Материал: Гидравлика. учебное пособие. Кирпичев И.Ю

12.5. Допустимая высота всасывания. Явление кавитации

Обычно, прежде чем установить насос, определяют его высоту всасывания. Необходимо различать при этом вакуумметрическую высоту всасывания h_вак., характеризующую степень разряжения, возникающее у входа в насос и геометрическую высоту всасывания h_вс, определяющую высоту установки оси насоса над уровнем жидкости.

Рис. 12.3. Иллюстрация явления кавитации

Вакуумметрическая высота всасывания h_вак зависит в основном от атмосферного давления, температуры, удельного веса перекачиваемой жидкости, от конструктивных особенностей насоса и т.д. Эта высота обычно указывается в каталогах насосов при давлении, равном одной атмосфере и температуре воды до 20˚. Если атмосферное давление отличается от нормального, то вводится поправка.

Можно установить связь между вакуумметрической и геометрической высотами всасывания, а затем определить величину h_вс, используя уравнение Бернулли.

На рис. 12.3 выберем плоскость сравнения 0-0, которая совпадает с поверхностью жидкости в резервуаре, и эту же поверхность примем за первое сечение; второе сечение возьмем у входа в насос (1-1).

Запишем уравнение Бернулли для выбранных сечений:

, (*)

где V₀ – скорость жидкости в резервуаре; величина очень малая (практически V₀=0);

P_вс и V_вс – давление и скорость во всасывающей трубе.

Учитывая, что и, решая уравнение (*) относительно h_вс, получим:

. (**)

Так как P_а - P_вс = P_вак и , то формула (5.23) видоизменится:

.

Отсюда видно, что вакуумметрическая высота всасывания h_вак расходуется на подъем жидкости на высоту h_вс, на создание скорости и на преодоление сопротивлений во всасывающей линии.

Далее определим допустимую высоту h_{вс (доп.)}

Из формулы (**) видно, что максимальная теоретически допустимая высота всасывания будет наблюдаться в том случае, когда выражение в скобках равно нулю. Тогда:

.

Однако в действительности выражение в скобках не равно нулю, но чем оно меньше, тем h_вс будет больше. Наиболее существенное увеличение h_вс при данной подаче дает уменьшение потерь напора h_rl(вс) и уменьшение давления на входе в насос P_вс . Уменьшение давления P_вс ограничено.

Для обеспечения нормальной работы насоса необходимо, чтобы давление на входе в насос P_вс было всегда больше давления насыщенных паров P_п перекачиваемой жидкости при данной температуре. Если давление P_вс станет равным или меньше P_п, то образующиеся на входе в насос и в корпусе пары жидкости нарушат нормальную работу насоса, т.е. наступит кавитация, что при работе насоса недопустимо. Поэтому теоретически минимальная величина P_вс равна P_п, а величина максимально допустимой высоты всасывания определится из формулы (**), если в нее вместо P_вс подставить P_п , тогда:

.

Однако на практике на входе в насос необходимо иметь более высокое давление:

P_вс = P_п + ∆P ,

где ∆P – гарантирующий от наступления кавитации запас давления, определяемый по формуле Руднева:

,

где С_k = 800...1000 в зависимости от конструкций насоса (кавитационный коэффициент быстроходности).

Учитывая изложенное выше, можно получить формулу для определения допустимой высоты всасывания:

. (***)

Таким образом, допустимая высота всасывания h_вс(доп) зависит от давления насыщенных паров P_п перекачиваемой жидкости, а следовательно и от температуры жидкости, поскольку давление P_п увеличивается с повышением температуры жидкости, зависит от запаса давления ∆P, от потерь напора при всасывании h_rl(вс) и от рода перекачиваемой жидкости.

Чтобы увеличить геометрическую высоту всасывания h_вс, необходимо уменьшить величины, влияющие на нее. Прежде всего нужно уменьшить потери напора h_rl(вс), что достигается установкой возможно более короткого всасывающего трубопровода с большим диаметром, имеющим минимум перегибов и местных сопротивлений. Снизить P_п в большинстве случаев невозможно, постольку P_п зависит от температуры перекачиваемой жидкости.

Величина скоростного напора практически мало оказывает влияния на h_вс , так как она невелика по сравнению с остальными слагаемыми и с увеличением диаметра всасывающего трубопровода еще больше уменьшается.

Если по расчету получается h_вс < 0, то насос необходимо устанавливать ниже уровня жидкости в питающем резервуаре (затопленный насос). Практически высота всасывания центробежного насоса колеблется в пределах от 4,5 до 6,5 м при t = 10-30˚С.

