УСТОЙЧИВОСТЬ РАБОТЫ НАГНЕТАТЕЛЕЙ

Для нормальной эксплуатации нагнетателей необходи­мо, чтобы их работа была устойчивой. Это означает, что после случайных возмущений, которые могут быть вы­званы различными причинами (например, изменением напряжения в электрической сети и, как следствие, из­менением частоты вращения рабочего колеса; измене­нием гидростатической составляющей потерь давления; изменением расхода и т. п.), режим работы должен воз­вращаться в первоначальное положение.

Однако в некоторых случаях при работе нагнета­телей в сетях могут возникать неустойчивые режимы. При этом наблюдается резкое изменение подачи и, сле­довательно, резкое изменение мощности электродвига­теля. Такие режимы работы возникают чаще всего в тех случаях, когда характеристика нагнетателя имеет «сед­лообразный» вид.

Возникновение неустойчивых режимов работы

В некоторых случаях при работе нагнета­телей в сетях могут возникать неустойчивые режимы. При этом наблюдается резкое изменение подачи и, сле­довательно, резкое изменение мощности электродвига­теля. Такие режимы работы возникают чаще всего в тех случаях, когда характеристика нагнетателя имеет «сед­лообразный» вид. Рассмотрим, как работает в сети, со­стоящей из водозабора, всасывающего и нагнетательно­го трубопроводов и емкости значительного объема цент­робежный насос, имеющий падающую характеристику (рис. 7.1 а). При случайном увеличении подачи на ве­личину dQ противодавление сети (точка 1)оказывается больше напора, создаваемого насосом (точка 2),сеть будет как бы тормозить работу насоса и режим работы будет стремиться вернуться в первоначальное положе­ние (точка А).

Если подача по какой-либо причине уменьшилась на величину dQ,то напор насоса (точка 3)превысит со­противление сети (точка 4),и насос, увеличив подачу, вернет режим работы в исходное положение (точка А). Такая работа насоса в сети называется устойчивой. При работе в сети одного насоса условие устойчивости име­ет вид:

(7.1)

Проанализируем работу в той же сети насоса с «сед­лообразной» характеристикой (рис. 7.1 б). Пусть рас­четный режим работы определяет точка А. Тогда при увеличении подачи на величину dQ напор, развиваемый насосом, оказывается больше противодавления сети, и подача насоса будет расти. Так будет продолжаться до тех пор, пока режим работы не перейдет в точку Б. При этом Q_Б>Q_А.

Рисунок 7.1 – К анализу устойчивости работы в сети центробежного насоса

Если же подача насоса уменьшится на величину dQ,то сопротивление сети окажется больше, чем развивае­мый насосом напор, и подача будет продолжать умень­шаться до тех пор, пока режим работы не перейдет в точку В. При этом Q_Б<Q_А.

Очевидно, условие устойчивости работы (7.1) в этом случае не выполняется, т. е. расчетный режим работы насоса в сети, определяемый точкой А,является не­устойчивым.

Помпаж

Рассмотрим теперь работу насоса с «седлообразной» характеристикой в сети, включающей емкость (напри­мер, водонапорный бак), рабочий объем которой сопо­ставим с подачей насоса (рис. 7.1 в). В расчетном ре­жиме (точка А) подача насоса Q_А равна расходу потре­бителя Q_п. Если произойдет увеличение подачи насоса на величину dQ,то, как уже установлено, режим рабо­ты не вернется в точку А,и подача насоса будет расти.

Уровень воды в баке начнет повышаться, возрастет гид­ростатическая составляющая потерь напора, и харак­теристика сети пройдет выше. Рабочая точка будет пе­ремещаться по характеристике насоса вверх до тех пор, пока не займет положение точки Б. Режим работы, оп­ределяемый точкой Б, называется критическим, так как малейшее повышение противодавления сети приводит к тому, что режим скачкообразно переходит в точку В. При этом подача насоса Q_В будет меньше расчетной.

