая поверхность ЦН

 

Взаимосвязь между H, Q, w и и потерями энергии выражается графически в виде кривых, которые называются характеристиками. Характеристика насоса — это функциональная зависимость между двумя параметрами насоса при постоянном третьем, определяющем его работу. Например: при . Характеристики насосов вообще и ЦН в частности делятся на теоретические (ТХ) и действительные (ДХ). Первые строятся на основе теоретических расчетов, в основу вторых положены опытные данные. Существуют универсальные характеристики (УХ) — это зависимости H, N, от Q при . TX и ДХ называются напорными (НХ).

 

Рис. 16. Характеристика теоретической и действительной мощности ЦН

 

Физическая  сущность НХ видна из рассмотрения режима работы ГС. Ее режим работы устанавливается  в соответствии с условиями материального  и энергетического балансов .

Зависимость при PK изображается в виде параболы, которая и называется НХ насоса. Значит, при будем иметь серию парабол (НХ), каждая из которых будет соответствовать своей, вполне определенной величине w. Совокупность НХ насоса при представляет собой напорную характеристическую поверхность (рис. 15).

Зависимость теоретической  мощности насоса от подачи показана на рис. 16, б, при — на рис. 16, а.

ДХ (реальная) отличается от ТХ. Разница состоит в учете  конечного числа лопастей для  действительных H и Q насоса, связанных с потерями энергии. В связи с этим различают 5 наименований ДХ насоса: с учетом гидравлических потерь в проточной части колеса; с учетом потерь энергии на удары; с учетом утечек жидкости. Последняя — первое приближение к реальной. Она иллюстрирует только качественную сторону отличия действительного процесса от теоретического, так как не удается точно учесть влияние относительного вихря в межлопастном канале РК при переходе от к , т. е. назначить поправочный коэффициент . Характеристика, полученная на основе стендовых испытаний насоса, более достоверна. Она включается в его технический паспорт.

 

Рис. 17. Универсальная  характеристика насоса

 

УХ представляет собой семейство характеристик  в системе координат H и Q (рис. 17). Каждая из них строится для своей w. Обычно интервал по оборотам составляет ~10-12% в сторону снижения от нормальной величины. УХ используется для определения w и насоса при различных сочетаниях H и Q. Она дает возможность полностью оценить эксплуатационные качества насоса и определить область целесообразного его применения. Заводы-изготовители прилагают к нему именно УХ. Эта характеристика является основой для построения регулировочных кривых систем насос - сеть (трубопровод). С помощью УХ можно определить режим работы, который при данном трубопроводе будет соответствовать насоса.

В судовой практике возможны случаи совместной работы двух и более ЦН с одинаковыми и  разными H, соединенных последовательно и параллельно, а также совместной работы двух различных по конструкции насосов (ЦН и ПН, например). НХ для таких случаев приведены на рис. 18, а, б, в. Общая подача жидкости в сеть (трубопровод) при работе насосов, соединенных параллельно, равна сумме подач этих насосов при равных напорах (кривая 4), т. е. . В случае n числа насосов будем иметь при . При работе двух насосов, соединенных последовательно, суммируются напоры при равных расходах (кривая 3), т. е. . Аналогично в случае n числа насосов имеем:

 

 

Рис. 18. Напорные характеристики и схемы включения  двух насосов, соединенных параллельно  и последовательно

 

При работе ЦН и  ПН на один трубопровод происходит суммирование их подач при одинаковых напорах, т. е.

 

 

8. Характеристика сети и рабочий режим системы. Устойчивость работы ЦН в системе

Согласно уравнению  Бернулли для реальной жидкости, движущейся по ГС, ее напор определяется по формуле

(16)

 

где

 — геометрическая высота  подъема жидкости в ГС;

 и — давление и скорость в приемной емкости;

 —сумма потерь энергии на всех участках ГС;

 и — давление и скорость в напорной емкости.

Первые два  слагаемых формулы (16) представляют собой статический напор ГС, два  других — динамический. Не зависящими от расхода в ГС являются и , поэтому они выражаются прямыми 1 и 2 (рис. 19, а). Общая ХС будет сумма ординат (прямая 3 на рис. 19, а). Зависящие от расхода ГС: ; . Они представляются параболами второй степени (кривые 4, 5 на рис. 19, а). Их суммирование выражается кривой 6 на рис. 19, а. Полная ХС получается путем суммирования ординат линий 3 и 6 (кривая 7). Точка пересечения ХС и НХ насоса (точка А) определяет рабочий режим ГС.

При работе одного насоса на несколько параллельных ветвей принцип нахождения рабочей точки  остается тем же, но с некоторым усложнением. Например, работа пожарного насоса (рис. 19, б).

 

Рис. 19. К построению характеристик гидравлической сети и определению рабочего режима системы

 

Физическая  сущность устойчивости работы насоса в составе ГС видна из рассмотрения их совместных характеристик 1 и 2 (рис. 20).

 

Рис. 20. К определению  устойчивости работы насоса в составе  ГС

 

Условием материального  и энергетического балансов ГС будут  точки А и q. Допустим, что вследствие кратковременного падения давления в напорной емкости расход жидкости возрос, точка А переместилась вверх по линии 2 и заняла положение точки D. Произошли приращение расхода жидкости в системе , снижение статического напора сети до величины и перемещение ХС вниз параллельно исходной. При этом рабочей точкой системы стала точка В. После устранения источника возмущения ХС переносится вверх на прежнее место, расход жидкости в сети будет , а напор — . При таком расходе насос может развить напор, только соответствующий точке В (кривая 1). Значит, появится несоответствие напоров сети и насоса, т. е. . Будет иметь место недостаток энергии в системе, который приведет к снижению скорости потока и соответственно расхода до . Таким образом, равновесие системы восстановится в исходной точке А. В случае временного повышения давления в напорной емкости будет иметь отрицательное значение, появится избыток энергии в системе , увеличатся скорость потока и расход в сети. Произойдет восстановление равновесия системы. Иная картина получается на другой ветви характеристик насоса и сети (точка q). При временном возрастании статического напора имеем: