Чистая положительная высота всасывания
Количество в гидравлическом контуре

В гидравлическом контуре чистый положительный напор всасывания ( NPSH ) может относиться к одной из двух величин при анализе кавитации :

  1. Доступный NPSH (NPSH A ): мера того, насколько близка жидкость в данной точке к вскипанию и, следовательно, к кавитации. Технически это абсолютный напор за вычетом давления паров жидкости.
  2. Требуемый NPSH (NPSH R ): значение напора на стороне всасывания (например, на входе насоса), необходимое для предотвращения кавитации жидкости (указывается производителем).

NPSH особенно важен внутри центробежных насосов и турбин , которые являются частями гидравлической системы, наиболее уязвимыми для кавитации. Если происходит кавитация, коэффициент сопротивления лопастей рабочего колеса резко увеличивается — возможно, полностью останавливая поток — и длительное воздействие может повредить рабочее колесо.

NPSH в насосе

Простая гидравлическая схема нагнетания. Точка O — свободная поверхность всасывания, а точка i — входное отверстие рабочего колеса.

В насосе кавитация сначала возникает на входе рабочего колеса. [1] Обозначая вход как i , NPSH A в этой точке определяется как:

НПШ А = ( п я ρ г + В я 2 2 г ) − п в ρ г {\displaystyle {\text{NPSH}}_{A}=\left({\frac {p_{i}}{\rho g}}+{\frac {V_{i}^{2}}{2g}}\right)-{\frac {p_{v}}{\rho g}}}

где - абсолютное давление на входе, - средняя скорость на входе, - плотность жидкости, - ускорение силы тяжести и - давление паров жидкости. Обратите внимание, что NPSH эквивалентен сумме статического и динамического напоров, то есть напора застоя, - за вычетом равновесного напора давления паров, отсюда "чистый положительный напор всасывания". п я {\displaystyle p_{i}} В я {\displaystyle V_{i}} ρ {\displaystyle \ро} г {\displaystyle г} п в {\displaystyle p_{v}}

Применяем уравнение Бернулли для контрольного объема, охватывающего свободную поверхность всасывания 0 и входное отверстие насоса i , в предположении, что кинетическая энергия в точке 0 пренебрежимо мала, что жидкость невязкая и что плотность жидкости постоянна:

п 0 ρ г + з 0 = п я ρ г + В я 2 2 г + з я + час ф {\displaystyle {\frac {p_{0}}{\rho g}}+z_{0}={\frac {p_{i}}{\rho g}}+{\frac {V_{i}^{2}}{2g}}+z_{i}+h_{f}}

Используя приведенное выше приложение Бернулли для исключения члена скорости и членов локального давления в определении NPSH A :

Чистая положительная высота всасывания А = п 0 ρ г − п в ρ г − ( з я − з 0 ) − час ф {\displaystyle {\text{Чистый положительный напор всасывания}}_{A}={\frac {p_{0}}{\rho g}}-{\frac {p_{v}}{\rho g}}-(z_{i}-z_{0})-h_{f}}

Это стандартное выражение для доступного NPSH в точке. Кавитация возникнет в точке i , когда доступный NPSH меньше NPSH, необходимого для предотвращения кавитации (NPSH R ). Для простых систем с рабочим колесом NPSH R можно вывести теоретически, [2] но очень часто его определяют эмпирически. [1] Обратите внимание, что NPSH A и NPSH R указаны в абсолютных единицах и обычно выражаются в «м» или «футах», а не в «фунтах на кв. дюйм».

