12.6 Контрольные вопросы

1. Методы аналогий – назначение, достоинства и недостатки?

2. Электрогидродинамическая аналогия. Область применения. Достоинства и недостатки?

3. Какие особенности циркуляционного обтекания?

4. В чем заключается условие Чаплыгина-Жуковского?

5. Что является прямой (обратной ) задачей гидродинамики?

6. В каком случае правомерно решать задачи обтекания суперпозиции отдельных решений?

Лабораторная работа 13. Кавитационные испытания центробежного насоса

13.1 Цель работы

Ознакомиться с установкой для проведения кавитационных испытаний, измерительной аппаратурой, методикой проведения испытаний и обработкой опытных данных.

13.2 Задачи работы

• провести кавитационные испытания центробежного насоса и построить кавитационную характеристику;

• по результатам испытаний определить допустимую вакуумметрическую высоту всасывания и высоту всасывания насоса.

13.3 Краткие теоретические сведения

Движение жидкости от свободной поверхности заборного резервуара до поступления потока в рабочее колесо насоса происходит за счет начальной потенциальной энергии перекачиваемой жидкости. Расходование потенциальной энергии жидкости на подъем ее во всасывающую воронку колеса и потери энергии на преодоление сопротивлений всасывающего трубопровода ведут к уменьшению запаса потенциальной энергии жидкости и при известных условиях к кавитации.

Кавитация представляет собой сложное физическое явление, зависящее от гидродинамических качеств машины и физических свойств жидкости. Кавитация начинается при падении давления до значения, равного или меньшего упругости насыщенного пара, и может быть разделена на две фазы: первая – выделение из воды растворенного в ней воздуха в виде пузырьков и образование пара в тех местах потока, где давление понижается до указанного выше значения так, что сплошность потока нарушается и образуются каверны, наполненные паром, и вторая – конденсация пара в кавернах, когда они попадают в зону повышенного давления.

При конденсации пара внутри каверн окружающая их жидкость устремляется к центру с огромной скоростью, происходит столкновение жидких частиц, и возникает гидравлический удар.

В местах смыкания и исчезновения кавитационных каверн повышение давления достигает величины 1500 атм. Громадные давления, возникающие в момент завершения кавитационного гидравлического удара и последующего расширения паровоздушной смеси каверны, вызывают упругие колебания соседних частиц жидкости с частотой звуковых колебаний. Эти вибрации, передаваясь металлу, вызывают быстрое разрушение его поверхности. Гладкие полированные поверхности, отражающие колебания, менее подвержены кавитационному разрушению (эрозии). Неровные поверхности в значительной мере поглощают энергию упругих колебаний, а поэтому интенсивно разрушаются. Разрушению металла, несомненно, способствует также и химическое действие кавитации, так как кислород воздуха в момент его выделения из воды, взаимодействуя с паром, газом и твердым металлом в условиях быстрого и резкого изменения давления и температуры, обладает весьма высокой химической активностью.

Таким образом, основным проявлением кавитации является разрушение лопастей рабочего колеса и корпуса насоса, а также уменьшение подачи, напора и к. п. д. При интенсивном проявлении кавитации наступает полный срыв работы насоса.

В настоящее время не существует достаточно совершенных расчетно-теоретических методов определения . Поэтому для оценки кавитационных качеств насоса и правильного выбора высот всасывания его подвергают кавитационным испытаниям на специальных стендах, которые оборудованы устройствами, позволяющими изменять сопротивление на линии нагнетания, а также приборами для измерения подачи , напора , скорости вращения и мощности N.

Кавитационные испытания проводят для получения характеристики, которая показывает зависимость подачи, напора к. п. д. от вакуумметрической высоты всасывания или от избыточного напора всасывания .

Величиной вакуумметрической высоты всасывания удобно пользоваться для определения высоты всасывания при подаче жидкости из открытых резервуаров, когда на свободную поверхность действует атмосферное давление, и небольших температурах перекачиваемой жидкости. Так как для каждого насоса и режима его работы имеется максимальное значение , выше которого начинается кавитация, испытания заключаются в определении критической величины или во всем диапазоне режимов, возможных при работе данного насоса.

В замкнутых установках изменение осуществляется разрежением над верхним уровнем жидкости в резервуаре с помощью вакуум-насоса (рис. 13.1).

Рисунок 13.1 – Замкнутая установка для исследования характеристик центробежных насосов

В открытых установках (рис. 13.2)изменения достигают закрытием задвижки на всасывании, вследствие чего увеличивается разрежение перед входом в насос при сохранении геометрической высоты всасывания.

Для построения кавитационной характеристики на графике по оси абсцисс откладывают или , по оси ординат – Н, , и N в пределах измеренных величин (рис. 13.3). Затем по данным протокола наносят точки Н, и , полученные при определенных значениях . В определенных границах изменения значения , Н и N остаются неизменными. При некотором значении появляются шумы и потрескивания, обусловленные началом местной кавитации. Изменения значений и Н при этом еще не наблюдается. Дальнейшее понижение или увеличение ведет к уменьшению значений , Н и N и усилению кавитационного шума, что в конечном счете приводит к срыву работы насоса.

Рисунок 13.1 – Открытая установка для исследования центробежных насосов

Рисунок 13.3 – Кавитационная характеристика центробежного насоса

Точно установить момент начала воздействия кавитации на параметры , Н и N не представляется возможным. Поэтому за принимают то ее значение, при котором подача насоса падает на 1 % от своего первоначального значения.

По значению можно определить допустимую вакуумметрическую высоту всасывания , а по последней – .

Построив несколько кавитационных характеристик при разных подачах , определив для каждой подачи и , строят кривую и наносят ее на энергетическую характеристику насоса.

Характер снижения кривых при кавитационных испытаниях зависит от типа рабочего колеса, т. е. от . У лопастных колес с малыми значениями (до 100) кривые , и N почти не изменяются с уменьшением давления на всасывании и резко падают при кавитационном срыве. У лопастных колес с более высокими значениями (100–350) указанные кривые снижаются постепенно до тех пор, пока не будет достигнута точка кавитационного срыва. Для осевых насосов с > 450 нет отчетливо выраженной точки кавитационного срыва, имеется лишь постепенное снижение кривых и .

В насосах этого типа уменьшение наблюдается еще до заметного снижения кривой . Поэтому уменьшение является более надежным критерием оценки приближения к условиям кавитации.