Диссертация (1151723), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Бернулли [32] определится по зависимости: V22 − V12 P2 = P1 − 2g(1.1)15Рисунок 1.2 – Схема движения жидкости в сужающемся участке трубопроводаДавление P2 уменьшается и при некоторых значениях скорости может статьотрицательным. Предел уменьшения давления зависит от рода потока (газ илижидкость).
При понижении давления жидкость может закипать. Кипениежидкости наблюдается при определённой температуре. Давление, при которомжидкость закипает, называется давлением парообразования Рк. Давлениепарообразования для различных жидкостей приводится в литературе [34, 36, 43,48].Известно, что при 20 °С вода закипает при Рк = 17 мм рт. ст. В случае, когдадавлениедостигаетдавленияпарообразования,жидкостьзакипаетивтрубопроводе образуются полости, заполненные паром – каверны. Закипаниежидкости при низком давлении, возникающем в результате увеличения скоростипотока, и образование в жидкости полости, заполненной паром или газом,называется кавитацией, которая происходит во всех капельных жидкостях, в томчисле и в жидких металлах. В случае, когда после узкого сечения в трубопроводе,в котором наблюдается кавитационный режим, трубопровод расширяется,жидкость на таком участке движется в виде свободной струи, окружённой смесьюпузырьков пара и жидкости.
По мере движения потока паровая зона замкнётся ипоток заполнит всё сечение трубопровода. Во всех случаях расход жидкостиостаётся постоянным. В случае внешних противодавлений происходит обычноедвижение потока, в наиболее узком сечении, при противодавлениях, давление изминимального кавитационного восстанавливается [52, 59, 65, 87, 88, 101, 102, 103,104, 105].16При противодавлении, равном давлению парообразования, кавитациянаблюдается во всей расширяющейся зоне трубопровода (диффузоре).При отсутствии кавитации в узком сечении трубопровода изменениепротиводавления вызывает соответствующее давление по длине трубопровода, втом числе и в сужающейся части.При наличии кавитации в суженном трубопроводе изменение давления навыходе распространяется до конца области кавитации и не влияет на давление всуженном трубопроводе. Область кавитации фактически является запретнойзоной, через которую изменение противодавления не может проникнуть всуженный участок трубы [28].
Кавитация возникает не только при движениижидкости в замкнутом пространстве, она может возникнуть и при обтеканиилопастей гребных винтов, рабочих колёс турбин и насосов [72, 73, 75, 78].Увеличение скоростей вращения колёс насосов, турбин и гребных винтовприводит к увеличению скорости, которая становится настолько большой, что внекоторыхобластяхдавлениепадаетдодавленияпарообразования,способствующее возникновению кавитации.Рисунок 1.3 – Кавитационные явления при обтекании лопастей осевыхнасосов и корабельных гребных винтовКавитация, как правило, вызывает увеличение сопротивления и потерюэнергии.
Кроме того, при кавитационных явлениях разрушается металл ипоявляется специфический треск.17Критерием, определяющим кавитационные свойства профилей рабочихколёс, является число кавитации σ, определяемое по зависимости [47, 57, 69, 70,71]:σ=Р − Рк,ρV 2 2(1.2)где Р и V – соответственно давление и скорость набегающего потока.Одной из важнейших задач при проектировании насосов, турбин и гребныхвинтов является уменьшение кавитационного числа σ.
Кавитационная коррозиянаблюдается в металлах, где кавитационная каверна замывается. На рисунке 1.2этот процесс соответствует точке К. Как правило, разрушение металлапроисходит под действием механических ударов пузырьков пара и жидкости,химического воздействия кислорода в воздухе иэлектрических полей,возникающих в каверне.Практически, под воздействием кавитации все металлы разрушаются,поверхность приобретает губчатый вид и лопасти ломаются. Процесс разрушениялопастей рабочих колес происходит довольно быстро. Шумы при появлениикавитации велики и могут служить причиной вибрации элементов гидромашин иприводить к их разрушению.На рисунке 1.2 б показан кавитирующий профиль лопатки корабельноговинта, область кавитации в подобных случаях не замыкается на поверхностилопасти, в связи с чем такого рода поверхности не подвергаются интенсивнойкоррозии.
Такого рода гребные винты используют на быстроходных судах.1.3 Теория расчёта кавитационного запаса центробежных насосовИзвестно, что жидкость по всасывающему трубопроводу центробежныхнасосов подводится за счёт разности давлений в приёмном резервуаре и в потокепри входе в рабочее колесо [72, 77, 78, 81, 92].18На практике встречаются несколько схем установки центробежных насосовотносительно уровня воды [11, 12, 13, 18, 50]:– схема с положительной высотой всасывания, когда ось насоса находитсявыше уровня засасываемой жидкости (рисунок 1.3 а);– схема с отрицательной высотой всасывания, когда ось насоса находитсяниже уровня засасываемой жидкости (рисунок 1.3 б);– схема, когда жидкость в приёмном резервуаре находится под избыточнымдавлением (рисунок 1.3 в).а) с положительной высотой всасывания; б) с отрицательной высотой всасывания;в) с избыточным давлением на входе;1 – водоисточник; 2 – водоприёмник; 3 – всасывающий трубопровод;4 – насос; 5 – напорный трубопровод; 6 – манометр; 7 – вакуумметрРисунок 1.4 – Существующие схемы установки центробежных насосов19Как известно, энергия во всасывающем трубопроводе центробежного насосарассчитывается с использованием уравнения Д.
