8.3. Опис лабораторної установки

Лабораторна установка для визначення залежності об’ємного ККД насоса від тиску (рис. 8.2) складається з бака 1 з робочою рідиною, насоса 2, місцевого опору, який можна регулювати (дроселя) 3, мірного бака 4 зі скляною мірною трубкою 5. Тиск у нагнітальній магістралі вимірюється манометром 6. Із мірного бака 4 в бак 1 рідина перетікає по трубі з краном 7.

8.4. Порядок виконання роботи

1. Включити насос.

2. За допомогою дроселя 3 встановити необхідне значення тиску в нагнітальній магістралі (див. табл. 8.1).

3. Виміряти час, за який при заданому тиску в нагнітальній магістралі до мірного бака 4 надійшов об’єм рідини V. Для цього зафіксувати початкове положення рідини у скляній мірній трубці 5 і одночасно включити секундомір (кран 7 при цьому повинен бути закритим). При зміні рівня рідини в трубці (відповідно і у баці) приблизно на 10 см зафіксувати зміну рівня Δh і час τ, за який ця зміна рівня була досягнута. Таким чином, можна визначити об’єм рідини, що надійшов до мірного бака 4 за час τ:

, м³, де S= – площа поперечного перерізу мірного бака, м²; d – діаметр мірного бака, м; Δh – зміна рівня рідини в мірній трубці, м.

4. Виключити насос 2. Відкрити кран 7 і частково злити рідину з мірного бака 4 (приблизно до початкового рівня) до бака 1.

5. Виміри за п. 1-4 зробити ще для декількох значень тиску у нагнітальній магістралі. Тиск змінювати за допомогою дроселя 3.

Результати вимірів занести до таблиці 8.1.

Таблиця 8.1. Результати вимірів та розрахунків

№ п/п	Тиск, Р, кгс/см2	Зміна рівня рідини в мірній трубці Dh, м	Площа попе-речного перерізу мірного бака S, м2	Об’єм, що надійшов до мірного бака V, м3	Час надходження рідини до мірного бака τ, с	Фактична продуктивність насоса Qф=V/τ, м3/с	Об’ємний ККД насоса ηV=Qф/QТ
1	2
2	3
3	4
4	5

8.5. Порядок обробки результатів вимірів

1. Обчислити фактичну продуктивність насоса для кожного тиску за формулою: [м³/с ] , де V – об’єм рідини, що надійшов до мірного бака 4, м³; τ – час, за який надійшов цей об’єм, с.

Д ані розрахунків занести в таблицю 8.1.

2. Побудувати графік залежності Q_ф=f(P).

З. Із цього графіка визначити теоретичну продуктивність насоса Q_T : їй відповідає значення ординати в місці перетину графічної лінії Q_ф=f(p) з вертикальною віссю (див. рис. 8.3).

4. Розрахувати для кожного тиску об’ємний ККД насоса за формулою:

.

Результати розрахунків занести в таблицю 8.1.

5. За результатами розрахунків побудувати графік залежності η_V=f(p) та зробити висновки.

8.6. Контрольні питання.

1. Що називається теоретичною продуктивністю насоса? Як вона визначається?

2. Що називається дійсною продуктивністю насоса?

3. Чому виникають об’ємні втрати в насосах?

4. Дати визначення об’ємного ККД насоса.

5. Яким чином на значення об’ємного ККД насоса впливають тиск, в’язкість рідини та число обертів вала?

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 9

ДОСЛІДЖЕННЯ ЯВИЩА КАВІТАЦІЇ В НАСОСАХ

1. Ціль роботи

За допомогою експериментальних даних визначити тиск на вході в насос, при якому починається кавітація.

2. Теоретичні відомості

Кавітацією називається порушення суцільності потоку рідини, зумовлене появою в рідині бульбашок або порожнин, заповнених парою або газом. Кавітація виникає при зниженні тиску до тиску насичення (кипіння) при даній температурі рідини, внаслідок чого рідини закипає. В потоці рідини таке падіння тиску відбувається зазвичай в області підвищених швидкостей. У більшості випадків, коли виділення газу з рідини не відіграє суттєвої ролі, кавітацію зазвичай називають паровою. Порожнини або бульбашки, заповнені парою, зносяться потоком до області підвищеного тиску, де пара конденсується і відбувається схлопування бульбашок. Наслідком кавітації в гідравлічних машинах, зокрема насосах, є наступні основні явища:

1. Ерозія стінок каналу. При конденсації бульбашок пари тиск всередині бульбашки залишається сталим і рівним тиску насиченої пари, в той час як тиск рідини підвищується під час просування бульбашки. Частинки рідини, що оточують бульбашку, знаходяться під дією все зростаючої різниці між тиском рідини і тиском всередині бульбашки та рухаються до її центру з прискоренням. При повній конденсації бульбашки відбувається зіткнення частинок рідини, виникає різкий локальний удар, що супроводжується значним миттєвим місцевим підвищенням тиску. Якщо парова бульбашка в мить конденсації знаходиться на поверхні каналу, то локальний удар приходиться на поверхню і викликає місцеве руйнування матеріалу стінок каналу. Наведений механічний процес руйнування стінок каналу називається ерозією і є одним з найбільш небезпечних наслідків кавітації.

