Антикавитационное мероприятие в центробежных насосах

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Политехнический институт Кафедра ТЭС РЕФЕРАТ

АНТИКАВИТАЦИОННОЕ МЕРОПРИЯТИЕ В ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСАХ

Студент ФЭ 12−01Б № 71 202 417 Николаева Н.В.

Красноярск 2014

• 1. Центробежные насосы
• 1.1 Определение
• 1.2 Принцип действия центробежных насосов
• 1.3 Классификация центробежных насосов
• 2. Кавитация в насосах
• 2.1 Понятие кавитации
• 2.2 Последствия кавитации
• 3. Пути устранения кавитации
• Заключение
• Список использованной литературы

1. Центробежные насосы

1.1 Определение

Центробежный насос — насос, в котором движение жидкости и необходимый напор создаются за счёт центробежной силы, возникающей при воздействии лопастей рабочего колеса на жидкость.

1.2 Принцип действия центробежных насосов

Внутри корпуса насоса, который имеет, как правило, спиральную форму, на валу жестко закреплено рабочее колесо. Оно, как правило, состоит из заднего и переднего дисков, между которыми установлены лопасти. Они отогнуты от радиального направления в сторону, противоположную направлению вращения рабочего колеса. С помощью патрубков корпус насоса соединяется с всасывающим и напорным трубопроводами.

Если корпус насоса полностью наполнен жидкостью из всасывающего трубопровода, то при придании вращения рабочему колесу (например, при помощи электродвигателя) жидкость, которая находится в каналах рабочего колеса (между его лопастями), под действием центробежной силы будет отбрасываться от центра колеса к периферии. Это приведёт к тому, что в центральной части колеса создастся разрежение, а на периферии повысится давление. А если повышается давление, то жидкость из насоса начнёт поступать в напорный трубопровод. Вследствие этого внутри корпуса насоса образуется разрежение, под действием которого жидкость одновременно начнёт поступать в насос из всасывающего трубопровода. Таким образом, происходит непрерывная подача жидкости центробежным насосом из всасывающего в напорный трубопровод.

Центробежные насосы бывают не только одноступенчатыми (с одним рабочим колесом), но и многоступенчатыми (с несколькими рабочими колесами). При этом принцип их действия во всех случаях остается таким же, как и всегда. Жидкость будет перемещаться под действием центробежной силы, которая развивается за счёт вращающегося рабочего колеса.

1.3 Классификация центробежных насосов

Центробежные насосы классифицируют по:

· Количеству ступеней (колёс); одноступенчатые насосы могут быть с консольным расположением вала — консольные;

· По расположению оси колёс в пространстве (горизонтальный, вертикальный)

· Давлению (низкого давления — до 0,2 МПа, среднего — от 0,2 до 0,6 МПа, высокого давления — более 0,6 МПа);

· Способу подвода жидкости к рабочему колесу (с односторонним или двухсторонним входом — двойного всасывания);

· Способу разъёма корпуса (с горизонтальным или вертикальным разъёмом);

· Способу отвода жидкости из рабочего колеса в канал корпуса (спиральный и лопаточный). В спиральных насосах жидкость отводится сразу в спиральный канал; в лопаточных жидкость сначала проходит через специальное устройство — направляющий аппарат (неподвижное колесо с лопатками);

· Коэффициенту быстроходности n_s (тихоходные, нормальные, быстроходные);

· Функциональному назначению (водопроводные, канализационные, пожарные, химические, щелочные, нефтяные, землесосные и т. д.);

· Способу соединения с двигателем: приводные (с редуктором или со шкивом) или соединения с электродвигателем с помощью муфт.

· Способу расположения насоса относительно поверхности жидкости: поверхностные, глубинные, погружные.

КПД насоса зависит от коэффициента быстроходности n_s, режима работы, конструктивного исполнения. При оптимальном режиме работы КПД крупных насосов может достигать 0,92, а малых — около 0,6−0,75.

Рисунок 1 — центробежный насос в разрезе.

2. Кавитация в насосах

2.1 Понятие кавитации

Явления, происходящие в насосе при парообразовании в начальной стадии и вплоть до прекращения (срыва) работы, имеют общее название кавитации.

Кавитация представляет собой сложный комплекс следующих явлений:

· выделение пара и растворенных газов из жидкости в тех областях, где давление жидкости равно или меньше давления насыщенных паров ее;

· местное повышение скорости движения жидкости в том месте, где возникло парообразование, и беспорядочное движение жидкости;

· конденсация пузырьков пара, увлеченных потоком жидкости в область повышенного давления. Конденсация каждого из пузырьков приводит к резкому уменьшению объема и гидравлическому удару в микроскопических зонах; однако «бомбардировка» этими ударами большой площади кавитируемой поверхности приводит и к большим площадям разрушения. Многократно повторяющиеся механические воздействия при конденсации пузырьков вызывают механический процесс разрушения материала колеса, что является наиболее опасным следствием кавитации;

· химическое разрушение металла в зоне кавитации кислородом воздуха, выделившегося из жидкости при прохождении ее в зонах пониженного давления. Этот процесс носит название коррозии. Коррозия, действующая одновременно с цикличными механическими воздействиями, снижает прочность металла.

