Генеральный партнер и сервисный центр компании
white line white line

Высота всасывания насосов и явление кавитации

Центробежные и осевые насосы

Жидкость по всасывающему трубопроводу к рабочему колесу насоса подводится под действием разности давления в приемном резервуаре и абсолютного давления в потоке у входа в колесо. Последнее зависит от расположения насоса относительно уровня поверхности жидкости в резервуаре и режима работы насоса. На практике встречаются три основные схемы установки центробежных насосов:

  1. ось насоса выше уровня жидкости в приемном резервуаре (камере) - рис. 2.9, а;
  2. ось насоса ниже уровня жидкости в приемном резервуаре (см. рис. 2.9, б);
  3. жидкость в приемном резервуаре находится под избыточным давлением (см. рис. 2.9,6).

Из уравнения Бернулли для двух сечений (в нашем случае для уровня жидкости в приемном резервуаре 0 — 0 и сечения 1 — 1 на входе в насос следует

без кавитационная работа центробежного насоса, центробежные насосы и кавитация, расчет кавитационного запаса центробежных насосов, кавитация, опасности кавитации, кавитационный запас центробежных насосов, как посчитать кавитационный запас центробежных насосов.

где hп.в. — потери во всасывающем трубопроводе;
рa — атмосферное давление, Па;
рв — абсолютное давление на входе в насос, Па;
св — скорость на входе в насос, м/с.

Левая часть уравнения (2.26) представляет собой вакуумметрическую высоту всасывания насоса и измеряется в метрах столба перекачиваемой жидкости.

без кавитационная работа центробежного насоса, центробежные насосы и кавитация, расчет кавитационного запаса центробежных насосов, кавитация, опасности кавитации, кавитационный запас центробежных насосов, как посчитать кавитационный запас центробежных насосов.
Рис. 2.9. Схемы установки центробежных насосов
без кавитационная работа центробежного насоса, центробежные насосы и кавитация, расчет кавитационного запаса центробежных насосов, кавитация, опасности кавитации, кавитационный запас центробежных насосов, как посчитать кавитационный запас центробежных насосов.

Из выражений (2.26) и (2.27) следует:

без кавитационная работа центробежного насоса, центробежные насосы и кавитация, расчет кавитационного запаса центробежных насосов, кавитация, опасности кавитации, кавитационный запас центробежных насосов, как посчитать кавитационный запас центробежных насосов.

Если вода в насос поступает с подпором (см. рис. 2.9,б), то

без кавитационная работа центробежного насоса, центробежные насосы и кавитация, расчет кавитационного запаса центробежных насосов, кавитация, опасности кавитации, кавитационный запас центробежных насосов, как посчитать кавитационный запас центробежных насосов.

Отрицательное значение Hв указывает на работу насоса с подпором. При работе насоса по схеме, показанной на рис. 2.9, в, выражение вакуумметрической высоты всасывания приобретает вид:

без кавитационная работа центробежного насоса, центробежные насосы и кавитация, расчет кавитационного запаса центробежных насосов, кавитация, опасности кавитации, кавитационный запас центробежных насосов, как посчитать кавитационный запас центробежных насосов.

где P0 — абсолютное давление среды над свободной поверхностью жидкости, Па.

В зависимости от конструкции лопастного насоса геометрическую высоту всасывания отсчитывают по-разному. Для горизонтальных насосов Hг.в — это разность отметок оси насоса и уровня жидкости в приемном резервуаре. Для насосов с вертикальным валом Нг.в отсчитывается от середины входных кромок лопастей рабочего колеса (в многоступенчатых насосах колеса первой ступени) до свободной поверхности жидкости в приемном резервуаре (камере, скважине).

Нормальная работа центробежного насоса обеспечивается в таком режиме, когда абсолютное давление во всех точках его внутренней полости больше давления насыщенных паров перекачиваемой жидкости при данной температуре. Если такое условие не соблюдается, то начинаются явления парообразования и кавитации, которые приводят к уменьшению или даже прекращению подачи насоса (насос «срывает»). Кавитацией называют процессы нарушения сплошности потока жидкости, происходящие там, где местное давление понижается и достигает определенного критического значения. При этом наблюдается образование большого количества мельчайших пузырьков, наполненных парами жидкости и газами, выделившимися из нее. Образование пузырьков внешне похоже на кипение жидкости. Возникшие в результате понижения давления пузырьки увеличиваются в размере и уносятся потоком. При этом наблюдается местное повышение скорости движения жидкости вследствие стеснения поперечного сечения потока выделившимися пузырьками пара или газа.

