Розрахунок кавітаційного запасу системи. Кавітаційний запас

де

- Сумарні втрати енергії у насосі.

Втрати енергії в насосі поділяються на три види: механічні, об'ємні та гідравлічні.

Мал. 11. Розріз насосу марки НМ

Механічні втрати та механічний ККД

Механічні втрати

складаються з втрат механічного тертя в підшипниках ковзання та кочення, у торцевих ущільненнях та дискових втрат

Втрати механічного тертя у насосах невеликі.

Найбільш суттєвими є дискові втрати, які виникають в результаті тертя зовнішніх поверхонь дисків робочого колеса рідини.

Загалом механічні втрати оцінюються за допомогою механічного ККД:

(22)

Механічний ККД насосів знаходиться в межах 0,95 – 0,97

Об'ємні втрати та об'ємний ККД.

Об'ємні втрати пов'язані з втратами подачі насоса при витоках через щілинні ущільнення робочого колеса між областю нагнітання і областю всмоктування насоса, а також перетікання нафти з нагнітальної області в всмоктувальну при охолодженні ущільнення торцевих. (Рис.11)

Об'ємні втрати в насосі визначаються об'ємним ККД:

(23)

де ∆Q – величина втрат подачі у насосі.

Об'ємний ККД насосів знаходиться в межах 0,95 – 0,98

w в - швидкість рідини на вході в насос, м/с;

Δh доп – допустимий запас кавітації насоса, в перерахунку на нафту

Атмосферний тиск p 0 можна визначити залежно від абсолютної висотної позначки насосів за формулою:

де: z - Абсолютна висотна позначка насосної станції над рівнем моря, м.

Мінімальне значення тиску на вході насоса визначається за формулою

P підп. хв = h підп хв ∙ ρ∙ g, Па; (30)

Напірна, енергетична та кавітаційна характеристики
насосів типу НМ

за ТУ 26-06-1053-76

Мал. 14. – Характеристика насоса НМ 2500-230, випробуваного на воді

Таблиця 7

Параметри магістральних насосів типу НМ зі змінними роторами

Нормальна робота відцентрового насоса може бути забезпечена за певних так званих безкавітаційних режимах. Нормальна робота зберігається тільки у випадку, якщо тиск у всіх точках його внутрішньої порожнини буде перевищувати тиск насичених парів рідини, що перекачується при даній температурі. Цей тиск носить назву критичного р кр. Якщо ж тиск у внутрішній порожнині насоса буде меншим за критичний, то тоді можливе утворення парів рідини і настання так званої кавітації. При кавітації за рахунок утворення великої кількості бульбашок, заповнених парами рідини, відбувається порушення суцільності потоку. При попаданні кавітаційних бульбашок в область, де тиск рідини більший за критичний (наприклад, на поверхню лопаток робочого колеса), вони руйнуються і при цьому відбуваються гідравлічні удари в мікроскопічних зонах. Це призводить до місцевих руйнувань металу робочого колеса. Виникнення кавітації залежить від багатьох причин (матеріалу та наявності покриття на поверхні робочого колеса, режимів перекачування). Найбільше значення має дотримання так званих безкавітаційних режимів роботи насоса, при яких тиск на вході насоса р вх має бути більше критичного тиску, тобто тиску насичених парів рідини, що перекачується. У паспорті кожного насоса вказують допустимий запас кавітації ∆h кр. Наприклад, для насоса НМ 10000-210 ∆h кр = 65м (водяного стовпа) або р кр = 0,65 МПа. Це означає, що безкавітаційний режим роботи даного насоса може бути забезпечений тільки у випадку, якщо тиск у вхідному патрубку (всмоктувальному) буде не менше 0,65 МПа. Для забезпечення безкавітаційних режимів роботи магістральних насосів на головних насосних станціях встановлюють спеціальні підпірні насоси, які відкачують нафту або нафтопродукт із резервуарів і подають її під потрібним тиском на патрубки, що всмоктують магістральних насосів. На проміжну насосну станцію нафта або нафтопродукт надходить на всмоктувальні патрубки від попередньої станції під тиском, що перевищує допустимий запас кавітації. Для забезпечення нормальної безкавітаційної роботи горизонтальних підпірних насосів їх встановлюють на позначці нижче нульової, тобто застосовують заглиблені підпірні насосні станції. Замість горизонтальних все ширше застосовують вертикальні підпірні насоси, їх нормальна безкавітаційна робота забезпечується без заглиблення нижче за нульову позначку.

