- •Гидравлика и гидравлические машины
- •Глава 1. Введение. Свойства жидкости
- •1.3.2. Температурное расширение жидкости
- •1.3.3. Вязкость
- •1.4. Понятие о кавитации
- •Глава 2. Гидростатика
- •Глава 3. Гидродинамика
- •1.1. Предмет гидравлики
- •1.2. Основные свойства жидкости
- •1.3. Физические свойства жидкости
- •1.3.1. Сжимаемость жидкости
- •1.3.2. Температурное расширение жидкости
- •1.3.3. Вязкость
- •1.4. Понятие о кавитации
- •Глава 2. Гидростатика
- •2.1. Гидростатическое давление
- •2.2. Основное уравнение гидростатики
- •2.3. Закон Паскаля и его применение в технике
- •Глава 3. Гидродинамика
- •3.1. Задачи и методы гидродинамики
- •3.2. Виды движения жидкости
- •3.3 Понятие о струйчатом движении жидкости
- •3.4. Гидравлические элементы потока
- •3.5. Уравнение постоянства расхода (уравнение неразрывности)
- •3.6. Уравнение Бернулли
- •3.7. Потери напора
- •3.8. Применение уравнения Бернулли в технике
- •3.8.1. Расходомер Вентури
- •3.8.2. Измерительная шайба
- •3.8.3. Струйный насос (эжектор)
- •3.8.4. Трубка Пито
- •3.9. Потери напора при равномерном движении
- •3.10. Режимы движения вязкой жидкости
- •3.11. Местные сопротивления и потери энергии в них
- •3.11.1. Внезапное расширение трубы
- •3.11.2. Постепенное расширение. Диффузоры
- •3.11.3. Внезапное сужение трубы
- •3.11.4. Постепенное сужение трубы
- •3.11.5. Поворот трубы
- •3.11.6. Другие местные сопротивления
- •3.12. Потери напора в гидравлических системах
- •Глава 4. Гидравлический расчет трубопроводов
- •4.1. Основные формулы и методы,
- •4.2. Расчет простого трубопровода
- •Глава 5. Гидравлические машины
- •5.1. Классификация насосов
- •5.2. Основные рабочие параметры насосов
- •5.3. Центробежные насосы
- •5.4. Схема и принцип действия центробежного насоса
- •5.5. Допустимая высота всасывания. Явление кавитации
- •5.6. Шестеренчатые насосы
- •Глава 6. Гидроприводы и гидропередачи
- •6.1. Устройство и принцип действия гидропривода
- •6.2. Принцип расчета объемного гидропривода
- •6.3. Жидкости, применяемые в гидросистемах
- •394026 Воронеж, Московский просп., 14
- •Гидравлика и гидравлические машины
5.5. Допустимая высота всасывания. Явление кавитации
Обычно, прежде чем установить насос, определяют его высоту всасывания. Необходимо различать при этом вакуумметрическую высоту всасывания hвак., характеризующую степень разряжения, возникающее у входа в насос и геометрическую высоту всасывания hвс, определяющую высоту установки оси насоса над уровнем жидкости.
В акуумметрическая высота всасывания hвак 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 hвс, используя уравнение Бернулли.
На рис. 25 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:
, (5.22)
где V0 – скорость жидкости в резервуаре; величина очень малая (практически V0=0);
Pвс и Vвс – давление и скорость во всасывающей трубе.
Учитывая, что и, решая уравнение (5.22) относительно hвс, получим:
. (5.23)
Так как Pа - Pвс = Pвак и , то формула (5.23) видоизменится:
. (5.24)
Отсюда видно, что вакуумметрическая высота всасывания hвак расходуется на подъем жидкости на высоту hвс, на создание скорости и на преодоление сопротивлений во всасывающей линии.
Далее определим допустимую высоту hвс (доп.)
Из формулы (5.23) видно, что максимальная теоретически допустимая высота всасывания будет наблюдаться в том случае, когда выражение в скобках равно нулю. Тогда:
. (5.25)
Однако в действительности выражение в скобках не равно нулю, но чем оно меньше, тем hвс будет больше. Наиболее существенное увеличение hвс при данной подаче дает уменьшение потерь напора hrl(вс) и уменьшение давления на входе в насос Pвс . Уменьшение давления Pвс ограничено.
Для обеспечения нормальной работы насоса необходимо, чтобы давление на входе в насос Pвс было всегда больше давления насыщенных паров Pп перекачиваемой жидкости при данной температуре. Если давление Pвс станет равным или меньше Pп, 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 Pвс равна Pп, а величина максимально допустимой высоты всасывания определится из формулы (5.23), если в нее вместо Pвс подставить Pп , тогда:
. (5.26)
Однако на практике на входе в насос необходимо иметь более высокое давление:
Pвс = Pп + ∆P , (5.27)
где ∆P – гарантирующий от наступления кавитации запас давления, определяемый по формуле Руднева/6/:
, (5.28)
где Сk = 800...1000 в зависимости от конструкций насоса (кавитационный коэффициент быстроходности).
Учитывая изложенное выше, можно получить формулу для определения допустимой высоты всасывания:
. (5.29)
Таким образом, допустимая высота всасывания hвс(доп) зависит от давления насыщенных паров Pп перекачиваемой жидкости, а следовательно и от температуры жидкости, поскольку давление Pп увеличивается с повышением температуры жидкости, зависит от запаса давления ∆P, от потерь напора при всасывании hrl(вс) и от рода перекачиваемой жидкости.
Чтобы увеличить геометрическую высоту всасывания hвс, необходимо уменьшить величины, влияющие на нее. Прежде всего нужно уменьшить потери напора hrl(вс), что достигается установкой возможно более короткого всасывающего трубопровода с большим диаметром, имеющим минимум перегибов и местных сопротивлений. Снизить Pп в большинстве случаев невозможно, постольку Pп зависит от температуры перекачиваемой жидкости.
Величина скоростного напора практически мало оказывает влияния на hвс , так как она невелика по сравнению с остальными слагаемыми и с увеличением диаметра всасывающего трубопровода еще больше уменьшается.
Если по расчету получается hвс < 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 Pвс станет меньше давления насыщенных паров Pп. 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 Pп, а допустимая высота всасывания определялась по формуле (5.29).