Имени академика М.Ф. Решетнёва» (СибГАУ)
АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ КОЛЛЕДЖ
| Рассмотрено на заседании цикловой комиссии ОТД и специальности 21.02.03 «____» ______________2016г | Утверждено председатель ОТД и специальности 21.02.03 _____________(Е.В. Соловьева) «_______» __________ 2016г |
Методические указания
Для выполнения
Практических работ
по МДК.01.01
«Эксплуатация газонефтепроводов и газонефтехранилищ: обслуживание и диагностика»
Специальность: 21.02.03.
Форма обучения: очная
Г.
Практическая работа № 1
Тема: Основные характеристики насоса.
Цель: Актуализация знаний по основным характеристикам насоса
Общие сведения:
Производительность или подача, Q (от долей до десятков, тыс. м3/ч)-кол-во жидкости, проходящей через насос в единицу времени.
Напор насоса – полное приращение удельной механической энергии создаваемое насосом.
Дж/кг
Напор жидкости – полный запас удельной механической энергии в данной точке.
В гравитационных условиях вблизи поверхности земли.
Напор – давление жидкости, выражаемое высотой столба жидкости.
hп = H – (p2-p1)/(ρ·g) – Hг
Мо́щность — физическая величина, равная отношению работы, выполняемой за некоторый промежуток времени, к этому промежутку времени.
Частный случай мощности при вращательном движении:
M — момент силы, ω — угловая скорость, — число пи, n — частота вращения (число оборотов в минуту, об/мин).
Полезная мощность Nп(Вт) - мощность, сообщаемая насосом подаваемой жидкости (Nп = рgQH/1000; практически от 0,1 до неск. МВт).
Мощность на валу N(Вт) - подводимая от двигателя или потребляемая насосом мощность; N = Nп+ΔN, где ΔN-потери мощности на преодоление гидравлич. сопротивлений, внутр. протечки жидкости через зазоры и уплотнения и на трение.
КПД
Коэффицие́нт поле́зного де́йствия (КПД) — характеристика эффективности системы (устройства, машины) в отношении преобразования или передачи энергии. Определяется отношением полезно использованной энергии к суммарному количеству энергии, полученному системой; обозначается обычно η («эта»). η = Wпол/Wcyм. КПД является безразмерной величиной и часто измеряется в процентах. Математически определение КПД может быть записано в виде:
где А — полезная работа, а Q — затраченная работа.
η -отношение Nп/N (на практике η= 0,6-0,9, но бывает 0,2-0,5 и даже 0,1-0,25).
Кавитационный запас. Допустимый кавитационный запас - это минимальный напор при котором не проявляется явление кавитации и обеспечивается работа насоса без изменения основных технических показателей. Напор при котором начинает проявляться кавитация называется критическим кавитационным запасом.
Задание
Трехпоршневой насос перекачивет жидкость с плотностью … кг/м3 из открытой емкости в сосуд под давлением … бара с расходом …м3/час. Геометрическая высота подъема жидкости составляет … метра. Полезная мощность, расходуемая на перекачивание жидкости, составляет … кВт. Необходимо найти величину потери напора.
Решение:
| Параметр | Вариант | ||||||||||||||
| ρ | |||||||||||||||
| Р | 1,6 | 1,8 | 1,4 | 1,1 | 0,8 | 2,2 | 2,5 | 1,9 | 1,4 | 2,1 | 1,7 | 1,5 | 2,4 | ||
| Q | 2,2 | 2,6 | 2,4 | 1,8 | 1,7 | 1,4 | 2,6 | 2,8 | 3,1 | 2,5 | 1,9 | 2,7 | 2,3 | 2,1 | 2,9 |
| Hг | 3,2 | 3,4 | 3,1 | 3,3 | 3,5 | 3,6 | 3,1 | 3,2 | 3,2 | 3,3 | 3,5 | 3,4 | 2,9 | ||
| NП | 3,9 | 4,2 | 4,5 | 3,9 |
Практическая работа №2
Тема: Кавитация. Борьба с кавитацией.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
1. Убедится на практике в существовании явления кавитации в центробежном насосе и уяснить причины ее возникновения.
2. Освоить методику кавитационных испытаний центробежного насоса.
3. Получить в результате испытаний кавитационную характеристику насоса.
4. Изучить методы борьбы с кавитацией.
Теоретические сведения.
Кавитацией называется нарушение сплошности потока жидкости, обусловленное появлением в ней пузырьков или полостей, наполненных паром и газом. Кавитация возникает, когда абсолютное давление в потоке падает до давления насыщенных паров жидкости при данной температуре. При этом из жидкости интенсивно выделяются пузырьки, заполненные парами жидкости и растворенными в ней газами (жидкость закипает). Обычно выделение газа из жидкости незначительно и не оказывает существенного влияния на технические параметры работы насосов, поэтому кавитацию называют паровой. В дальнейшем под термином кавитация будем подразумевать паровую кавитацию.