Де - значення допустимого кавітаційного запасуотриманого при перекачуванні води; - допустимий кавітаційний запас відцентрових насосівпід час роботи на нафти; - Коефіцієнт кавітаційного запасу; - Коефіцієнт, що визначається геометрією робочого колеса; - термодинамічна виправлення, що враховує вплив термодинамічних властивостей рідини; - Поправка на вплив в'язкості рідини; - напір, який визначається мінімальним тиском на вході в насос; - Мінімальний тиск на вході; - напір визначається тиском насиченої пари.

Практично всі власники насосів стикалися з поняттями кавітації та запасу кавітації насоса. Слід зазначити, що володіння правильною інформацією з цих питань допоможе запобігти багатьом неприємним поломкам, заощадити гроші та продовжити життя приладу.

Для того, щоб зрозуміти, що таке кавітаційний запас насоса, необхідно точно знати визначення кавітації.

Визначення кавітації

Кавітація викликає сильну вібрацію і шум при роботі приладу, від чого термін служби багатьох складових різко зменшується. Саме тому кавітація насосів та їх усунення – важливе завдання, до вирішення якого слід підійти з особливою увагою. Розібравшись із визначенням, приступаємо до з'ясування наступного питання.

Кавітаційний запас насосу

Власне, це величина, необхідна для того, щоб зберігати потрібний рівень тиску в рідині, щоб уникнути виникнення кавітації. Дані можна дізнатися у компанії, що випустила прилад, що позначається NPSHR. Встановлювати та обв'язувати насос слід, спираючись на показники запасу та точні розрахунки, виконані з урахуванням: місцевості, рівня води, тиску, напору, втрат на всмоктуванні тощо.

Кавітація насосів та їх усунення- Основна проблема багатьох власників насосів. Існує головне правило, за яким можна її уникнути. Воно говорить: на вході має бути більша кількість рідини, ніж на виході. Для цього можна використовувати такі варіанти:

• поставити всмоктувальний патрубок більшого діаметра;
• встановити прилад неподалік джерела води;
• розташувати всмоктувальну трубу в одній площині, бажано без великої кількості згинів або з плавними поворотами, також варто придбати трубу з матеріалу, що не викликає сильного опору;
• можна спробувати збільшити тиск на стороні всмоктування шляхом підвищення рівня води в резервуарі забору або зниження рівня самого насоса.

Також необхідно регулярно перевіряти роботу приладу та при найменших підозрах появи кавітації вживати термінових заходів. Так насос прослужить довго без серйозних поломок.

2.11.1 Поняття кавітації. Кавітаційний запас

Кавітацією називається процес порушення суцільності потоку в результаті утворення в потоці рідини бульбашок пари або газу в області зниженого тиску з подальшою їх конденсацією в області підвищеного тиску.

У відцентрових насосах кавітація виникає на тильній стороні лопатки робочого колеса поблизу її вхідної кромки (див. малюнок 2.32), так як тут тиск значно нижчий, ніж тиск у всмоктувальному патрубку через гідравлічні втрати в підводному пристрої, що підводить, швидкості руху місцевого руху .

Малюнок 2.32 - Схема розташування кавітаційних зон у каналах робочого колеса відцентрового насоса залежно від режиму кавітації:
І –ІІІ - режими кавітації; 1 - каверна; 2 - гідродинамічний слід; 3 - Потік краплинної рідини

У вхідній частині каналу при кавітації утворюється безліч бульбашок газу, які, зливаючись, утворюють каверну 1 . Далі спостерігається гідродинамічний слід 2 , в якому концентрація парогазової фази менша внаслідок підвищення тиску, під дією якого частина бульбашок конденсується або зменшується в обсязі. Простір каналів, що залишився, заповнює потік рідини.

Розрізняють три режими кавітації:

• Режим початкової кавітації, при якому утворюються лише невеликі каверни та кавітаційна зона, що складається з каверни та гідродинамічного сліду, не досягає виходу міжлопатевого каналу і тому не впливає на роботу насоса.
• Режим розвиненої кавітації (критичний режим), при якому кавітаційна зона досягає вихідної області колеса, внаслідок чого змінюється величина та напрямок абсолютної швидкості та зменшується напір насоса.
• Суперкавітаційний режим спостерігається, коли кавітаційна зона майже повністю перекриває вихідну область каналу, внаслідок чого різко знижується подача, тиск насоса. Цей режим ще називають режимом замикання.

