Высота всасывания и условия бескавитационной работы насоса

При создании насосных установок насосы могут располагаться как выше (рис. 4.6, а), так и ниже (рис. 4.6, б) уровня перекачиваемой жидкости. В первом случае насосы имеют положительную геометрическую высоту всасывания (определяется как разница отметок оси всасывающего патрубка насоса и уровня свободной поверхности перекачиваемой жидкости), а во втором случае - отрицательную высоту всасывания (подпор).

Для определения геометрической высоты всасывания насоса воспользуемся уравнением Бернулли для сечений 0-0 и 1-1 и плоскости сравнения, совпадающей с сечением 0-0 (рис. 4.6, а):

,

откуда геометрическая высота всасывания

, (4.2)

где - абсолютное давление соответственно на свободной поверхности жидкости 0-0 и в сечении 1-1 всасывающего патрубка насоса;

- потери давления во всасывающей трубе;

- средняя скорость жидкости во всасывающем патрубке;

- коэффициент Кориолиса;

- ускорение свободного падения.

Из уравнения (4.2) видно, что геометрическая высота всасывания не зависит от типа насоса и его технических показателей.

а) б)

в)

Рис. 4.6. Схема насосных установок: а) – расположение насоса выше уровня свободной поверхности перекачиваемой жидкости; б) - расположение насоса ниже уровня свободной поверхности перекачиваемой жидкости;в) – использование вспомогательных (бустерных) насосов

Максимально возможное значение геометрической высоты всасывания в условиях действия на свободную поверхность жидкости атмосферного давления 9,81∙10⁵ Па и плотности жидкости = 880÷1000 кг/м³ ограничивается величиной 10,0÷11,4 м. При действии на поверхность жидкости избыточного давления значения соответственно увеличивается на величину .

Увеличить геометрическую высоту всасывания в соответствии с (4.2) возможно также за счет уменьшения потерь давления во всасывающей трубе (при уменьшении ее длины и потерь в местных опорах) и средней скорости жидкости, которую предлагается ограничивать значениями 0,8÷1,2 м/с.

Для надежной работы насоса необходимо, чтобы абсолютное давление в его внутреннем пространстве в течение всего рабочего цикла превышало давление насыщенных паров перекачиваемой жидкости при данной температуре. При невыполнении этого условия возникает явление кавитации (парообразование и выделение растворенных в жидкости газов с образованием парогазових пузырей при снижении местного давления ниже уровня и практически мгновенное их схлопывание в области давления ), которое приводит к эрозийному разрушению рабочих органов насоса и изменению рабочих параметров и характеристик и даже прекращению работы насоса.

Учитывая, что наименьшее давление жидкости возникает во внутреннем пространстве насоса около его подвижных элементов, необходимо предусматривать так называемый кавитационный запас давления во всасывающем патрубке, исходя из условия

. (4.3)

Минимальное значение кавитационного запаса, при котором начинается уменьшение рабочих параметров - первый критический кавитационный режим, называется критическим . Второй критический кавитационный режим сопровождается резким уменьшением рабочих параметров – давления, подачи. Значение критического кавитационного запаса давления получают экспериментально в результате кавитационных испытаний насоса, так как его достоверное аналитическое определение проблематично из-за сложности гидродинамических процессов.

Гарантированная бескавитационная работа насоса обеспечивается допустимым кавитационным запасом (значения его приводятся в технических характеристиках насосов):

,

исходя из которого по (4.3) определяется минимально возможное давление во всасывающем патрубке насоса . После этого соответственно из (4.2) возможно определить максимально допустимую геометрическую высоту всасывания насоса.

Часто, вместо допустимого кавитационного запаса , в характеристиках насосов приводят значение допустимой вакууметрической высоты всасывания , которая определяется из уравнения

. (4.4)

Подставив значение из (4.4) в (4.3) и решив его относительно , получим

.

По условию бескавитационной работы насоса необходимо, чтобы

, (4.5)

где - действительная вакууметрическая высота всасывания насоса, которая при условии определяется из уравнения (4.2)

.

Для соблюдения условия (4.5) в случае потребности необходимо уменьшать потери давления во всасывающей трубе , в том числе и за счет увеличения ее диаметра. Если эти меры не приводят к выполнению условия (4.5), необходимо уменьшать значение геометрической высоты всасывания вплоть до отрицательного ее значения - подпора (рис. 4.6, в). Следует отметить, что при такой схеме уменьшается вероятность подсоса воздуха насосом.

Для насосов с большими частотой вращения вала и сопротивлением распределительных устройств во всасывающей линии в каталогах приводят не допустимую вакууметрическую высоту всасывания, а необходимое избыточное (манометрическое) давление, которое определяется из уравнения (4.3)

.

Манометрическое давление во всасывающем патрубке в этом случае, как правило, создается вспомогательным (бустерным) насосом 2 (рис. 4.6, в), подача которого должна быть не меньше подачи основного насоса 1, а минимальное избыточное давление - не меньше допустимого . Обычно подачу и давление такого вспомогательного насоса принимают несколько большими, чем указанные значения. При этом избыточная подача отводится через переливной клапан 3.