Экспериментально NPSH R часто определяется как NPSH 3 , точка, в которой выходной напор насоса уменьшается на 3 % при заданном расходе из-за снижения гидравлических характеристик. В многоступенчатых насосах это ограничивается 3 % падением напора первой ступени. [3]

NPSH в турбине

Расчет NPSH в реактивной турбине отличается от расчета NPSH в насосе, поскольку точка, в которой впервые возникнет кавитация, находится в другом месте. В реактивной турбине кавитация сначала возникнет на выходе из рабочего колеса, на входе в отсасывающую трубу . [4] Обозначая вход в отсасывающую трубу как e , NPSH A определяется так же, как и для насосов:

НПШ А = ( п е ρ г + В е 2 2 г ) − п в ρ г {\displaystyle {\text{NPSH}}_{A}=\left({\frac {p_{e}}{\rho g}}+{\frac {V_{e}^{2}}{2g}}\right)-{\frac {p_{v}}{\rho g}}} [1]

Применяем принцип Бернулли от входа в вытяжную трубу e к нижней свободной поверхности 0 , предполагая, что кинетическая энергия в точке 0 пренебрежимо мала, что жидкость невязкая и что плотность жидкости постоянна:

п е ρ г + В е 2 2 г + з е = п 0 ρ г + з 0 + час ф {\displaystyle {\frac {p_{e}}{\rho g}}+{\frac {V_{e}^{2}}{2g}}+z_{e}={\frac {p_{0}}{\rho g}}+z_{0}+h_{f}}

Используя приведенное выше приложение Бернулли для исключения члена скорости и членов локального давления в определении NPSH A :

НПШ А = п 0 ρ г − п в ρ г − ( з е − з 0 ) + час ф {\displaystyle {\text{NPSH}}_{A}={\frac {p_{0}}{\rho g}}-{\frac {p_{v}}{\rho g}}-(z_{e}-z_{0})+h_{f}}

Обратите внимание, что в турбинах незначительные потери на трение ( ) смягчают эффект кавитации — в противоположность тому, что происходит в насосах. час ф {\displaystyle h_{f}}

Соображения относительно проектирования NPSH

Давление пара сильно зависит от температуры, и, следовательно, также будут зависеть как NPSH R , так и NPSH A. Центробежные насосы особенно уязвимы, особенно при перекачке нагретого раствора вблизи давления пара, тогда как объемные насосы меньше подвержены кавитации, поскольку они лучше способны перекачивать двухфазный поток (смесь газа и жидкости), однако результирующая скорость потока насоса будет уменьшена из-за того, что газ объемно вытесняет непропорционально большую часть жидкости. Требуется тщательное проектирование для перекачивания высокотемпературных жидкостей центробежным насосом, когда жидкость близка к точке кипения.

Резкое схлопывание кавитационного пузыря создает ударную волну, которая может вырезать материал из внутренних компонентов насоса (обычно переднюю кромку рабочего колеса) и создает шум, часто описываемый как «перекачивание гравия». Кроме того, неизбежное увеличение вибрации может вызвать другие механические неисправности в насосе и связанном с ним оборудовании.

Связь с другими параметрами кавитации

NPSH появляется в ряде других параметров, связанных с кавитацией. Коэффициент всасывающей высоты является безразмерной мерой NPSH:

С НПШ = г ⋅ НПШ н 2 Д 2 {\displaystyle C_{\text{NPSH}}={\frac {g\cdot {\text{NPSH}}}{n^{2}D^{2}}}}

Где - угловая скорость (в рад/с) вала турбомашины, - диаметр рабочего колеса турбомашины. Кавитационное число Тома определяется как: н {\displaystyle n} Д {\displaystyle D}

σ = НПШ ЧАС {\displaystyle \sigma ={\frac {\text{NPSH}}{H}}}

Где голова у турбомашины? ЧАС {\displaystyle H}

Некоторые общие примеры NPSH

(на уровне моря).

Пример № 1: Резервуар с уровнем жидкости на 2 метра выше всасывания насоса, плюс атмосферное давление 10 метров, минус потери на трение в насосе на 2 метрах (например, потери в трубах и клапанах), минус кривая NPSH R (например, 2,5 метра) предварительно спроектированного насоса (см. кривую производителя) = NPSH A (доступный) 7,5 метров. (не забывая о расходе). Это равно 3-кратному превышению требуемого NPSH. Этот насос будет хорошо работать, пока все остальные параметры верны.