Кавітація супроводжується:

• зменшенням подачі, напору, потужності та ККД насоса;
• звуковими явищами (шум, тріск, удари) та вібрацією насосної установки;
• ерозією матеріалу стін каналів;
• зниження надійності роботи насоса.

Тому кавітація є небажаним явищем під час експлуатації нафтових відцентрових насосів.

Явище кавітації виникає, коли енергія рідини на вході в насос ( Єв) стає рівною або меншою енергії пружності насичених парів рідини, а саме:

де Ев - нівелірна відмітка осі насоса; р- тиск на вході рідини в насос; wв - швидкість нафти у всмоктувальному патрубку.

При розрахунках, як правило, приймають zв = 0, а всі інші висотні позначки відраховують від осі насоса, тому можна записати

де pS- тиск пружності насиченої пари.

Критичний кавітаційний запас Δ hкр відповідає виникненню в відцентровому насосі фази розвиненої кавітації, коли спостерігається 2–3 % падіння напору. Він визначається експериментально шляхом зняття приватних кавітаційних характеристик насоса. Приватною кавітаційною характеристикою (рисунок 2.33) називається графік залежності напору (або ккд) від кавітаційного запасу при постійній подачі, частоті обертання, в'язкості та щільності рідкого середовищана вході у насос.

Малюнок 2.33 - Приватна характеристика кавітаційного відцентрового насоса:
I- Режим початкової кавітації; II- Критичний режим; III- режим суперкавітації

Допустимим запасом кавітації називається мінімальне значення запасу кавітації, при якому робота насоса буде відбуватися без зміни основних технічних параметрів. Допустимий кавітаційний запас визначається за формулою:

де Адо - коефіцієнт кавітаційного запасу, що залежить від коефіцієнта швидкохідності насоса та фізичних властивостейрідини. Для нафтових магістральних насосів Адо = 1,25; для інших насосів Адо = 1,1-1,3.

Величина критичного і допустимого запасу кавітації визначається експериментально на заводі-виробнику при випробуванні насоса на воді і наводиться в паспортній характеристиці насоса у вигляді графіка залежності кавітаційного запасу від подачі насоса.

При роботі на нафті та нафтопродуктах величина кавітаційного запасу насоса змінюється внаслідок змін умов його всмоктування. Найбільш сильний вплив зміну умов всмоктування надають такі властивості нафт і нафтопродуктів, як тиск насичених парів, наявність у нафті розчинних і нерозчинних газів, термодинамічні властивості і в'язкість нафти.

Тиск насиченої паринафт і нафтопродуктів залежить як від температури, а й від співвідношення парової і рідкої фаз, оскільки за переході в газоподібний стан легкорастворяющихся фракцій і розчинених попутних газів спостерігається падіння тиску насичених парів залишилася рідкої фази нафти.

Тому для визначення величини тиску пружності насичених пар необхідно використовувати формули, що враховують цю обставину.

Тиск насиченої пари перекачуваних рідин (Па) може бути знайдено по одній з наступних залежностей:

• для нафт

• для авіаційних бензинів

• для стабільного газового конденсату

де Тнк - температура початку кипіння нафти чи бензину, До.

Відомості про температуру початку кипіння деяких нафт і залежності тиску їх насиченої пари від температури наведено в таблиці 2.13.

Таблиця 2.13 - Довідкові дані щодо деяких нафт

При перекачуванні газонасичених рідин під РSслід розуміти їх тиск насичення за температури перекачування.

Вплив термодинамічних властивостей нафтитаких, як питома теплоємність, температура і градієнт тиску насиченої пари виражається в тому, що падіння тиску нижче тиску насиченої пари на однакову величину в рідинах з різними термодинамическими властивостями може призвести до утворення різного об'єму пари.

Для врахування впливу термодинамічних властивостей нафти на запас кавітації вводиться термодинамічна поправка до кавітаційного запасу, яка може бути визначена за формулою

де Δ ht- термодинамічна поправка до критичного запасу кавітації; hS- напір, що відповідає тиску насиченої пари рідини РS.

Вплив в'язкостінафти і нафтопродуктів на кавітацію в насосі позначається так:

• збільшення в'язкості рідини, що перекачується, призводить до збільшення втрат енергії на вході рідини в робоче колесо, що в свою чергу призводить до збільшення допустимого кавітаційного запасу;
• збільшення в'язкості призводить до уповільнення зростання парових каверн і зрештою - до зниження можливості виникнення кавітації.

