Для сравнительной оценки различных типов центробежных насосов их объединяют в серии по принципу геометрического подобия рабочих колес. Геометрически подобными называют такие колеса, которые имеют одинаковые соотношения между соответствующими геометрическими размерами (, и т. д.). В каждой серии подобных рабочих колес можно подобрать такое колесо, которое при полезной мощности и наивысшем КПД развивает напор и подачу для воды . Такое колесо называют модельным, или эталонным.
Частоту вращения модельного колеса , характеризующую быстроходность колес данной серии, называют коэффициентом быстроходности или удельной частотой вращения.
Установим связь между коэффициентом быстроходности насоса, его подачей, напором и частотой вращения.
Предположим, что рассматриваемое нами рабочее колесо имеет при какой-то частоте вращения напор и подачу . Это же рабочее колесо будет развивать напор при частоте вращения и подаче . Тогда, воспользовавшись соотношениями (286), (287) и (288), можно записать:
|
|
;
откуда
;
при
. (289)
Тогда
. (290)
Для того чтобы рассматриваемый насос при напоре имел такую же подачу, как и модельный насос (), нужно изменить размеры колеса насоса, сохранив численные значения окружной, входной и выходной скоростей. На основании равенства окружных скоростей при входе можем написать
,
.
При одинаковой входной скорости и подача насосов будет пропорциональна площадям входных сечений.
.
Имея в виду, что , получим
.
После подстановки в последнюю зависимость выражений для по формуле (289) и по формуле (290) получим формулу для определения коэффициента быстроходности насоса:
. (291)
Для насосов с двусторонним входом жидкости в колесо в формуле (291) вместо следует принять .
В настоящее время вместо коэффициента быстроходности вводится понятие удельной частоты вращения , которую определяют по формуле
. (292)
Число аналогично и является критерием подобия лопастных насосов и режимов их работы.
В зависимости от величины коэффициента быстроходности и удельной частоты вращения насоса различают центробежные насосы [8]:
тихоходные | ||
нормальные | ||
быстроходные | ||
осевые и |
Следует указать, что при коэффициенте быстроходности применяют поршневые насосы, так как при малых значениях в лопастных насосах возникают большие гидравлические потери внутри рабочего колеса.
|
|
Явление кавитации
Кавитация (пустотообразование). Кавитация возникает из-за чрезмерного падения давления на всасывающей стороне насоса. Для нормальной работы насоса необходимо, чтобы давление в жидкости в нем было больше давления насыщенных паров жидкости при данной температуре.
При пониженном давлении в рабочем колесе внутри жидкости образуются пустоты, наполненные паром. Пузырьки пара, двигаясь вместе с жидкостью по лопаткам рабочего колеса, попадают в область более высоких давлений, где происходим резкое сжатие и конденсация пузырьков пара. Пузырьки исчезают, и на их место со значительной скоростью устремляется жидкость. В результате - происходят местные гидравлические удары. Если пузырьки находились на поверхности твердых тел, то эти явления ударного характера приводят к выкрашиванию отдельных частей металла и выходу насоса из строя.
Кавитация нарушает нормальное движение жидкости в рабочем колесе насоса, она меняет свое агрегатное состояние – вскипает, подача, напор, мощность и КПД падают; ограничивает высоту всасывания.
Выразим допустимую высоту всасывания через кавитационный допустимый запас, т.е. превышение полного напора во всасывающем патрубке насоса над напором, соответствующим давлению насыщения паров жидкости
, (293)
где | - абсолютное давление во всасывающем патрубке насоса; | |
- скорость жидкости во всасывающем патрубке насоса; | ||
- давление насыщенных паров жидкости. |
Кавитационный запас, при котором возникает кавитация, называют критическим кавитационным запасом . Для установления осуществляют испытания насоса, на основании которых для каждого режима работы строят кавитационную характеристику (рис. 81). Она дает зависимость напора Н и мощности от кавитационного запаса при постоянной частоте вращения n рабочего колеса.
Рис. 81. Зависимость напора, мощности от кавитационного запаса
При кавитационных испытаниях могут возникать два критических режима работы насоса.
1-й критический режим – режим работы насоса, при котором начинается падение напора и мощности и ему соответствует - местная кавитация. При работе насоса в 1-м критическом режиме постепенно уменьшается, и падают и наступает 2-й критический режим. При котором возникает второй кавитационный критический запас , при этом резко увеличивается концентрация пара и парогазовой эмульсии, поток отрывается от лопатки рабочего колеса, быстро снижаются напор и мощность – что приводит к полному прекращению работы насоса.
Тогда .
С учетом коэффициента запаса К = 1,2…1,3 допустимый кавитационный запас:
. (294)
Допустимый кавитационный критический запас по формуле С.С. Руднева:
, (295)
где | - кавитационный коэффициент быстроходности, величина которого зависит от конструктивных особенностей насоса ( = 800…1000); | |
- частота вращения вала насоса. |
Допустимая вакуумметрическая высота насоса:
, (296)
где | - давление насыщенных паров жидкости; | |
- абсолютное давление во всасывающем патрубке. |
Допустимая высота установки насоса. Из уравнения Бернулли:
заменяя из уравнения (293):
Если , то
. (297)