Кавитация, может происходить не только в рабочем колесе, но и в направляющем аппарате или в спирали, хотя здесь она наблюдается сравнительно редко. Явления кавитации сопровождаются характерным потрескиванием в области всасывания, шумом и вибрацией насоса.

Рисунок 2 — кавитация в насосе.

2.2 Последствия кавитации

Кавитация уменьшает КПД, напор и производительность насоса. При сильном развитии кавитации центробежный консольный насос полностью прекращает работу (срывает подачу). Длительная работа насоса при наличии даже незначительных кавитационных явлений совершенно недопустима. Особенно сильно при кавитации повреждаются детали насосов, если перекачивается вода, содержит твердые включения.

От действия кавитации поверхности деталей становятся шероховатыми и губчатыми, что способствует быстрому истиранию деталей содержащимися в жидкости включениями. В свою очередь твердые частицы, истирая поверхности деталей, содействуют усилению кавитации. Особенно сильно кавитационному разрушению подвержены чугун и углеродистая сталь. Наиболее устойчивы в этом отношении насосы из нержавеющей стали и бронзы.

Рисунок 3 — последствия кавитации.

3. Пути устранения кавитации

1. Размещение гидробака выше всасывающей камеры насоса.

Как известно из опыта эксплуатации гидрофицированных самоходных машин, объемные насосы на самовсасывании работают крайне неудовлетворительно или не работают вообще, особенно в период пуска машины при низких температурах, когда в десятки и сотни раз повышается вязкость жидкости. Поэтому на всех современных гидрофицированных машинах различного технологического назначения гидробак устанавливают выше насоса так, что свободная поверхность жидкости в гидробаке не менее чем на 0,5 м выше всасывающей камеры насоса. Гидравлическое сопротивление всасывающего трубопровода не позволяет обеспечить полное заполнение рабочих камер насоса, поэтому размещение гидробака выше всасывающей камеры позволяет создать перед насосом давление выше атмосферного на величину h· g·?, где h — высота всасывания; g — ускорение свободного падения;? — плотность жидкости.

Однако, следует помнить, что размещать гидробак на величину выше 0,5 м над всасывающей камерой нецелесообразно, так как после распределителя на эту же высоту приходится поднимать поток жидкости, что увеличивает давление в сливной гидролинии, снижает полезное усилие на гидродвигателях и ведет к перерасходу топлива двигателя внутреннего сгорания. В конечном итоге снижается общий КПД гидропривода.

2. Увеличение диаметра всасывающего трубопровода.

Позволяет несколько повысить всасывающую способность за счет снижения его гидравлического сопротивления. Расчеты и опыт эксплуатации показывают, что кардинально повысить всасывающую способность насосов за счет увеличения диаметра трубы не удается, тем более существует предел этого увеличения по конструктивным соображениям. Максимальный диаметр всасывающего трубопровода можно получить расчетом, приняв скорость потока жидкости в трубе, равную 0,8 м/с.

3. Уменьшение длины всасывающего трубопровода.

Также позволяет повысить всасывающую способность насосов за счет снижения путевых потерь гидролинии. Протяженность всасывающего трубопровода зависит от места и способа крепления насоса к двигателю внутреннего сгорания и месторасположения гидробака. При проектировании гидропривода следует на стадии компоновки гидрооборудования учитывать требования к минимальной длине трубопровода. По соображениям повышения всасывающей способности насосов в гидроприводе станков последние размещают непосредственно в гидробаке. Применительно к самоходным гидрофицированным машинам такое конструктивное решение выполнить невозможно. На лесозаготовительных машинах протяженность всасывающего трубопровода достигает от 2,5 м (лесоукладчики) до 3,5 м (валочнопакетирующие машины).

4. Снижение местных сопротивлений.

Также способствует повышению всасывающей способности насосов, причем существенно больше, чем уменьшение длины трубопровода. Это подтверждается данными наших экспериментальных исследований. Во всасывающей гидролинии не должно быть обратных клапанов, фильтров, изгибов под прямым углом, ответвлений и других местных сопротивлений.

5. Увеличение площади и изменение формы всасывающего отверстия.

Позволяет существенно повысить всасывающую способность насосов. Обычно на современных машинах всасывающий патрубок имеет срез под прямым углом. Это упрощает технологию и стоимость изготовления. Однако прямой срез не исключает вихревых явлений жидкости при входе ее во всасывающее отверстие, что создает дополнительное гидравлическое сопротивление и, как следствие, способствует развитию кавитации при более высоком давлении во всасывающей камере, снижает объемный КПД и подачу насосов.