2. Посилення шуму, тріску і вібрації установки, що є наслідком коливань рідини, викликаних зникненням порожнин, заповнених парою.

3. Зменшення подачі, напору, потужності і коефіцієнта корисної дії насоса.

У відцентровому насосі парова кавітація зазвичай виникає на лопатці робочого колеса поблизу її вхідної крайки. Тиск тут є значно меншим за тиск у вхідному патрубку насоса внаслідок місцевого зростання швидкості при натіканні на лопатку і через гідравлічні втрати у підводі.

Запишемо рівняння Бернуллі для вільної поверхні рідини у приймальному резервуарі (переріз 1-1) і всмоктувального патрубка насоса (переріз 2-2) (рис. 9.1).

З а площину порівняння візьмемо вільну поверхню рідини у приймальному резервуарі (переріз 1-1; швидкість руху рідини в перерізі 1-1 приймаємо за нуль):

, (9.1)

де Н_в – відстань від рівня рідини у приймальному резервуарі до вісі насоса (висота всмоктування);

р_а – абсолютний тиск на поверхні приймального резервуара (якщо приймальний резервуар відкритий, то тиск дорівнює атмосферному);

р_в – абсолютний тиск у всмоктувальному патрубку насоса;

- швидкість рідини у всмоктувальному патрубку насоса;

h_втр – втрати напору у всмоктувальному трубопроводі.

З рівняння (9.1) отримуємо:

. (9.2)

Таким чином, тиск на вході в насос і відповідно в робоче колесо насоса зменшується зі збільшенням висоти всмоктування, швидкості рідини у всмоктувальному патрубку і гідравлічного опору всмоктувального трубопроводу та зі зменшенням тиску в приймальному резервуарі. При достатньо великих висоті всмоктування, швидкості рідини і гідравлічному опорі всмоктувального трубопроводу або при надто низькому тиску у приймальному резервуарі тиск при вході на лопатки робочого колеса може знизитися настільки, що сягне тиску насичення рідини при даній температурі, і виникне явище кавітації. Таким чином кавітація обмежує висоту всмоктування насоса.

Назвемо кавітаційним запасом перевищення повного напору рідини у всмоктувальному патрубку насоса над тиском її насиченої пари при даній температурі. Кавітаційний запас визначають:

, (9.3)

де р_н.п – тиск насиченої пари рідини при температурі рідини, що перекачується.

Якщо весь кавітаційний запас перетворюється в області мінімального тиску в кінетичну енергію рідини і витрачається на подолання гідравлічного опору підводу насоса, то тиск знижується до тиску насиченої пари рідини і виникає кавітація. Кавітаційний запас, при якому виникає кавітація, називається критичним кавітаційним запасом.

Для визначення критичного кавітаційного запасу проводять кавітаційні випробування насоса, в результаті яких для кожного режиму роботи насоса отримують кавітаційну характеристику (рис. 9.2). Вона представляє собою залежність напору від кавітаційного запасу при постійній частоті обертання робочого колеса п і певному значенні подачі Q. Сталість подачі Q під час проведення випробувань, яка починає падати при виникненні кавітації, досягають зміною відкриття засувки у нагнітальному трубопроводі. При великих значеннях Δh кавітаційні явища відсутні, і напір від кавітаційного запасу не залежить. Виникнення кавітації призводить до утворення на вхідній ділянці з тильного боку лопатки порожнини – каверни, заповненої парою (рис. 9.3), з якої потоком виносяться бульбашки пари, або сама каверна періодично відривається і відноситься потоком. Зі зменшення кавітаційного запасу довжина і товщина каверни поступово збільшуються. При її достатній довжині змінюється потік на виході з колеса, що призводить до зменшення напору насоса.

Режим, при якому починається падіння напору, називається першим критичним режимом. Йому відповідає перший критичний кавітаційний запас Δh₁. При подальшому зменшенні кавітаційного запасу каверна, подовжуючись, наближується до краю лопатки. Це супроводжується все більш суттєвим зміненням потоку на виході з робочого колеса, і відповідно все більшим зменшенням напору. При другому критичному запасі (Δh_ІІ) каверна втрачає стійкість і її довжина швидко збільшується. Це викликає різке зменшення напору.