Бернулли. Для сечений 0-0 вприёмном резервуаре и сечения 1-1 всасывающего патрубка уравнениезаписывается [8, 82, 11, 12, 13, 19]:Pa Pв Vв2Н г.вс. + h wввс =−−,ρg ρg 2g(1.3)где hwввс – потери напора на входе в насос;Ра– атмосферное давление;ρgРв– абсолютное давление во всасывающем патрубке;ρgVВ22g– скоростной напор во всасывающем патрубке.Величина Нг.вс. + hwвс. – вакуумметрическая высотаPa − (Pв + ρVв2 )/2НВ =,ρg(1.4)тогда величина НВ = Нг.вс.
+ hwвс..В случае, когда вода подаётся во всасывающий патрубок с подпором(рисунок 1.3 б), тогдаНВ = hwвс. – Нг.вс.(1.5)При поступлении жидкости под давлением (рисунок 1.3 в) величина НВопределяется по зависимости:P0 − (Pв + ρVв2 )/2НВ =ρg(1.6)Центробежные насосы работают без отклонений от нормальных режимов,когда абсолютное давление при входе в насос больше давления насыщенныхпаров перекачиваемой жидкости при определённой температуре. В случае, когдаданное условие не соблюдается, начинается явление парообразования (закипание20жидкости), называемое кавитацией, приводящей к прекращению подачи – срывуработы насоса.
При понижении давления насыщенных водяных паров возникаютпузырьки пара и газа, попадая в область высокого давления, они разрушаются ссопровождением местного гидравлического удара и разрушением стенок рабочегоколеса и корпуса насоса.В литературе [27, 15, 31, 56, 90, 111] кавитационный запас ∆hрассчитывается по зависимости:∆h =РВρg(1.7)Величина ∆h экспериментально устанавливается для каждого типа насосов.С.С.Рудневымполученазависимостьдляопределениякритическогокавитационного запаса(∆hкр = 10 n Q/Cкр)4/3,(1.8)где Скр – постоянная величина, зависящая от конструкции насоса и называетсякавитационным коэффициентом быстроходности;Q – подача, м3/с.На заводах, в каталожных характеристиках, значения величины ∆hрассчитывают с коэффициентом запаса.∆h = KD ⋅ ∆hкр ,(1.9)где KD – коэффициент запаса, принимают в пределах 1,1 ÷ 1,5.В реальных условиях допустимая высота всасывания вычисляется поформуле:РН доп.в.
= Н′доп.в. + а − 10 + 0,24 − h нп , ρg(1.10)где Ндоп.в. – номинальная допустимая высота всасывания;Ра– атмосферное давление.ρgПриведённые высоты атмосферного давления Ра/ρg в зависимости отрасположения местности относительно уровня моря показаны в таблице 1.3.21Таблица 1.3 – Величина атмосферного давления в зависимости от расположенияместности над уровнем моряВысота над уровнемморя, м–600010020030040050011,310,310,210,110,09,89,7Ра/ρg, мИзвестно [43, 44], что давление насыщенных водяных паров зависит оттемпературы воды (таблице 1.4).Таблица 1.4 – Давление насыщенных водяных паров зависимости от температурыводыТемпература,°Сhн.в.5102030405060700,090,120,240,430,751,252,023,1780901004,82 7,14 10,33Исходя из вышеизложенного, при наличии зависимостей для вычислениявеличины кавитационного запаса, вычисляются все параметры всасывающейлинии центробежных насосов, но вычисленные параметры ограничены многимифакторами и в случае необходимости, особенно при больших колебаниях уровняводы в водоисточнике, данные факторы ввести в каталожный режим работыцентробежных насосов не представляется возможным, что грозит выводом изстроя корпусов и рабочих колёс насосов вплоть до полной остановки насоснойстанции.В таком случае напор насоса падает, подача уменьшается, потребляемаямощность увеличивается, КПД уменьшается.Увеличение кавитационного запаса оказывает практически то же самоевлияние, что и повышение уровня воды в водоисточнике, с той лишь разницей,что в данном случае повышение уровня создаётся искусственным путём спомощью линии рециркуляции [51, 54].221.4 Теория расчёта кавитационного запаса осевых насосовРасчёт кавитационного запаса осевых насосов практически не отличается отрасчётацентробежныхнасосов.Припроектированииосевыенасосыустанавливают таким образом, чтобы рабочее колесо размещалось ниже уровняводы в приёмной камере на величину допустимого кавитационного запаса.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
