Вопрос 2.6. Уравновешивание осевого давления

Давление жидкости, находящейся в каналах рабочего колеса, на его внутренние стороны дисков практически уравновешено и не вы­зывает возникновения осевого давления. Давление жидкости на на­ружные стороны дисков рабочего колеса различно (рис. 2.6., а). Вслед­ствие вращения дисков и относительно малого зазора между ними и корпусом насоса давление жидкости на наружные стороны дисков рабочего колеса уменьшается от сечения диаметром D₂, к сечению диаметром D₁. При этом в области от D₂ до D₁ давление на диски ра­бочего колеса равны.

Следует отметить, что давления в этой области могут различать­ся при неодинаковых зазорах между дисками рабочего колеса и кор­пусом насоса. Тогда в результате разности давлений возникает осе­вое давление. Кроме того в области от D₁ до D₂, давление жидкости на диск со стороны всасывания (передний диск) меньше давления на задний диск. Разность этих давлений также приводит к возникнове­нию осевого давления, направленного обычно в сторону всасывания.

Необходимо учитывать, что при определенных режимах работы насоса существенной величины достигает давление струи жидкости, входящей в колесо. Тогда осевое давление может быть направлено в сторону нагнетания.

Для устранения или уменьшения осевого давления применяются различные способы. Лопатки 1 (рис. 2.6.,6), расположенные на зад-

- 50 -

Рис. 2.6. Эпюра осевых сил. Схемы уменьшения осевых сил, действующих на вал

нем диске, уменьшают осевое давление, направленное в сторону вса­сывания. Отверстия в рабочем колесе и уплотнение на нем со сторо­ны нагнетания (рис. 2.6., в) уравнивают давление на поверхностях А. Взаимно противоположное расположение рабочих колес (рис. 2.6., г) и разгрузочная пята 3 (рис. 2.6., д), отжимаемая вправо давлением в камере 1 (камера 2 соединена со всасыванием насоса), уменьшают осевое давление. Для снижения осевого давления применяют также двусторонний подвод жидкости к рабочему колесу, рабочие колеса с дисками различного диаметра (увеличивают диаметр переднего дис­ка или уменьшают диаметр заднего диска).

Вопрос 2.7. Явление кавитации и допустимая
высота всасывания

Неполадки в центробежных насосах возникают в результате не­
соблюдения условий входа жидкости в насос.

-51-

Если в отдельных областях насоса давление понизится до давле­ния насыщенных паров, то в этих областях начнется вскипание жид­кости с образованием в канале воздушных карманов, нарушающих плавность потока. Эти карманы заполняются парами.

Пузырьки паров увлекаются движущимся потоком и, попадая в сфе­ру более высокого давления, конденсируются. Процесс конденсации происходит очень интенсивно. Частицы жидкости, стремясь запол­нить область конденсирующегося пузырька, движутся к его центру с очень большими скоростями. При завершении процесса конденса­ции частицы жидкости внезапно останавливаются, в результате чего кинетическая энергия этих частиц переходит в энергию давления, при­чем местное повышение давления достигает значительной величины (десятков мегапаскалей).

Описанный процесс сопровождается местными гидравлически­ми ударами, повторяющимися десятки тысяч раз в секунду. Это яв­ление называется кавитацией, которая может возникнуть как в ста­ционарной, так и в движущейся части насоса.

Кавитация сопровождается сильным шумом, треском, вибрацией насоса, вызывает разрушение металла, понижает напор, производи­тельность и КПД насоса.

Кроме механического разрушения металла, кавитация вызывает его коррозию. Особенно быстро разрушается чугун. Разрушаются и более стойкие металлы - бронза, нержавеющая сталь. Поэтому в работе насоса нельзя допускать кавитацию, а высота всасывания дол­жна быть такой, при которой возникновение кавитации невозможно.

При эксплуатации центробежных насосов кавитация может воз­никнуть при понижении уровня жидкости во всасывающем резерву­аре ниже расчетного, повышении температуры перекачиваемой жид­кости, неправильной установке и неправильном монтаже насоса.

Высота всасывания определяется расстоянием, отсчитываемым по вертикали от оси колеса насоса до свободного уровня в резервуаре, из которого жидкость откачивается насосом. Если уровень жидкости находится ниже оси насоса, то высота всасывания положительна, а если выше оси насоса (подпор), то отрицательна. Высота всасыва­ния центробежного насоса зависит от ряда факторов: барометричес­кого давления (с уменьшением этого давления всасывающая способ­ность насоса уменьшается); упругости паров перекачиваемой жид­кости, зависящей от ее температуры; вязкости перекачиваемой жид­кости и сопротивления всасывающего трубопровода; кавитационного запаса, необходимого для нормальной работы насоса.

С целью уменьшения потерь во всасывающем трубопроводе умень­шают, по возможности, его длину, делают его более прямым, устанавли­вают минимальное количество арматуры, избегают воздушных мешков,

- 52 -

снижают скорость движения жидкости. Для практических целей высо­ту всасывания центробежного насоса (в м) можно определить с доста­точной точностью по опытной формуле, предложенной С.С. Рудневым:

(2.16)

где - допустимая высота всасывания, отнесенная к горизонталь­ной оси рабочего колеса в м ст. жидкости;

Н_а - давление на свободную поверхность сверх упругости па­ров в м ст. жидкости;,
п - скорость вращения вала насоса в об/мин;
Q - подача насоса в м³/сек (для насоса с двусторонним входом принимается равной половине подачи);

- кавитационный коэффициент, зависящий от быстроход­ности насоса п₅.

При перекачке нефтепродуктов, обладающих небольшой вязкос­тью, явление кавитации несколько ослабляется, так как коэффици­ент теплопередачи нефтепродуктов, меньший, чем у воды, замедляет процесс парообразования, а наличие в составе нефтепродуктов раз­личных фракций углеводородов с различными точками кипения обус­ловливает более плавное изменение характеристики насоса. При пе­рекачке горячих нефтепродуктов жидкость находится под давлени­ем собственных паров (Н_а = 0). Следовательно,

(2.17)

т. е. для работы насоса необходимо создать подпор.