Колебания давления за объемными насосами

Колебания давления за насосами возникает под действием колебаний подачи жидкости вследствие ее инерции и упругости.

В теории гидравлического удара колебания давления с колебаниями подачи связывают зависимостью

где и – изменение давления и скорости течения жидкости в некоторой точке трубопровода; – плотность жидкости; – скорость распространения ударной волны.

Пример. Определить колебания давления, вызванные кинематической неравномерностью подачи насоса, если = 0,08, = 0,32, плотность жидкости = 850 Н·с²/м⁴, скорость ударной волны = 1000 м/с, скорость течения жидкости в напорном трубопроводе = 10 м/с.

Колебания скорости при заданных коэффициентах неравномерности подачи определяют по формулам

10 · 0,08 = 0,8 м/с;

10 · 0,32 = 3,2 м/с.

Колебания давления вычисляем по уравнениям:

850 · 10³ · 0,8 = 0,68 МПа;

850 · 10³ · 3,2 = 2,72 МПа.

Колебания подачи и давления, вычисленные с учетом кинематики насоса, могут значительно отличаться от экспериментальных данных.

Кинематическая неравномерность подачи определяется несовершенством торцевого и клапанно-щелевого механизмов распределения потоков жидкости. В чистом виде влияние кинематической неравномерности подачи, очевидно, проявится только при условии полного заполнения полостей цилиндров рабочей жидкостью.

Режимы работы, когда превалирует кинематическая неравномерность подачи, характеризуется весьма умеренным размахом колебаний давления. Для насосов типа НП-43М и НП-89Д размах колебаний давления для этих условий работы не превышает 10…20 % от номинального значения рабочего давления в системе. Характерным является совпадение основной частоты колебаний давления с поршневой частотой насоса. Сопоставление интенсивности колебаний давления и подач по параметрам и позволяет сделать вывод о том, что размах колебаний давления не всегда превышает неравномерность подачи. Для насоса НП-89Д характерно обратное – неравномерность подачи жидкости выше, чем размах колебаний давления, выраженный в относительных величинах, что следует связать с наличием у этого насоса значительного объема жидкости в клапанной коробке. Этот объем жидкости в систему включен последовательно с трубопроводом и оказывает значительное демпфирующее влияние на колебания давления. Подключение аналогичного объема жидкости на выходе из насоса НП-43М приводит к снижению размаха пульсации в 3–4 раза.

Зависимости пульсации давления на участках I, II, III от давления наддува бака при изменении последнего в пределах от 300 до 50 кПа показаны на рис. 3.8 и 3.11. Снижение давления наддува практически не сказывается на размахе колебаний давления до тех пор, пока абсолютное давление в баке превышает 150 кПа (см. рис. 3.8, кривая 3, рис. 3.11, кривая 1). Уровень колебаний давления остается в пределах 2,0 МПа для насоса НП-43М и 4,0 МПа – для насоса НП-89Д.

Рис. 3.11. Кавитационные характеристики насоса НП-89Д

при n = 66 c^-1; р _н = 20 МПа; T = 330 К

Резкое нарастание размаха пульсации наступает после падения давления наддува ниже 100 кПа. Дальнейшее снижение давления наддува до 75 кПа приводит к колебаниям давления, по размаху соизмеримым с давлением нагнетания у насосов НП-43М (рис. 3.8).

Кавитационные режимы работы насосов сопровождаются качественно новыми эффектами. Колебания давления приобретают высокочастотный характер. Частота колебаний давления с наступлением кавитации возрастает на порядок величины.

Насосы с клапанным распределением в меньшей степени, чем насосы с золотниковым распределением, чувствительны к пониженным давлениям на входе. Размах колебаний давления у насоса НП-89Д не превышает 8,0 МПа при снижении давления в баке до 50 кПа (рис. 3.11, кривая 2), а срыв подачи наступает после снижения давления в баке до 100 кПа (рис. 3.11, кривая 1).

Клапанное распределение предотвращает возникновение высокочастотных перетечек жидкости из напорной магистрали в недозаполненные цилиндры насосов. Кратковременные «провалы» давления на входе в насос НП-43М наблюдается в переходных режимах работы системы, например, при резком увеличении подачи насоса. Из рис. 3.8 (кривая 2) следует, что для предотвращения кавитации на этом режиме давление должно превышать 300 кПа.

Размах колебаний давления может в несколько раз превышать значение из-за кинематической неравномерности подачи жидкости. Это обусловлено тем, что на влияют такие факторы, как волновые процессы в напорной линии. В нагнетательном трубопроводе можно выделить прямые волны давления, возникающие у насоса и движущиеся от него, и волны давления, отраженные от емкостей, расположенных на трубопроводе, и движущиеся к насосу. Мгновенные значения давления в сечениях трубопровода представляют собой сумму давлений прямой и отраженной волн. Наибольший размах давления наблюдается в точках, где импульсы давлений складываются. Если колебания давления, возбуждаемые насосом, носят гармоничный характер, совпадение импульсов прямой и обратной волн приводит к возникновению волнового резонанса.

В приближенных расчетах местом резонанса считают сечение напорного трубопровода, расположенные от насоса на расстоянии, равном длине полуволны:

где – длина волны пульсирующего давления; – скорость звука; – преобладающая частота колебаний давления (для насосов ).

При волновом резонансе размах колебаний давления может в несколько раз превышать номинальное рабочее давление. Каждой из составляющих частот соответствует свое критическое расстояние между насосом и емкостью, устанавливаемой на напорном трубопроводе.

Радикальным средством снижения колебаний давления является установка непосредственно на выходе насоса демпфирующей емкости. Гасители колебаний давления аккумуляторного типа малоэффективны. Они снижают за сечением, в котором установлены. На участке от насоса до гасителя в зависимости от длины трубопровода колебание давления может значительно повышаться.

Кавитация сопровождается рядом отрицательных последствий, одним из которых является эрозия – повреждения, возникающие в области замыкания кавитационных каверн. Эрозии подвергаются дроссельные каналы и перемычки золотниковых распределителей насосов. Наиболее распространенной теорией кавитационных разрушений является теория Рэлея, согласно которой пузырьки пара, возникающие в критическом сечении потока, переносятся в зону более высокого давления, где пар конденсируется. Процесс конденсации происходит со значительной скоростью, в результате чего жидкие частицы соударяются. Кинетическая энергия соударяющихся частиц переводит энергию давления в тепловую энергию. В местах схлопывания каверн возникают местные гидроудары. Под действием гидроударов твердые поверхности наклепываются и разрушаются.

Дата добавления: 2015-08-18