Поскольку Q_п > Q_в то уровень воды в баке начнет понижаться, гидростатическая составляющая потерь дав­ления начнет уменьшаться, и характеристика сети рас­положится ниже. Рабочая точка будет перемещаться по характеристике насоса вниз до тех пор, пока не зай­мет положения точки Г,режим работы в которой тоже не является устойчивым, так как незначительное пони­жение уровня воды в баке (например, вследствие инер­ционности процесса) приведет к скачкообразному пере­ходу режима работы насоса в точку Д. При этом про­исходит резкое увеличение подачи. Так как Q_Д>Q_п,то уровень воды в баке начнет повышаться, следовательно, начнет возрастать гидростатическая со­ставляющая потерь давления, и рабочая точка будет перемещаться по характеристике насоса из точки Д в точку Б, достигнув которой, скачкообразно перейдет в точку В и т. д. Скачкообразное изменение режима ра­боты насоса по аналогии с работой поршневой машины получило название помпаж. Помпаж обнаруживается прежде всего по характерному, строго периодическому изменению шума насоса и интенсивным колебаниям на­пора в сети. Работа насоса в условиях помпажа крайне нежелательна и не должна допускаться при эксплуата­ции. Особенно нежелательна она в том случае, если точка В оказывается во II квадранте, т. е. когда режим работы переходит в область отрицательных подач. При отсутствии обратного клапана жидкость пойдет из бака в резервуар через насос (рис. 7.1 г).

Неустойчивая работа может наблюдаться и при ра­боте вентиляторов, имеющих «седлообразные» характе­ристики с перегибом и явно выраженным максимумом. На устойчивости работы нагнетателей может ска­заться параллельное включение, однако вероятность помпажа при прочих равных условиях в этом случае значительно меньше, чем при работе одного нагнетателя. Условие устойчивости при параллельной работе двух нагнетателей имеет вид:

(7.2)

Для предотвращения помпажа следует применять нагнетатели со стабильной формой напорной характе­ристики. При наличии западающего участка характери­стики предотвратить или уменьшить помпаж можно установкой обратных клапанов, обеспечивающих работу нагнетателя в системе с подачами Q>Q_{H max}уменьше­нием частоты вращения рабочего колеса; уменьшением аккумулирующей способности системы; расположением дросселирующей задвижки непосредственно за нагнетателем.

Кавитация

В насосах при достижение определенных условий может возникнуть явление, называемое кавита­цией. Под кавитацией понимают образование при сни­жении гидростатического давления пузырьков газа в толще движущейся жидкости и схлопывание этих пу­зырьков внутри жидкости в зоне, где гидростатическое давление повышается. В лопастном насосе кавитация возникает на лопатке рабочего колеса вблизи ее вход­ной кромки, т. е. там, где скорость потока максимальна.

В месте схлопывания пузырька (т. е. в момент его полной конденсации) возникает резкое увеличение дав­ления (до сотен атмосфер). Если в этот момент пузырек пара находился на поверхности рабочего колеса или лопатки, то удар приходится на эту поверхность, что вы­зывает эрозию материала. Поверхность металла носит выщербленный характер. Процесс разрешения рабочих органов лопастных насосов является наиболее опасным следствием кавитации. Кавитация в лопастных насосах сопровождается резким шумом, треском и даже вибра­цией насосной установки и, что особенно важно, паде­нием напора, мощности, подачи и КПД.

Материалов, имеющих абсолютную устойчивость про­тив кавитационного разрушения, не существует, поэто­му работа насосов в кавитационном режиме не допусти­ма. Это означает, что работа любого лопастного насоса должна осуществляться в бескавитационном режиме.

Рассмотрим физическую картину возникновения ка­витации в лопастном насосе при обтекании потоком лопасти рабочего колеса. Допустим, поток подходит к ло­пасти так, что вточке а линия тока раздваивается (рис. 7.2). Положение точки а для одного и того же насоса зависит от его подачи. Скорость относительного движения жидкости в точке в на тыльной стороне ло­пасти максимальна, поэтому давление в этой точке ми­нимально. Запишем уравнение Д. Бернулли для относительного движения жидкости вдоль струйки, движущейся от точки а к точке в:

(7.3)

В силу того, что точки а и в находятся на достаточ­но близком расстоянии друг от друга, потерями напора на этом участке можно пренебречь, а переносные скоро­сти вращения этих точек можно считать равными.

Если понижать давление p ₁в потоке перед входом в рабочее колесо, оставляя неизменной подачу, то вслед­ствие безотрывного течения жидкости скорости w ₁и w ’₁не изменяются, а давлениев точке в будет понижаться на ту же величину, что и давление в точке а.