Помните, что положительный или отрицательный расход изменит показания на кривой NPSH R, заданной производителем насоса . Чем ниже расход, тем ниже NPSH R , и наоборот.

Подъем из скважины также создаст отрицательный NPSH; однако помните, что атмосферное давление на уровне моря составляет 10 метров! Это помогает нам, поскольку дает нам бонусный импульс или «толчок» на входе насоса. (Помните, что у вас есть только 10 метров атмосферного давления в качестве бонуса и ничего больше!).

Пример номер 2: Скважина или скважина с рабочим уровнем на 5 метров ниже впуска, минус 2 метра потерь на трение в насосе (потери в трубе), минус кривая NPSH R (скажем, 2,4 метра) предварительно спроектированного насоса = NPSH A (доступный) (отрицательный) -9,4 метра. Добавление атмосферного давления в 10 метров дает положительный NPSH A , равный 0,6 метра. Минимальное требование - 0,6 метра выше NPSH R ), поэтому насос должен поднимать воду из скважины.

Используя ситуацию из примера 2 выше, но перекачивая воду температурой 70 градусов Цельсия (158F) из горячего источника, создавая отрицательный NPSH, получаем следующее:

Пример номер 3: Скважина или скважина, работающая при температуре 70 градусов по Цельсию (158 по Фаренгейту) с рабочим уровнем на 5 метров ниже всасывания, минус 2 метра потерь на трение в насосе (потери в трубе), минус кривая NPSH R (скажем, 2,4 метра) предварительно спроектированного насоса, минус температурная потеря 3 метра/10 футов = NPSH A (доступный) (отрицательный) -12,4 метра. Добавление атмосферного давления 10 метров дает отрицательный NPSH A , оставшийся -2,4 метра.

Помня, что минимальное требование составляет 600 мм выше NPSH R , поэтому этот насос не сможет перекачивать жидкость температурой 70 градусов по Цельсию, будет кавитировать, терять производительность и вызывать повреждения. Для эффективной работы насос должен быть закопан в землю на глубину 2,4 метра плюс требуемые 600 мм минимум, что в сумме составляет общую глубину 3 метра в яму. (3,5 метра для полной безопасности).

Для обеспечения надлежащей работы насоса требуется минимальное давление напора 600 мм (0,06 бар) и рекомендуемое давление напора 1,5 метра (0,15 бар ), превышающее требуемое производителем значение давления NPSH R.

Серьезные повреждения могут возникнуть, если большой насос был неправильно установлен с неправильным значением NPSH R , и это может привести к очень дорогостоящему ремонту насоса или установки.

Проблемы с NPSH можно решить, изменив NPSH R или переместив насос.

Если NPSH A составляет, скажем, 10 бар, то используемый вами насос будет подавать ровно на 10 бар больше по всей рабочей кривой насоса, чем указано в его рабочей кривой.

Пример: насос с максимальным напором 8 бар (80 метров) фактически будет работать при 18 бар, если NPSH A составляет 10 бар.

т.е.: 8 бар (характеристика насоса) плюс 10 бар NPSH A = 18 бар.

Это явление используют производители при проектировании многоступенчатых насосов (насосов с более чем одним рабочим колесом). Каждое многоярусное рабочее колесо усиливает последующее рабочее колесо, чтобы увеличить напор. Некоторые насосы могут иметь до 150 ступеней или больше, чтобы увеличить напор до сотен метров.

Ссылки

  1. ^ abc Фрэнк М. Уайт Механика жидкости , 7-е изд., стр. 771
  2. ^ Пареш Гирдхар, Окто Мониз, Практические центробежные насосы , с. 68
  3. ^ "Добро пожаловать в Гидравлический институт". Архивировано из оригинала 2010-03-23.
  4. ^ "Кавитация в реактивных турбинах". Архивировано из оригинала 2016-03-10.
Получено с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Net_positive_suction_head&oldid=1182884661"