ЛекцииГМКН

ряд требований, от выполнения которых зависит надежность их работы. Прежде всего это относится к выбору типоразмера насосов и их числа, который должен производиться в соответствии с необходимыми расходами и напорами, причем особое внимание должно быть обращено на правильный учет гидравлических потерь.

Большое значение имеет выбор высоты установки насоса относительно уровня воды в низовом бассейне, т. е. Hs. Значения вдоп и ∆доп находятся по характеристике насоса, причем учитывается наиболее неблагоприятный режим.

Hs зависит от потерь во всасывающей линии hвс. В связи с этим с целью увеличения Hs и снижения опасности возникновения кавитации следует всегда по возможности уменьшать потери во всасывающем трубопроводе. Для этого длина трубопровода должна быть минимальной (что облегчит запуск насоса, поскольку уменьшит объем заливаемой воды или отсасываемого воздуха), скорость во всасывающем трубопроводе несколько меньшей, чем в напорном, т. е. диаметр несколько больший. Нужно избегать лишних поворотов всасывающего трубопровода, чтобы не создавать дополнительных местных потерь. Если устанавливается приемный клапан для заливки насоса (см. рис. 19.2), то при определении hвс учитываются гидравлические потери и в самом клапане и в решетке. Размер клапана должен быть больше, чем размер трубопровода.

Рисунок 8 Прокладка всасывающего трубопровода и присоединение к насосу напорного трубопровода

10

СШФ СФУ кафедра ГТС и ГМ

Надежность работы и легкость запуска насоса в значительной мере зависят от качества прокладки всасывающего трубопровода. Прежде всего необходимо, чтобы всасывающий трубопровод был полностью герметичным, так как при работе в нем создается довольно глубокий вакуум и через неплотности в стыках будет всасываться воздух, который не только вызывает снижение подачи, но может привести и к срыву вакуума, т. е. к полному прекращению подачи в напорный трубопровод.

Форма и прокладка всасывающего трубопровода должны быть такими, чтобы в нем не могли создаваться «воздушные мешки». Для этого конфузор и всасывающий трубопровод должны быть выполнены так, как показано на рис. 19.8, а. Если же его сделать по рис. 19.8, б, то при заливке в верхней части останется воздушная полость, которая, когда рабочее колесо начнет вращаться, расширится, перекроет все сечение и не даст возможности запустить насос; при запуске с помощью вакуум-насоса будет происходить скапливание воздуха, выделяющегося из воды в процессе работы, что также может привести к «срыву» и прекращению подачи.

Напорный трубопровод на работу насоса влияет значительно меньше. Но поскольку фактическая подача зависит от размера потерь, диаметр напорного трубопровода должен подбираться соответствующим образом.

Средняя скорость в напорном патрубке насосов	достигает 6—7 м/с, а в
напорных трубопроводах она обычно составляет 2—3	м/с. С целью снижения

потерь рекомендуется у напорного патрубка ставить конический диффузор с центральным углом 10—12° ( рис. 19.8, в).

19.4. Кавитационный и абразивный износ насосов

Лопастные насосы являются весьма долговечными машинами и при нормальных условиях эксплуатации могут работать более 20—30 лет. Однако в практике нередко встречаются случаи, когда насос изнашивается значительно быстрее и через каждые 1—2 года приходится производить его капитальный ремонт. Такой износ обычно вызывается кавитацией и абразивным воздействием твердых примесей, содержащихся в перекачиваемой жидкости, или совместным их действием.

Хотя при установке насоса принимаемая высота всасывания находится из условия отсутствия кавитации, при длительной работе иногда обнаруживается довольно интенсивный кавитационный износ, который может являться следствием двух групп факторов: вызываемых условиями эксплуатации и связанных с качеством насоса.

11

СШФ СФУ кафедра ГТС и ГМ

и ∆доп

К эксплуатационным относятся все причины, в результате которых фактический вакуум во всасывающем патрубке больше или фактический кавитационный запас меньше, чем допускаемые. Обычно это объясняется повышенными гидравлическими потерями во всасывающем трубопроводе по сравнению с расчетными значениями (частичное засорение приемной сетки, увеличенное сопротивление клапана, местные нарушения всасывающей линии) или тем, что фактическое значение Hs больше допустимого (например, уровень в нижнем бассейне стоит ниже, чем предполагалось). Обнаружить эти факторы легко путем измерения вакуума во всасывающем патрубке насоса и сравнения его с допускаемым по характеристике для того же расхода.