Попадая в область с давлением выше критического, пузырьки разрушаются, при этом их разрушение происходит с большой скоростью и поэтому сопровождается местным гидравлическим ударом в данной микроскопической зоне. Так как конденсация занимает некоторую область и протекает непрерывно в течение длительного времени, это явление приводит к разрушениям значительных площадей поверхности рабочих колес или направляющих аппаратов. Практически появление кавитации при работе насоса можно обнаружить по характерному потрескиванию в области всасывания, шуму и вибрации насоса. Кавитация сопровождается также химическим разрушением (коррозией) материала насоса под действием кислорода и других газов, выделившихся из жидкости в области пониженного давления.

При одновременном действии коррозии и циклических механических воздействий прочность металлических деталей насоса быстро снижается. При этом воздействие кавитации на металлические детали насоса усиливается, если перекачиваемая жидкость содержит взвешенные абразивные вещества: песок, мелкие частицы шлака и т. п. Под действием кавитации поверхности деталей становятся шероховатыми, губчатыми, что способствует быстрому их истиранию взвешенными веществами. В свою очередь эти вещества, истирая поверхности деталей насоса, способствуют усилению кавитации.

Кавитационному разрушению наиболее подвержены чугун и углеродистая сталь. Более устойчивы в этом отношении бронза и нержавеющие стали. В целях повышениях устойчивости деталей центробежных насосов применяют защитные покрытия. Для этого поверхности деталей наплавляют твердыми сплавами, используют местную поверхностную закалку и другие способы защиты. Однако основной фундаментальной действенной мерой борьбы с преждевременным износом проточной части насосов является предупреждение возможности кавитационных режимов их работы.

Для бескавитационной работы насоса необходимо обеспечить условия, при которых давление на входе в насос «Рв» было бы больше критического, т. е. больше давления насыщенных паров перекачиваемой жидкости «Рп». Для предотвращения явления кавитации необходимо, чтобы удельная энергия потока (отнесенная к оси рабочего колеса насоса) была достаточной для обеспечения скоростей и ускорений в потоке при входе в насос и преодоления гидравлических сопротивлений без падения местного давления до значений, ведущих к образованию кавитации.

Кавитационный запас, т. е. превышение удельной энергии потока энергии, соответствующей давлению насыщенных паров перекачиваемой жидкости, равен:

без кавитационная работа центробежного насоса, центробежные насосы и кавитация, расчет кавитационного запаса центробежных насосов, кавитация, опасности кавитации, кавитационный запас центробежных насосов, как посчитать кавитационный запас центробежных насосов.

где h — абсолютное давление на входе в насос.

Величина h зависит от типа и конструкции насоса. Для каждого насоса экспериментально устанавливается минимальное значение кавитационного запаса «h мин». Но в технической характеристике насоса указывается значение допустимого кавитационного запаса, т. е. такого кавитационного запаса, который надежно обеспечивает работу насоса без изменений его основных технических показателей. Допустимый кавитационный запас «hдоп=Kдh». Коэффициент запаса Кд в зависимости от конструкции, типа и назначения насоса принимают в пределах 1,1 — 1,5.
Стандартом ISO 2548 введено иное понятие кавитационного запаса. В документе применяется термин «суммарный напор всасывания при нагнетании» (т.е. при работе насоса). Этот термин обозначается (NPSH). Математически (NPSH) выражается так:

без кавитационная работа центробежного насоса, центробежные насосы и кавитация, расчет кавитационного запаса центробежных насосов, кавитация, опасности кавитации, кавитационный запас центробежных насосов, как посчитать кавитационный запас центробежных насосов.

где Z1 — расстояние от плоскости входа до оси рабочего колеса; рв-—избыточное давление на входе в насос.

На входе в насос давление «рв», как правило, является отрицательной величиной. Сравнивая выражение (NPSH) с формулой, описывающей кавитационный запас, очевидно, что оно отличается только наличием члена Z1, который учитывает разность геометрических высот центра тяжести входного патрубка насоса и рабочего колеса. Для больших насосов эта величина может быть существенной.
Из соотношений (2.27) и (2.31) следует, что допустимая вакуумметрическая высота всасывания

без кавитационная работа центробежного насоса, центробежные насосы и кавитация, расчет кавитационного запаса центробежных насосов, кавитация, опасности кавитации, кавитационный запас центробежных насосов, как посчитать кавитационный запас центробежных насосов.