Как только по мере снижения давления p ₁ давление в точке достигнет значения давления насыщенных паров p_t,то дальнейшее уменьшение давления в потоке жид­кости на входе в колесо не будет сказываться на величине p ’₁ = p_t. Как видно из уравнения Д. Бернулли, скорость относительного движения потока в точ­ке в, равная

с уменьшением давления р ₁будет уменьшаться. Расход потока в межпластном пространстве остается постоян­ным, вследствие чего струйки жидкости, движущиеся вблизи струйки ab,начнут двигаться с большей относительной скоростью, следовательно, с меньшим давле­нием в них. Таким образом, зона движения жидкости, в которой появляются пузырьки газов, постепенно рас­ширяется с уменьшением давления перед входом потока в рабочее колесо. В тот момент, когда произойдет полный отрыв потока от тыльной стороны лопасти, рез­ко уменьшится напор насоса.

Как видно из приведенных достаточно простых опи­саний этого сложного явления, параметры насоса (на­пор и КПД) начинают меняться при достаточно развив­шейся кавитации. Основным средством, предупреждаю­щим появление кавитации, является создание такого давления во всасывающем трубопроводе, при котором кавитация отсутствует. Как правило, это давление опре­деляется высотой всасывания жидкости при работе насоса.

Кавитационным запасом Δ h н азывается превышение полного напора жидкости во всасывающем патрубке пе­ред рабочим колесом над напором, создаваемым дав­лением насыщенных паров:

,

(7.4)

т. е. существует связь между кавитационным запасом и статической высотой всасывания.

Чем больше кавитационный запас, тем меньше статическая высота всасы­вания и, следовательно, хуже кавитационные качества насоса.

Для определения критического кавитационного запа­са проводят кавитационные испытания насоса. В резуль­тате для каждого режима работы насоса получают так называемую навигационную характеристику, которая представляет собой зависимость напора и мощности насоса от кавитационного запаса при постоянной час­тоте вращения привода и подаче. Типичная кавитацион­ная характеристика приведена на рис. 7.4.

Как следует из приведенных выше рассуждений, при большом кавитационном запасе кавитации в потоке не наступает. При достижении давления p ’₁ = pt начавшаяся кавитация приводит к уменьшению напора и мощности насоса. Режим, при котором начинается падение давления и мощности, называют первым критическим режимом.

У многих тихоходных насосов первый критический режим на кавитационной характеристике не обнаружи­вается. В этом случае приходится ограничиваться вто­рым критическим режимом. В качестве наименьшего ка-витационного запаса принимают либо первый, либо вто­рой критический кавитационный запас. Для предотвра­щения работы насоса в нежелательном кавитационном режиме обычно назначают небольшое превышение до­пустимого кавитационного запаса над критическим, т. е.

Зная критический или допустимый кавитационный запас, можно найти для данной насосной установки до­пустимую статическую высоту всасывания:

Обычно принимают (р_а – p_t)/ρg = 10 м, что соответ­ствует наиболее часто встречаемому случаю всасыва­ния холодной воды при нормальном давлении. В этом случае предыдущее выражение приобретает простой вид:

(7.5)

С. С. Рудневым было предложено уравнение для определения критического кавитациониого запаса, имеющее вид

(7.6)

где С – кавитационный коэффициент быстроходности.

Из выражения (7.6) следует, что кавитационные свойства насоса тем выше, чем больше величина С.

Улучшению кавитационных качеств насоса способствует увеличение входного диаметра и ширины рабочего колеса на входе. Наиболее эффективным является увеличение ширины рабочего колеса на входе, так как в этом случае не толь­ко улучшаются кавитационные качества насоса, но и не ухудшается его КПД.

Другим способом повышения кавитационных качеств насоса является установка на входе в рабочее колесо первой ступени осевого колеса, благодаря чему увеличи­вается давление на входе в колесо центробежного насоса.

Контрольные вопросы

1. Какме нагнетатели устойчивы в работе, а какие нет?

2. Что такое помпаж?

3. Что необходимо предпринимать для предотвращения помпажа?

4. Что такое кавитация?

5. Охарактеризовать понятия «кавитационная характеристика» и «кавитационный запас».

ЛЕКЦИЯ 8