Загалом вплив в'язкості враховується гідродинамічною поправкою до кавітаційного запасу Δ hн, яка визначається за формулою

Таким чином, допустимий кавітаційний запас насоса при перекачуванні нафти або нафтопродукту дорівнюватиме.

де Δ hдоп.н - допустимий запас кавітації при роботі насоса на нафті або нафтопродукті; Δ hдоп.в - допустимий запас кавітації при роботі насоса на воді.

2.11.2 Розрахунок всмоктувальної здатності магістральних та підпірних насосів

Під час експлуатації насосів на НПС виникає необхідність перевірки виконання умови безкавітаційної роботи. Ця умова полягає в наступному: для того, щоб насос працював без виникнення кавітації, необхідно, щоб фактичний кавітаційний запас насоса Δ hн був не меншим за допустимий кавітаційний запас Δ hдоп.н при даній подачі, тобто:

де z- різниця висотних позначок вільної поверхні рідини в резервуарі та осі насоса, яка називається геометричною висотою всмоктування та позначається Нгв; Нгв = zв + zн; zв – висота нафти в резервуарі; zн – висота заглиблення насоса; р- Абсолютний тиск на поверхні нафти в резервуарі; р- абсолютний тиск на вході в насос;

Втрати напору під час руху нафти між перерізами А–А та В–В.

Малюнок 2.34 - Схема визначення кавітаційного запасу

Віднімаючи з лівої та правої частини рівняння (2.83) натиск

відповідний тиск насиченої пари і групуючи доданки, отримаємо

У загальному випадку знак перед НГВ може бути як "-", як у даному випадку, так і "+", якщо рівень рідини в резервуарі знаходиться нижче осі насоса. Тому остаточно формулу для визначення фактичного запасу кавітаційного насоса запишемо у вигляді:

Перевірка умови безкавітаційної роботи групи послідовно з'єднаних насосів виконується для першого потоку насоса.

Для перевірки умови безкавітаційної роботи основного магістрального насоса рівняння Бернуллі записується для перерізу, взятого на лінії нагнітання підпірного насоса і для перерізу на вході в основний насос.

2.11.3 Поліпшення умов безкавітаційної роботи насосів

Поліпшення умов безкавітаційної роботи нафтових відцентрових насосів, як випливає з виразу (2.86) та (2.87), можна здійснити або зниженням допустимого запасу кавітації, або збільшенням фактичного значення кавітаційного запасу насоса.

Для зниження допустимого запасу кавітації насоса необхідно зробити такі зміни в конструкції насоса, як:

• збільшити діаметр на вході рідини у робоче колесо D 1 , що може призвести до зниження ккд насоса;
• збільшити ширину колеса на вході рідини b 1 ;
• зменшити товщину лопаток біля входу рідини у робоче колесо.

Більше ефективним способомє встановлення передвключеного шнека (див. малюнки 2.4 і 2.8) на вході рідини в робоче колесо насоса, який є осьовим колесом. На відміну від відцентрового робочого колеса, що складається з більшого числа коротких лопаток, шнек має кілька довгих лопатей, при проходженні між якими парова фаза встигає конденсуватися і залишається достатня частина поверхні лопаті, щоб повідомити рідини необхідний напір. Тому ввімкнений шнек здатний пропускати великі обсяги парів рідини без істотного зниження загального напору. Передвімкнений шнек підвищує тиск біля входу в робоче колесо і тим самим забезпечує його безкавітаційну роботу. З метою покращення умов роботи самого шнека зменшують товщину лопатки на вході рідини у шнек, а також збільшують його зовнішній діаметр.

Збільшення фактичного значення запасу кавітації (виходячи з формули (2.87)) можна отримати, зменшуючи втрати напору у всмоктувальній лінії насоса

та збільшуючи висоту заглиблення насоса zн.

У розділі 4.3 було розглянуто кавітацію, що виникає у місцевих гідравлічних опорах при високих швидкостях руху рідини. Аналогічне явище може відбуватися і в лопатевих насосах (зазвичай на вході в колесо насоса). У цьому випадку порушується нормальна робота насоса і падають його експлуатаційні показники. Для запобігання кавітації в гідросистемі після вибору насоса проводять його перевірочний (кавітаційний) розрахунок. При проведенні цього розрахунку визначають запас кавітації на вході в насос

де

і

- тиск та швидкість рідини на вході в насос;

- Тиск насиченої пари рідини.

Для усунення можливості виникнення кавітації ця величина має перевищувати на 10-30% критичний запас кавітації

який задається в паспорті насоса. За відсутності даних щодо допустимого кавітаційного запасу його можна знайти з формули Руднєва

, (53)

де C- Кавітаційний коефіцієнт швидкохідності можна знайти за довідником.