Выделяющиеся из жидкости в местах пониженного давления пузырьки, заполненные паром, уносятся потоком и, попадая в область с повышенным давлением, конденсируются. При этом частицы жидкости, окружающие пузырьки пара, с весьма большими скоростями устремляются в пространство, занимаемое ранее паром. Происходит столкновение частиц жидкости, сопровождающееся мгновенным местным повышением давления, достигающим сотен и даже тысяч атмосфер. Если конденсация происходит у стенок каналов насоса, то материал стенок быстро разрушается. Причем в первую очередь разрушаются те места, в которых имеются микроскопические трещины на поверхности стенок.
Рисунок 1. Разрушение рабочих колес вследствие кавитации
Например, из чугуна, прежде всего, выбиваются графитовые включения, а затем жидкость, действуя как клин, еще более интенсивно разрушает материал стенок, образуя на их поверхности значительные раковины.
Кроме того, материал стенок подвергается разрушению от химического воздействия воздуха богатого кислородом, и различных газов, выделяющихся из жидкости. Описанный процесс разрушения стенок каналов называется эрозией и является очень опасным следствием кавитации. Разрушения рабочих колес вследствие кавитации приведены на рисунок 1.
Внешним проявлением кавитации является наличие шума, вибрации, падение напора, подачи, мощности и КПД. Очевидно, что работа насоса в кавитационном режиме недопустима.
Возникновение и характер кавитационных явлений определяются кавитационным запасом D h – превышением удельной энергии жидкости при входе в насос над удельной энергией её насыщенных паров
(1)
где р, u – абсолютное давление и скорость на входе в насос; р нп – давление насыщенных паров жидкости на входе в насос, зависящее от рода жидкости и её температуры. Для воды и бензина р нпв кПа приведены в табл. 1.
Таблица 1
| t, оC | |||||||||
| Вода Бензин Б-70 | 0.32 | 1.21 | 1.69 | 2.34 16.3 | 4.24 | 7.37 33.2 | 20.2 55.8 | 48.2 103.3 | 103.3 |
Начальная стадия кавитации определяется критическим кавитационным запасом D h кр – кавитационным запасом, при котором в насосе наблюдается падение напора на 2 % на частной кавитационной характе-ристике (Н = f (D Н)) или на 1 м при напоре насоса более 50 м.
Величину критического кавитационного запаса D h кр можно определить при кавитационных испытаниях насоса по частной кавитационной характеристике или по формуле С. С. Руднева:
(2)
где n – частота вращения, об/мин; Q – подача насоса, м 3 / с; С – кавитационный коэффициент быстроходности, величина которого зависит от конструктивных особенностей насоса и равна: 600–800 – для тихоходных насосов; 800–1000 – для нормальных, насосов; 1000–1200 – для быстроходных насосов.
Работа насоса без изменения основных технических показателей, т. е. без кавитации, определяется допускаемым кавитационным запасом D h доп, вычисляемым по формуле:
(3)
где А – коэффициент кавитационного запаса A = f (D h кр) (А = 1,05–1,3).
Графическая зависимость допускаемого кавитационного запаса от подачи в рабочем интервале подач D h доп= f (Q) называется кавитационной характеристикой насоса (см рис 2.9 и 2.12). Её получают при кавитационных испытаниях насоса по частным кавитационным характеристикам.
Частная кавитационная характеристика – это зависимость напора насоса от кавитационного запаса при постоянной частоте вращения, подаче и температуре жидкости, H = f (D h) (рис. 2.5)
При испытаниях насоса кавитационный запас определяется по формуле:
(4)
где p а, p в – показания барометра и вакуумметра.
Полученные опытным путем значения D h oп приводятся к номинальной частоте вращения n н по формуле:
(5)
и строится частная кавитационная характеристика насоса (см. рисунок 3)
| 
|
| Рисунок 2. Кавитационная характеристика насоса | Рисунок 3. Частные кавитационные характеристики насоса. |
По каждой частной кавитационной характеристике находим D h кр и Q, а затем D h доп (по формуле 3). По значениям D h доп и Q 1 строим кавитационную характеристику D h доп= f (Q) (см. рисунок 2). Контроль работы насоса при его эксплуатации производится по показаниям вакуумметра, установленного на входе в насос.
Связь кавитационного запаса с вакуумом можно найти из выражения
Подставив в него значение абсолютного давления p из формулы (1).
(6)
По аналогии с (6) можно записать выражения для критического и допускаемого вакуума.
Критический вакуум:
(7)
Допускаемый вакуум
(8)
Употребляется также понятие вакуумметрической высоты всасывания Н в, которая связана с вакуумом зависимостью:
или 
(9)
Вакуум на входе в насос зависит от расположения насоса по отношению к свободной поверхности жидкости в приемном резервуаре геометрической высоты всасывания H вс, режима работы насосов и других факторов.