Увеличить площадь всасывающего отверстия при одинаковом диаметре можно за счет применения скошенного под углом 30 — 45 °C патрубка. Такое простое конструктивное решение позволяет в 1,4 — 1.6 раза увеличить площадь всасывающего отверстия, существенно снижает вихревые явления и все отрицательные последствия, с ними связанные.

Однако кардинально повысить всасывающую способность насоса можно за счет применения патрубка коноидальной формы. Такие патрубки позволяют использовать кинетическую энергию потока жидкости, создавать во всасывающей камере насоса избыточное давление и повышать всасывающую способность насоса.

6. Применение гидробаков с давлением выше атмосферного.

Значительно увеличивает всасывающую способность насосов. Для создания избыточного давления в гидробаке чаще всего используют компрессор. Однако это требует введения дополнительного привода от вала отбора мощности к компрессору и создания автономной системы управления. Видимо, это слишком высокая цена для повышения всасывающей способности насосов, поэтому такой способ применяется пока только на одной серийной машине — экскаваторе ЭО-4332А и его модификациях. Такой же эффект можно получить, применив эластичную мембрану или подпружиненный поршень, которые позволяют компенсировать изменение объема жидкости в баке, возникающего при колебании температуры и за счет разницы объема поршневой и штоковой полостей гидроцилиндров. При этом могут возникнуть лишь затруднения с удалением из гидробака выделившейся из жидкости газовой фазы. Более простое конструктивное решение использование эластичной герметичной полости в верхней части гидробака, которая может создавать за счет изменения объема жидкости избыточное давление.

7. Применение эжекции во всасывающем трубопроводе.

Дает возможность повысить всасывающую способность насоса за счет использования кинетической энергии струи жидкости. Направление всего потока жидкости или его части позволяет создать избыточное давление во всасывающей камере насоса. На рис. 1 представлена упрощенная схема использования эжекции для повышения всасывающей способности насоса. Перед фильтром за счет его гидравлического сопротивления давление жидкости составляет не менее 0,35 МПа, а при понижении температуры (повышении вязкости) и засорении фильтроэлемента оно значительно увеличивается. Это давление можно использовать для направления части потока непосредственно во всасывающую линию насоса. Таким образом, такое простое конструктивное решение позволяет практически полностью избежать кавитационного режима работы насоса.

Рисунок 4 — применение эжекции во всасывающем трубопроводе.

8. Оптимизация вязкости рабочей жидкости.

Кардинально решает проблемы работоспособности и эффективности гидравлического привода, в том числе повышает и всасывающую способность насосов. Чем меньше вязкость рабочей жидкости, тем меньше гидравлические сопротивления (местные и путевые) и потери давления во всасывающем трубопроводе. Экспериментально установлено, что вязкость жидкости должна находиться в пределах (10 — 65)· 10⁶ м?/с для гидроприводов с аксиально-поршневыми насосами, и (50 — 2500)· 10⁶ м?/с для гидроприводов с шестеренными насосами. Для поддержания вязкости в указанном оптимальном диапазоне гидропривод самоходных машин, эксплуатируемых на открытом воздухе, должен иметь специальные теплообменные устройства.

9. Уменьшение шероховатости внутренней поверхности всасывающего трубопровода.

Также позволяет несколько повысить всасывающую способность насосов, особенно при низких температурах, когда шероховатость оказывает большее влияние на коэффициент трения вязкой жидкости. Изготовление всасывающих трубопроводов из пластмасс практически решает эту проблему.

10. Дегазация рабочей жидкости.

Почти полностью исключает кавитационный режим работы насосов и существенно повышает их всасывающую способность, особенно при оптимальных температурах рабочей жидкости. Однако до настоящего времени дегазация рабочих жидкостей в гидроприводе самоходных машин не применяется. Это объясняется отсутствием достаточно простых устройств дегазации, способных надежно работать в различных климатических условиях.

Заключение

Были рассмотрены способы устранения кавитации. Следует отметить, что все рассмотренные способы повышения всасывающей способности насосов не исключают друг друга, а органично сочетаются между собой.

Кардинально повысить всасывающую способность и уменьшить кавитацию можно, используя все эти способы одновременно.

центробежный насос кавитация

1. Башта Т. М. «Машиностроительная гидравлика», М.: «Машиностроение», 1971, с. 44−46.

2. Компания ПО «Электромотор», 2009

3. Насосы и насосные станции: учебник, издание второе, переработанное и дополненное /Карелин В.Я., Минаев А. В., Стройиздат — 1986.

4. Компания «Бытовые насосы», 2013;2014