Методическое пособие 420

Лабораторная работа № 2 Кавитационные испытания центробежного насоса

Цель работы:

1)Убедится 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.

Краткие теоретические сведения. Кавитацией называется образование и после-

дующее захлопывание в потоке жидкости парогазовых пузырьков, сопровождающееся непрерывными гидравлическими микроударами высокой частоты, большими давлениями и температурами в центрах захлопывания. При кавитации изменяется характеристика насоса, снижаются его технические показатели, возникают шум (треск, удары) и вибрация, происходит интенсивная эрозия поверхностей рабочих органов (лопастей, подвода). Кавитация ограничивает высоту всасывания насоса.

Кавитация возникает, когда абсолютное давление в потоке падает до давления насыщенных паров жидкости при данной температуре. При этом из жидкости интенсив-

но выделяются пузырьки, заполненные парами жидкости и растворенными в ней газами (жидкость закипает).

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 с повышенным давлением. Происходит схлопывание пузырьков, т.е. столкновение частиц жидкости, сопровождающееся мгновенным местным повышением давления, достигающим сотен и даже тысяч атмосфер. 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 очень опасным следствием кавитации. Разрушения рабочих колес вследствие кавитации приведены на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 - Разрушение рабочих колес вследствие кавитации

11

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 за-

пасом h - превышением удельной энергии жидкости при входе в насос над удельной энергией её насыщенных паров

где рвхн, вхн - абсолютное давление и скорость на входе в насос;

рнп - давление насыщенных паров жидкости на входе в насос, зависящее от рода жид-

кости и её температуры. Для воды и бензина давление насыщенных паров – рнп в кПа приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1

Начальная стадия кавитации определяется критическим кавитационным запасом

hкр - кавитационным запасом, при котором в насосе наблюдается падение напора на 2% на частной кавитационной характеристике (Н= f( Н)) или на 1 м при напоре насоса более 50 м.

Величину критического кавитационного запаса hкр можно определить при кави-

тационных испытаниях насоса по частной кавитационной характеристике или по формуле С. С. Руднева:

где n- частота вращения, об/мин; Q - подача насоса, м3 /с;

С - 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.

- есть минимально допустимый избыток удельной энергии перекачиваемой жидкости на входе в насос над удельной энергии насыщенных паров жидкости, при котором не происходит холодного кипения жидкости в насосе или кавитации. Работа насоса без кавитации, определяется допускаемым кавитационным за-

пасом hдоп, вычисляемым по формуле:

где А- коэффициент кавитационного запаса A=f( hкр) (А=1,05-1,3).

12

Кавитационная характеристика насоса hдоп= f(Q) – это графическая зависи-

мость допустимого кавитационного запаса от подачи в рабочем интервале подач (рисунок 2.2). Её получают при кавитационных испытаниях насоса по частным кавитационным характеристикам.

hдоп - характеристика допустимого кавитационного запаса Рисунок 2.2 – Кавитационная характеристика насоса К 8/18

Частная кавитационная характеристика H= f( h) - это зависимость напора насоса от кавитационного запаса при постоянной частоте вращения, подаче и температуре жидкости (рисунок 2.3). Согласно стандарту на испытания насосов частные кавитационные характеристики должны быть сняты на минимальной, номинальной и максимальной подачах рабочего интервала насоса.

Рисунок 2.3 – Частная характеристика насоса

При испытаниях насоса кавитационный запас ∆ оп определяется по формуле опытным путем

нп - давление насыщенных паров жидкости на входе в насос;

вхн - скорость жидкости на входе в насос.

13

Полученные опытным путем значения hon приводятся к номинальной частоте вра-

щения nн по формуле (2.5) и строится частная кавитационная характеристика насоса (рису-

нок 2.3)

где н , оп - номинальная (паспортная) и опытная (экспериментальная) частота вращения насоса.

По каждой частной кавитационной характеристике находим hкр и Q, а затем hдоп (по формуле 2.3). По значениям hдоп и Q, определяемым по каждой частной характеристике, строим кавитационную доп = ( ) (рисунок 2.3).