Такая зависимость находится с помощью уравнения Бернулли:
(10)
где h вс – потери насоса во всасывающем трубопроводе.
Максимальная (критическая) высота всасывания, т. е. высота, при которой начинается кавитация, вычисляется по формуле:
или 
(11)
Допускаемая высота всасывания H вс, т. е. высота при которой обеспечивается бескавитационная работа насоса, равна:
или 
(12)
ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ
Установка с замкнутой схемой циркуляции жидкости (рисунок 4) включает в себя: испытуемый центробежный насос 1, бак 3, всасывающий 2 и нагнетательный 6 трубопроводы, задвижку 5, вакуумный насос 4, контрольно-измерительную аппаратуру (манометр 9 и вакууметр 8, диафрагму с подключенным к ней дифференциальным манометром 7, ваттметр 10 и тахометр 11).
Рисунок 4. Схема установки для кавитационных испытаний насоса.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫИ ОБРАБОТКА РАСЧЕТНЫХ
ДАННЫХ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЧАСТНЫХ КАВИТАЦИОННЫХ
ХАРАКТЕРИСТИК
Частные кавитационные характеристики H = f (D h) следует получить для минимальной, номинальной и максимальной подач насоса.
С этой целью необходимо:
1. Включить насос 1 и обеспечить заданную подачу задвижкой 5.
2. Уменьшать ступенчато давление на входе в насос, включением вакуумного насоса 4, начиная с давления, заведомо исключающего кавитацию, и заканчивая при резком падении напора, обеспечивая при этом Qi = const и снимая на каждой ступени показания манометра 9, вакуумметра 8, дифманометра 7 и тахометра 11. Результаты измерений записать в табл. 2.3.
3. Вычислить параметры, необходимые для построения частной кавитационной характеристики: напор насоса Н – по формуле
;
где 
– показания манометра и вакуумметра, расположенных соответственно на напорном и всасывающем патрубках насоса, Па; 
– превышение оси вращения стрелки манометра над точкой подключения вакуумметра, м; 
– средние скорости движения жидкости в напорном и всасывающем трубопроводах, м/с.
Подачу насоса Q – по формуле (2.9); кавитационный запас D h оп по формуле (4).
Если в опытах частота вращения n оп отличается от номинальной n н более чем на 0,5 %, кавитационный запас D h оп необходимо привести к n н по формуле (5). Если же n оп отличается от n н менее чем на 0,5 %, принять D h = D h оп.
4. Результаты вычислений записать в табл. 2 и построить по ним частные кавитациопные характеристики (см. рисунок 3).
Таблица 2
| Измеряемые параметры | Рассчитываемые параметры | ||||||||
| p a, Па | p м, Па | р в, Па | h, мм. рт. ст | n оп, об/мин | H, м | Q л/с | u, м/с | Dh оп, м | Dh, м |
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫИ ОБРАБОТКА ОПЫТНЫХ
ДАННЫХ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КАВИТАЦИОННОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Для получения кавитационной характеристики D h доп= f (Q) необходимо:
1. По каждой частной кавитационной характеристике Hi = f (D h) определить допускаемый кавитационный запас D h доп= А D h кр, предварительно определив критический кавитационный запас D h кр по падению напора на 2 % на кривой Hi = f (D h) и коэффициент кавитационного запаса A = f (D h кр) из табл. 3.
Таблица 3
| h кр, м | 0–2.5 | ³14 | |||||||
| А | 1.3 | 1.25 | 1.2 | 1.13 | 1.1 | 1.09 | 1.08 | 1.07 | 1.06 |
2. Результаты расчетов свести в таблицу 4 и построить по данным этой таблицы кавитационную характеристику D h доп= f (Q) (см. рисунок 2).
Таблица 4
| Q, л/с | D h кр, м | А | D h доп, м |
| Q min Q н Q max | D h кр1 D h кр2 D h кр3 | А 1 А 2 А 3 | D h доп1 D h доп2 D h доп3 |
3. Перечислите меры борьбы с кавитацией.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Что такое кавитация, каковы её внешние признаки?
2. Что называется кавитационным запасом D h и как его определить при испытаниях?
3. Что называется критическим кавитационным запасом D h кр?
4. Что называется допускаемым кавитационным запасом D h доп?
5. Формула Руднева для определения критического кавитационного запаса?
6. Что такое высота всасывания и как она связана с кавитацией?
7. Что называется кавитационной характеристикой и как она изображается графически?
8. Что называется частной кавитационной характеристикой и как её получить при испытаниях?
9. Порядок работы при снятии частной кавитационной характеристики?
10. Как получают кавитационную характеристику центробежного насоса?
Практическая работа №3
Тема: Движение жидкости в рабочем колесе ЦБН.