Причины кавитации, связанные с качеством насоса, проявляются в том, что паспортные его кавитационные характеристики, вдоп не обеспечивают отсутствия кавитации. Как известно, критические значения Hв

и∆ определяются в результате стендовых испытаний при развитой кавитации и устанавливаются точкой срыва. Но в отдельных местах кавитация может зарождаться раньше и, не проявляясь на изменении к. п. д.

идругих показателях насоса, может вызывать ускоренный местный износ. Повышенная кавитационная эрозия может вызываться и отдельными дефектами изготовления или монтажа (неровности, перекосы, увеличенные зазоры и пр.).

Опасными по условиям кавитационного износа являются области, где возникает наиболее глубокий вакуум. В центробежных насосах (рис. 19.9) — это входные участки лопастей рабочего колеса с тыльной стороны А, внутренняя поверхность входного обода Б и зазор уплотняющей кромки С. В зазоре развивается особая форма кавитации, так называемая щелевая, вызываемая местными отжимами потока, где создается дополнительное понижение давления.

12

СШФ СФУ кафедра ГТС и ГМ

Рисунок 19.9 Места наиболее интенсивного износа центробежных насосов

В осевых насосах (рис. 19.10) кавитационные разрушения возникают на входном участке лопастей рабочего колеса с тыльной стороны А, на концах пера лопасти В, на нижней части поверхности сферической камеры рабочего колеса С, на торцах лопастей (щелевая кавитация) D и на поверхности втулки Е. Для снижения интенсивности щелевой кавитации рекомендуется округлять торцевые кромки лопасти (деталь II) или устраивать концевое ребро (деталь 1).

Рисунок 19.10 Места наиболее интенсивного износа осевых насосов

13

СШФ СФУ кафедра ГТС и ГМ

Если перекачиваемая насосом жидкость (вода) содержит твердые частицы, то они оказывают абразивное (изнашивающее) воздействие на элементы насоса. Величина абразивного износа в основном зависит от содержания в воде наносов, относительной скорости в насосе и показателя абразивной изнашиваемости материала.

Как показывает опыт эксплуатации, в центробежных насосах (рис. 19.9) наиболее интенсивному абразивному износу подвергаются лопасти рабочего колеса у входной кромки а и на выходном участке b с рабочей стороны. Попадание твердых частиц приводит к быстрому износу (разработке) уплотняющих зазоров. В осевых насосах (рис. 19.10) наиболее интенсивному абразивному износу подвергаются входные кромки а и выходные участки Ь лопастей рабочего колеса с рабочей стороны, а также лопатки выправляющего аппарата е.

Переносимые с жидкостью твердые частицы вызывают еще одну форму абразивного износа: попадая в сальники и подшипники, они приводят к ускоренному местному истиранию вала. С целью облегчения ремонта часто в этих местах на вал надевается втулка (рубашка), которую можно менять. С этой же целью у насосов предусматриваются сменные уплотняющие кольца.

Кавитационный износ насосов можно уменьшить различными средствами. Прежде всего это эксплуатационные возможности, которые сводятся к тому, чтобы снизить до минимума время работы в кавитационно опасных режимах, по возможности увеличить фактический кавитационный запас (снизить вакуум во всасывающем патрубке). Это можно сделать уменьшением Hs, сокращением потерь во всасывающем трубопроводе.

Большое значение имеет материал, из которого изготовлены рабочие органы; наименее стоек чугун, лучше всего противостоит кавитационному износу нержавеющая сталь, очень хорошую кавитационную и абразивную стойкость имеют некоторые пластмассы и резина. Эти материалы могут использоваться для защиты стальных элементов. Предложен ряд способов нанесения защитных покрытий из полимерных материалов: либо в форме шпатлевки, которая наносится слоем в несколько миллиметров, либо в форме окраски. Основная трудность состоит в обеспечении прочного скрепления (адгезии) покрытия с металлом. Это зависит и от состава покрытия и от способа его нанесения и от качества чистоты подготовки поверхности. В случае достаточно высокого содержания абразивных частиц в воде следует применять специальные песковые или грунтовые насосы.

14

СШФ СФУ кафедра ГТС и ГМ

19.5. Неустойчивая работа насосов

Для нормальной эксплуатации насосов и насосных установок требуется обеспечить устойчивую работу системы насос— трубопроводы. Это значит, что после случайных возмущений, которые могут вызываться различными причинами (временное изменение потребляемого расхода, сопротивления и пр.), режим должен возвращаться к исходному.