Робота насоса на режимах розвиненої кавітації може призвести до інтенсивного ерозійного зношування, тому експлуатація насоса в області між першим і другим критичними режимами можлива лише у тих випадках, коли при роботі насоса у цій області не виникає ерозії (насос виготовлений із застосуванням ерозійно стійкого матеріалу), або робота насоса у цій області короткочасна.

Перший критичний запас або, у випадку можливості роботи насоса в області Δh_І>Δh>Δh_II, другий критичний запас приймають за найменшу величину кавітаційного запасу, при якому можлива експлуатація насоса. Щоб насос не працював в режимі неприпустимо сильної кавітації через неточне врахування всіх факторів при розрахунках, назначають невелике перевищення допустимого кавітаційного запасу над критичним. Тому допустимий кавітаційний запас визначають наступним чином

. (9.4)

Менше значення вибирають, якщо розрахунок ведуть по першому критичному кавітаційному запасі.

Результати випробувань насоса на кавітацію, що послідовно проводять при різних значеннях подачі, наносять на характеристику насоса у формі кривої залежності допустимого кавітаційного запасу Δh_доп від подачі Q. Один із прикладів характеристики відцентрового насоса наведений на рис. 9.4. Залежність Δh_доп=f(Q) будується для нормальних умов, тобто для атмосферного тиску 0,1 МПа і температури перекачуваної рідини 20⁰С. Значення допустимого кавітаційного запасу приймається відповідно до спільної роботи насоса і трубопроводу, тобто згідно з робочою точкою.

Визначивши допустимий кавітаційний запас, можна знайти для даної насосної установки максимально допустиму висоту всмоктування, тобто максимальну висоту установки насоса, при якій кавітація не виникає. З рівнянь (9.2) і (9.3) максимально допустима висота всмоктування

. (9.5)

Як видно з рівняння (9.5), допустима висота всмоктування зменшується зі зменшенням тиску у приймальному резервуарі і зі збільшенням тиску насичених парів рідини р_н.п при даній температурі. Відомо, що з підвищенням температури рідини зростає і відповідне значення тиску насичення. Тому з підвищенням температури рідини допустима висота всмоктування зменшується. Через це гарячі рідини підводять до насоса під деяким надлишковим тиском або насоси розташовують нижче рівня рідини у приймальній ємності.

Також допустима висота всмоктування зменшується при збільшені швидкості рідини у всмоктувальному трубопроводі і відповідному зростанні втрат напору h_втр.

Щоб контролювати кавітаційні умови роботи насоса при його експлуатації за допомогою вакуумметра, встановленого на всмоктувальному патрубку, необхідно знати критичну або допустиму величину вакууму на вході в насос. Цей вакуум, виражений у метрах стовпа перекачуваної рідини, називають вакуумметричною висотою всмоктування. З рівняння (9.3) такий вакуум, або допустима вакуумметрична висота всмоктування

, (9.6)

де р_а – атмосферний (барометричний) тиск.

Аналіз критичного кавітаційного запасу показав, що Δh_кр майже не залежить від виду й температури рідини, а залежить лише від типу та конструкції насоса. Використовуючи теорію подібності для визначення кавітаційних характеристик подібних насосів, С.С. Руднєв запропонував формулу для визначення критичного кавітаційного запасу у вигляді

, (9.7)

де С – коефіцієнт швидкохідності, який залежить від конструктивних особливостей насоса; п – частота обертання робочого колеса, об./хв.; Q – подача насоса, м³/с.

При роботі в оптимальному режимі насосів, не стійких в кавітаційному відношенні (наприклад, насосів для забруднених рідин), для першого критичного режиму приймають значення С=600…700, для нормальних насосів – С=800…1000 і для насосів з підвищеними кавітаційними властивостями – С=1300…3000.

Таким чином, допустимий кавітаційний запас може бути розрахований за формулою

. (9.8)

Досліди показують, що покращенню кавітаційних якостей насоса сприяє збільшення вхідного діаметра і ширини робочого колеса на вході. Найбільш ефективним є збільшення ширини робочого колеса, тому що в цьому випадку не лише покращуються кавітаційні якості насоса, а й не погіршується його ККД. До другого ефективного способу підвищення кавітаційних якостей насоса належить підвищення тиску на вході в робоче колесо відцентрового насоса. Таке підвищення може виконуватися шляхом установлення перед відцентровим насосом осьового ступеня тощо.