10.5. Динамічні гідродвигуни (гідротурбіни).

У машинобудуванні знайшли застосування динамічні гідродвигуни лопатевого типу - гідротурбіни. Гідротурбіна це гідромашина, зворотна лопатевому насосу. Вони застосовуються на гідроелектростанціях для приводу генераторів, а також у складі гідродинамічних передач автомобілів та тракторів.

11. Об'ємні насоси.

11.1. Загальні властивості та класифікація об'ємних насосів.

В на відміну від динамічних в об'ємних гідромашинах робочий процес відбувається над проточної частини, а замкнутих обсягах - робочих камерах. Під робочою камерою розуміється простір, що поперемінно сполучається з всмоктуючим і напірним трубопроводами.

У насосах безпосередню роботу нагнітання рідини здійснює робочий орган, який називають витіснячем (поршень, плунжер, пластина, зуб шестірні тощо).

З порівняння робочих процесів динамічних та об'ємних насосів випливають загальні властивості останніх у порівнянні з першими.

1. Нерівномірність подачі, що викликана нагнітанням рідини окремими об'ємами (робочими камерами).

2. Герметичність, оскільки об'ємний насос відокремлює напірний трубопровід від всмоктуючого.

3. Самовсмоктування - здатність насоса, розпочавши роботу з повітрям у всмоктувальному трубопроводі, створити досить велике розрядження та підсмоктувати рідину.

4. Жорсткість характеристики, оскільки подача об'ємного насоса залежить від тиску нагнітання.

5. Мала вимогливість до в'язкості рідини, оскільки немає високих швидкостей перебігу.

За характером витіснення робочої рідини об'ємні насоси діляться на поршневі та роторні.

У поршневих насосах витіснення рідини походить з нерухомих робочих камер в результаті зворотно-поступального руху витісняльників.

У роторних насосах витіснення рідини відбувається з робочих камер, що переміщуються в результаті обертального або обертально-поступального руху витіснювачів.

11.2. Поршневі насоси.

Насоси цього типу в залежності від конструкції витіснювача можуть бути поршневими, плунжерними або діафрагмовими (мембранними).

Насоси з поршнем як витіснювач знайшли найбільше застосування, так як вони відносно прості у виготовленні (отже дешеві), надійні в роботі і мають високі експлуатаційні параметри (max = 10-30 МПа).

Плунжерні насоси значно складніше у виробництві, найчастіше вимагають припасування пар тертя і тому істотно дорожче. Але вони можуть створювати дуже високий тиск (p max = 100-150 MIIa).

Діафрагмові насоси мають як витіснювач гнучкий (гумовий або синтетичний) елемент - діафрагму. Максимальний тиск створюваний цими насосами невеликий і обмежується міцністю діафрагми. Однак вони найпростіші у виготовленні.

Характерною рисою всіх насосів цього типу є клапанний розподіл рідини, тобто. для впуску рідини в робочу камеру і для випуску її служать впускний та напірні клапани.

На рис. 23 наведено спрощену конструктивну схему поршневого насоса. При русі поршня 1 (витіснювач) зліва направо напірний клапан 2 закритий, а впускний клапан 3, відкритий, і рідина заповнює робочу камеру 4. При зворотному русі поршня клапан 3 закритий, а рідина через клапан напірний 2 нагнітається в трубопровід. Клапани відкриваються завдяки різниці тисків; а закриваються під дією пружин (на малюнку не показано).

Дуже суттєвим недоліком такого насоса є крайня нерівномірність його подачі Qпо часу tчерез чергування тактів всмоктування та нагнітання (лінія 1 на рис.24, а).

Для зменшення цього насоси роблять багатокамерними (багатопоршневими), коли в одному корпусі укладають кілька робочих камер. На рис. 24, бпредставлено залежність подачі Qпо часу tдля трипоршневого насосу.

Крім того, нерівномірність подачі насоса може бути знижена за рахунок установки в трубопроводі напірного гідроакумулятора (лінія 2 на рис.24, а). Докладніше про гідроакумулятори див. у розділі 13.4.

Для оцінки к.п.д. поршневого насоса може бути використана залежність (48). Однак, для більшості насосів цього об'ємні втрати незначні і об'ємний к.п.д. можна приймати =1. Тоді загальний к.п.д. поршневого насоса визначатиметься твором гідравлічного та механічного

к.п.д.