Контроль работы насоса при его эксплуатации производится по показаниям вакуумметра, установленного на входе в насос.

Кавитационный запас ∆ оп определяется следующим образом. Примем за уровень отсчета (z=0) отметку на уровне оси входа жидкости в насос в области кавитационных явлений (рисунок 2.4).

телем, всасывающий 2 и напорный 3 трубопроводы, задвижку 4, бак 5, вакуумный насос 6, контрольно-измерительную аппаратуру: манометр 7 и вакуумметр 8, диафрагму с подключенным к ней дифференциальным манометром 9, ваттметр и тахометр 10.

Рисунок 2.4 - Схема установки для кавитационных испытаний насоса

14

Порядок выполнения работы и обработка опытных данных для получения частных кавитационных характеристик:

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

С этой целью необходимо:

1.Включить насос 1 и обеспечить заданную подачу задвижкой 4 (от 100 до 40).

2.Уменьшать ступенчато давление на входе в насос, включением вакуумного насоса 6, начиная с давления, заведомо исключающего кавитацию, и заканчивая при резком падении напора, обеспечивая при этом Qi = const и снимая на каждой ступени показания мано-

- кавитационный запас hоп - по формуле (2.4)

∆ оп = б вхн нп + вхн .

Если в опытах частота вращения nоп отличается от номинальной nн более чем на 0,5%,

кавитационный запас hоп необходимо привести к nн по формуле (2.5).

∆ = ∆ оп н .

оп

Если же nоп отличается от nн менее чем на 0,5%, принять h = hоп.

4. Результаты вычислений записать в таблицу 2.2 и построить по ним частные кавитационные характеристики (рисунок 2.3).

15

Таблица 2.5

Основные контрольные вопросы

1)Что такое кавитация, каковы её внешние признаки?

2)Что называется кавитационным запасом h и как его определить при испытаниях?

3)Что называется критическим кавитационным запасом hкр?

4)Что называется допускаемым кавитационным запасом hдоп?

5)Формула 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)Как получают кавитационную характеристику центробежного насоса?

17

Лабораторная работа № 3 Параметрические испытания шестерённого насоса

Цель работы:

1)Усвоить принцип действия шестеренного насоса и изучить работу насосной установки с объемным нерегулируемым насосом.

2)Освоить методику испытаний нерегулируемого объемного насоса.

3)Получить характеристику нерегулируемого объемного насоса.

Теоретические сведения. Гидравлическими машинами называют машины, которые сообщают протекающей через них жидкости механическую энергию (насос) либо получают от жидкости часть энергии и передают ее рабочему органу для полезного использования (гидравлический двигатель).

Всовременной технике применяется много разновидностей гидромашин. Наибольшее распространение получили объемные и лопастные насосы и гидродвигатели.

Рабочим органом лопастной машины является вращающееся рабочее колесо, снабженное лопастями. Передача энергии от рабочего колеса жидкости (лопастной насос) происходит путем динамического взаимодействия лопастей колеса с обтекающей их жидкостью. К лопастным насосам относятся центробежные и осевые.

Объемным насосом называется насос, в котором жидкость перемещается путем периодического изменения объема занимаемой ею камеры, попеременно сообщающейся со входом и выходом насоса. К объемным насосам относятся: шестерёнчатые, пластинчатые, возвратно-поступательные и роторные насосы.

По принципу действия (точнее, по характеру процесса вытеснения жидкости) объемные насосы подразделяют на поршневые (плунжерные) и роторные.

Впоршневом (плунжерном) насосе жидкость вытесняется из неподвижных камер в результате возвратно-поступательного движения вытеснителей (поршней, плунжеров, диафрагм). В роторном насосе жидкость вытесняется из перемещаемых рабочих камер в результате вращательного или вращательно-поступательного движения вытеснителей (шестерен, винтов, пластин, поршней).

Шестеренные насосы. Основная группа шестеренных насосов состоит из двух прямозубых шестерен внешнего зацепления (рисунок 3.1, а). Применяются также и другие конструктивные схемы, например, насосы с внутренним зацеплением (рисунок 3.1, б).