или

без кавитационная работа центробежного насоса, центробежные насосы и кавитация, расчет кавитационного запаса центробежных насосов, кавитация, опасности кавитации, кавитационный запас центробежных насосов, как посчитать кавитационный запас центробежных насосов.

где ра — напор, соответствующий атмосферному давлению (приведенная высота атмосферного давления), метры столба перекачиваемой жидкости; hн.п — напор, соответствующий давлению насыщенных паров перекачиваемой жидкости (приведенная высота давления насыщенных паров жидкости), метры столба жидкости.

Допустимая геометрическая высота всасывания вычисляется из соотношений (2.26) и (2.32)

без кавитационная работа центробежного насоса, центробежные насосы и кавитация, расчет кавитационного запаса центробежных насосов, кавитация, опасности кавитации, кавитационный запас центробежных насосов, как посчитать кавитационный запас центробежных насосов.

или

без кавитационная работа центробежного насоса, центробежные насосы и кавитация, расчет кавитационного запаса центробежных насосов, кавитация, опасности кавитации, кавитационный запас центробежных насосов, как посчитать кавитационный запас центробежных насосов.

Таким образом, допустимая геометрическая высота всасывания насосной установки равна допустимой вакуумной высоте всасывания насоса минус потери напора во всасывающем трубопроводе. В технической документации на насосы (каталогах, паспортах и пр.) указывается допустимая высота всасывания (или допустимый кавитационный запас) для нормальных условий, т. е. для атмосферного давления 0,1 МПа (что приблизительно соответствует 760 мм рт. ст.) и температуры перекачиваемой жидкости 20°C.

Для воды и сточной жидкости допустимая высота всасывания применительно к реальным условиям эксплуатации насоса вычисляется по соотношению

без кавитационная работа центробежного насоса, центробежные насосы и кавитация, расчет кавитационного запаса центробежных насосов, кавитация, опасности кавитации, кавитационный запас центробежных насосов, как посчитать кавитационный запас центробежных насосов.

а допустимая геометрическая высота всасывания — по формуле

без кавитационная работа центробежного насоса, центробежные насосы и кавитация, расчет кавитационного запаса центробежных насосов, кавитация, опасности кавитации, кавитационный запас центробежных насосов, как посчитать кавитационный запас центробежных насосов.

или

без кавитационная работа центробежного насоса, центробежные насосы и кавитация, расчет кавитационного запаса центробежных насосов, кавитация, опасности кавитации, кавитационный запас центробежных насосов, как посчитать кавитационный запас центробежных насосов.

где Нв.доп. —номинальная допустимая высота всасывания (по каталогу);
pа/pg — приведенная высота атмосферного давления, м вод. ст.;
0,24 — значение hп.п для воды при t=20С.

Значения приведенной высоты атмосферного давления pа/pg в зависимости от расположения местности над уровнем моря указаны ниже:

Высота над уровнем моря, м -600 0 100 200 300 400 500 600 700 800 100 1500 2000
pа/pg, м вод.ст. 11.3 10.3 10.2 10.1 10 9.8 9.7 9.6 9.5 9.4 9.2 8.6 8.4

Значения высоты давления насыщенных водяных паров hн.п в зависимости от температуры воды приведены ниже:

Температура, °C 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
hн.п м водного ст. 0.09 0.12 0.24 0.43 0.75 1.25 2.02 3.17 4.82 7.14 10.33

Потери напора во всасывающем трубопроводе складываются из потерь на трение при движении жидкости по трубе и потерь на местные сопротивления

без кавитационная работа центробежного насоса, центробежные насосы и кавитация, расчет кавитационного запаса центробежных насосов, кавитация, опасности кавитации, кавитационный запас центробежных насосов, как посчитать кавитационный запас центробежных насосов.

Наши специалисты всегда рады ответить на любые Ваши вопросы.


Сообщить об ошибке на сайте ENCE GmbH, Switzerland / ENCE gmbH, Schweiz / ЭНЦЕ ГмбХ, Швейцария © ENCE GmbH