Рассмотрим работу, например, насоса и трубопровода при неизменном значении статического напора (вода подается в большой водоем) и проверим, будет ли устойчив режим Р, определяющий фактическую подачу Qф (рис. 19.11, а). Создадим временное увеличение расхода на ∆Q. При этом Hс возрастет, напор насоса H снизится, создастся разность напоров ∆H, направленная против движения воды, которая будет уменьшать ее скорость и расход и воздействовать на возвращение режима в исходную точку Р, как показано стрелками. Если расход временно снизить на ∆Q, то ∆H будет направлен по движению жидкости, что приведет к увеличению скорости и расхода, т. е. к возврату к исходной точке Р, как показано стрелками. Из проведенного анализа видно, что режим Р, определяющий фактическую подачу по рис. 19.11, а, является устойчивым.

Рисунок 19.11 Устойчивые и неустойчивые режимы работы насоса. Помпаж

15

СШФ СФУ кафедра ГТС и ГМ

Рассмотрим теперь для тех же условий быстроходный насос, проверим устойчивость режима Р, показанного на рис. 19.11,6. Увеличим расход на ∆Q. При этом развиваемый насосом напор H возрастет больше, чем Hс, создавшийся перепад ∆H будет направлен по течению жидкости и вызовет еще большее увеличение скорости и расхода. Режим не будет возвращаться к исходному, и, как показано стрелками, будет отклоняться от него до тех пор, пока не достигнет точки Р1 пересечения кривых H и Hс. Если уменьшить расход на ∆Q, то создавшийся перепад ∆H будет направлен против движения жидкости, это вызовет дальнейшее уменьшение скорости и расхода, т. е. приведет к смещению режима в точку Р2. Проведенный анализ показывает, что режим Р на рис. 19.11, б неустойчив и самопроизвольно смещается либо в Р1, либо в Р2.

Из анализа устанавливается также и критерий устойчивости, который связан с наклоном касательных к кривым H и Hс. Режим будет устойчив при условии, что в данной точке пересечения характеристик насоса H и Hс сети соблюдается условие

<

Рассмотрим более сложный случай, когда система обладает еще и емкостью (рис. 19.11, в). Тогда из верхнего резервуара забирается постоянный расход Qп, а уровень в резервуаре и статический напор могут изменяться в зависимости от соотношения между подачей насоса Q и расходом Qп.

Пусть расход Qп попадает в зону перегиба характеристики (точка Р). Положим, расход немного увеличился. Это приведет к рост уровня в резервуаре и к подъему линии Hс, расход увеличится еще более, а это в свою очередь приведет к дальнейшему росту уровня в резервуаре. Так будет продолжаться до тех пор, пока характеристика Hс не достигнет точки А. Здесь расход Q > Qп и уровень в резервуаре продолжает расти, кривая Hс поднимается, но отрывается от характеристики насоса и режим перескакивает из A в В, где подача насоса Q < Qп. Теперь уровень в резервуаре понижается и режимная точка движется по характеристике насоса, пока не достигнет точки С. Здесь опять происходит срыв режима и он переходит в точку D, в которой Q > Qп, что вызывает рост уровня в резервуаре и движение режимной точки от D к А. После этого процесс будет повторяться. Таким образом режимная точка непрерывно движется по

16

СШФ СФУ кафедра ГТС и ГМ

замкнутой кривой ABCD, охватывающей точку Р, уровень в резервуаре изменяется от Н до В, а подача от QB до QD.

Это чрезвычайно интересное явление, которое называют помпажем, представляет собой одну из форм автоколебаний, крайне неблагоприятных для работы насоса и всей системы.

Помпаж может возникать и в установках с центробежными насосами. Положим, имеется система, показанная на рис. 19.11, г, причем потребляемый расход Qп таков, что режимная точка Р лежит на восходящей части характеристики насоса H. Эта точка неустойчива, так как здесь dН/dQ > dHc/dQ. Положим, режим смещается вправо, что сопровождается увеличением подачи насоса Q и ростом уровня в резервуаре. Линия Hс поднимается, достигает точки А, после чего происходит срыв режима и переход его в точку В, расположенную в левом квадранте характеристики. Теперь расход Q идет через насос в обратную сторону и уровень в резервуаре быстро падает. Режимная точка смещается от В к С, Здесь опять происходит изменение режима с С на D, после чего уровень в резервуаре растет, что приводит к смещению режима от D к А. Далее процесс повторяется. Создается автоколебательный процесс, при котором подача насоса изменяется от QB до QD, а уровень в резервуаре от В до H.

Период колебаний при помпаже зависит от характеристик, на пора Н, Hс и площади резервуара.

Чтобы избежать явления помпажа, нежелательно работать на восходящей части характеристики насоса, где dH/dQ > 0. Эту область иногда называют неустойчивой, хотя, если условие dH/dQ< dHc/dQ удовлетворяется во всех точках характеристики, система и здесь будет работать устойчиво.

17

СШФ СФУ кафедра ГТС и ГМ