а) насос с внешним зацеплением; б) насос с внутренним зацеплением; 1 - ведущая шестерня; 2 – ведомая шестерня; 3 - корпус

Рисунок 3.1 – Шестерёнчатые насосы

18

Шестеренный насос с внешним зацеплением (рисунок 3.1, а) состоит из ведущей 1 и ведомой 2 шестерен, размещенных с небольшим зазором в корпусе 3. При вращении шестерен жидкость, заполнившая рабочие камеры (межзубовые пространства), переносится из полости всасывания 4 в полость нагнетания 5. Из полости нагнетания жидкость вытесняется из межзубового пространства зубом второй шестерни в напорный трубопровод.

В общем случае подача шестерного насоса определяется по формуле

для корригированных (улучшенных) зубьев k = 9,4; D - диаметр начальной окружности шестерни;

z - число зубьев;

b - ширина шестерен;

n - частота оборотов ведущего вала насоса; ηоб - объемный КПД.

Шестерённые насосы малого давления (0,4...0,6 МПа) применяются в системах смазки различных машин, а с давлением 7 ... 16 МПа - в гидроприводах. Широкое распространение получили насосы типа НШ. Они развивают номинальное давление 10...16 МПа и максимальное - до 25 МПа, объемный КПД их - 0,92, а КПД насоса - до 0,85.

Шестеренные машины в современной технике нашли широкое применение. Их основным преимуществом является конструкционная простота, компактность, надежность в работе и сравнительно высокий КПД. В этих машинах отсутствуют рабочие органы, подвержен-

ные действию центробежной силы, что позволяет эксплуатировать их при частоте вращения до 20 с-1.

Работа насоса характеризуется его подачей, напором, потребляемой мощностью, КПД и частотой вращения. Подачей Qн насоса называют расход жидкости через напорный (выходной) патрубок. Напор Hн представляет собой разность механических энергий единицы веса жидкости в сечении потока после насоса и перед ним.

Рабочий объем насоса qн - разность наибольшего и наименьшего значений замкнутого объема за оборот или двойной ход рабочего органа насоса. Он связан с идеальной пода-

сосы различных типов имеют аналогичные характеристики. На рисунке 3.2 представлена характеристика шестерённого насоса типа НШ 10-М.

Напорная характеристика нерегулируемого насоса есть Qн = f(p). Идеальная подача

Qт не зависит от давления, поскольку Qт= qнnн. Очевидно, Qт= f(р) при nн = const изобразится прямой, параллельной оси р.

19

Рисунок 3.2 - Характеристики нерегулируемого шестерённого насоса типа НШ-10

Напорная характеристика для реальной подачи Qн = f(р) при nн= const несколько отклонятся вниз от горизонтальной прямой. Такое отклонение связано с наличием утечек жид-

кости Q в насосе через зазоры из области нагнетания в область всасывания. Утечки жидкости прямо пропорциональны давлению и обратно пропорциональны вязкости жидкости. Ес-

ли вязкость жидкости 2< 1, то утечки будут больше и график Qн = f(р) будет проходить ниже, если 2> 1- выше.

Для того, чтобы обезопасить насос 1 и гидросеть 5 от чрезмерного повышения давления, параллельно насосу 1 ставят переливной (предохранительный) клапан 7, который открывается под действием повышенного давления и пропускает часть подачи насоса Qкл через клапан в бак (рисунок 3.4). Наличие клапана изменяет (ломает) характеристику насоса в точке срабатывания предохранительного клапана 2 (рисунок 3.3). Прямая 1-2 отклоняется от горизонтальной прямой из-за увеличения утечек. Участок 2-3 характеризует работу предохранительного клапана. Величина участка 2-3 составляет 10...15% от давления настройки кла-

пана рнк и зависит от характеристики клапана.

На участке 2-3 подача жидкости в гидросеть равна:

Рисунок 3.3 – Реальная характеристика объемного насоса с предохранительным клапаном

20