Рассмотрим несколько подробнее явлении кавитации, которое может возникнуть при работе насоса, если давление на входе лопасти рабочего колеса P_вс станет меньше давления насыщенных паров P_п. В этом случае происходит интенсивное выделение паров в виде массы пузырьков, движущихся вместе с жидкостью, жидкость «закипает» при данной температуре. Паровые пузырьки, попадая в каналы между лопастями (область повышенного давления), быстро конденсируется. В образовавшиеся пустоты с большой скоростью устремляются со всех сторон окружающие частицы жидкости, и, заполняя их, жидкость мгновенно останавливается, вызывая гидравлические удары. Давление при этих ударах достигает 1000 и более атмосфер. Если пузырьки находились на стенках колеса или корпуса, то ударные явления приводят к выкрашиванию отдельных частей металла и насос выходит из строя.

Кавитация обнаруживается по шуму, треску и вибрации при работе насосов. При кавитации нарушается нормальное движение жидкости в рабочем колесе и неразрывность потока жидкости, что приводит к снижению напора, подачи и КПД насоса. Для избежания кавитации насос нужно установить таким образом, чтобы давление на входе в рабочее колесо было больше давления насыщенных паров перекачиваемой жидкости, т.е. чтобы был создан запас давления ∆P над давлением насыщенных паров P_п, а допустимая высота всасывания определялась по формуле (***).

12.6. Шестеренчатые насосы

Это наиболее простой, малогабаритный и легкий насос. Он состоит (рис. 12.4) из двух зубчатых колес 1 (шестерен) одинакового размера, помещенных в корпусе 2, имеющем всасывающую 3 и нагнетательную 4 полости. Одна из шестерен ведущая, другая – ведомая.

Рис. 12.4. Простейший шестеренчатый насос

Жидкость, поступающая из всасывающего трубопровода, захватывается зубьями шестерен и прогоняется между зубьями и корпусом во впадинах к нагнетательному трубопроводу. Выдавливание жидкости происходит при условии, когда зубья одной шестерни входят при зацеплении во впадины второй. Создаваемое при этом давление выталкивает жидкость в нагнетательный трубопровод.

Теоретическая подача насоса может быть определена следующим образом: при зацеплении зубьев они вытесняют из впадины лишь объем жидкости, равный объему зуба, который меньше объема впадины, т.е. полезный объем одной рабочей камеры V можно считать равным объему зуба:

V = V_зуб .

Если обозначить площадь рабочей части зуба f, а длину зуба b, то:

V = V_зуб = fb .

За один оборот обе шестерни подадут в область нагнетания объем fb2z, где z – число зубьев одной шестерни. При числе оборотов n в минуту теоретическая секундная подача будет:

.

Оставшаяся при зацеплении жидкость во впадинах оказывается запетой между зубьями шестерен, находящимися в зацеплении. Объем замкнутой камеры непостоянен: при вращении шестерен он сначала уменьшается, а потом увеличивается. При уменьшении объема происходит сжатие жидкости и давление в камере повышается, что создает дополнительную нагрузку на шестерни. При увеличении объема возникает вакуум, который вызывает кавитацию. Переменное давление в камере приводит к быстрому износу шестрен.

Для предотвращения запирания жидкости в крышках насосов выфрезеровывают канавки по которым жидкость свободно вытекает в полость всасывания или нагнетания.

Шестеренчатые насосы могут создавать давление до 10...15 МПа. Его подача составляет от 0,1 до 10 л/с и более. Число оборотов вала – до 3000 об/мин. Число зубьев ведущей и ведомой шестерен одинаково и чаще равно 6-12. Величина КПД насоса η = 0,7...0,9.

Шестеренчатые насосы могут быть как с внешним зацеплением, так и с внутренним. Насосы с внутренним зацеплением встречаются реже, т.к. их изготовление более сложно. Но они при одинаковых габаритах обладают большей подачей. Регулировка подачи шестеренчатого насоса осуществляется изменением числа оборотов, что невозможно выполнить во время работы. Шестеренчатые насосы могут быть использованы и как гидродвигатели.

Резюме: В изложенной теме рассмотрены некоторые типы насосов (шестеренчатые и центробежные), их классификация и основные характеристики. Особое внимание уделено центробежным насосам, как наиболее перспективным.

Вопросы для самоконтроля:

1. Какие типы насосов вы знаете?

2. На каком принципе основана работа центробежных и осевых насосов?

3. На каком принципе основана работа поршневых и роторных насосов?

4. Перечислите основные рабочие характеристики насосов.

5. Что такое производительность насоса?

6. Что такое мощность и КПД насоса?

7. Какие виды потерь учитываются в полном КПД насоса?

8. Какими конструктивными и эксплуатационными особенностями обладают центробежные насосы?

9. Конструкция, принцип действия, достоинства и недостатки центробежных насосов.

10. Какие способы уменьшения кавитации при работе центробежных насосов вы знаете?

11. Конструкция, область применения, особенности работы, преимущества и недостатки шестеренчатых насосов.