Способ определения кавитационных характеристик насосов и стенд для его осуществления

Изобретения могут быть использованы при стендовых испытаниях насосов любого назначения. Способ принципиально изменяет методику испытаний насосов, упрощая ее и повышая точность результатов. Это достигается тем, что полное давление при входе в насос поддерживается постоянным посредством установленной во входном трубопроводе емкости со свободной поверхностью жидкости, находящейся под постоянным (атмосферным) давлением. Давление насыщенного пара рабочей жидкости на входе в насос изменяют путем ее нагрева. Периодическое измерение необходимых параметров в процессе нагрева жидкости позволяет вычислить искомый кавитационный запас Δh. Способ реализуется посредством стенда, содержащего в замкнутом гидравлическом контуре испытываемый насос, выходной дроссель, расходомер, теплообменник, расходный бак, трубопроводящую арматуру и подсоединенную к контуру при входе в насос емкость со свободной поверхностью рабочей жидкости в сочетании с капсулой из теплопроводного материала. Полость капсулы разделена на две части, одна из которых заполнена частично рабочей жидкостью и загерметизирована, а другая сообщается с контуром. Изобретения направлены на повышение достоверности и упрощение снятия кавитационных характеристик насосов. 2 н.з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Предлагаемый способ применим в области насосостроения, во всех организациях, занимающихся разработкой и исследованием насосов любого назначения.

Кавитационной характеристикой насоса называется зависимость расхода рабочей жидкости и напора насоса Н от кавитационного запаса Δh.

Известен способ снятия кавитационннх характеристик насосов, работающих в замкнутом гидравлическом контуре, на стенде, содержащем насос, входной дроссель, установленный перед насосом, выходной дроссель, соединительные трубопроводы, измерительные приборы. Сущность способа состоит в том, что посредством входного дросселя изменяют полное давление P₁* перед насосом при фиксированном положении выходного дросселя. При этом измеряют полное давление P₁* на входе в насос и другие параметры в соответствии с требованиями ГОСТа 6134-58 “Насосы центробежные, осевые и вихревые”.

Недостатком этого способа является то, что при определенных положениях прикрытия входной дроссель в результате сужения сечения сам провоцирует кавитацию, которая возникает раньше, чем кавитация в насосе, ухудшая работу последнего. В результате кавитационный срыв в насосе наступает на больших давлениях входа, т.е. антикавитационная устойчивость ухудшается.

Недостатком собственно стенда является наличие входного дросселя, которым регулируют давление при входе в насос и который, изменяя сечение подводящего трубопровода, создает условия для развития кавитации в этом сечении, проникающей в проточную часть насоса и нарушающей его работу (см. Карелин В.Я. Кавитационные явления в центробежных и осевых насосах, с.220, фиг.120, с.221. Москва, Машгиз, 1963).

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ снятия кавитационных характеристик насосов и соответствующий стенд, содержащий испытуемый насос, расходную емкость, расходомер, расходный бак и трубопроводную арматуру (SU 1399503 А, КУЗИН Ю.М. и др., 30.05.1988).

Принципиальным недостатком этого способа является невозможность снятия кавитационных характеристик при малых давлениях и, тем более, при разрежении на входе в испытуемый насос 4, т.к., судя по схеме на чертеже, перед испытуемым насосом всегда будет давление, что не позволит получить срывную ветвь характеристики, без которой кавитационная характеристика теряет смысл. Чтобы получить срывную ветвь нужно перед испытуемым насосом 4 создать разрежение в баке 1, но в этом случае кавитационный срыв наступит в подкачивающем насосе и спровоцирует развитие кавитации в насосе 4 на штатных бескавитационных режимах. Получается, что известный способ, в лучшем случае, пригоден лишь для насосов, кавитирующих при достаточно больших входных давлениях.

Недостатком стенда, вытекающим из недостатка способа, является невозможность снятия кавитационной характеристики насоса 4 в полном объеме из-за наличия насоса 2, что делает стенд не отвечающим поставленной задаче, проще говоря, неработоспособным. Следует отметить, что стенд достаточно сложен - содержит атрибуты, без которых можно обойтись: вакуум-систему, систему наддува бака 1, подкачивающий насос 2, дополнительное запорное оборудование.

Поставленная задача состоит в том, чтобы повысить достоверность и упростить снятие кавитационных характеристик насосов.

Технический результат, направленный на решение поставленной задачи, обеспечивается тем, что формируют замкнутый гидравлический контур, прокачивают через него насосом рабочую жидкость, измеряют на заданном режиме полные давления на входе в насос и на выходе из него, измеряют температуру на входе в насос, а также расход жидкости, при этом полное давление на входе в насос поддерживают постоянным, меняют давление насыщенного пара на входе в насос, определяют напор насоса и кавитационный запас по формулам

где Н - напор насоса;

P₂* - полное давление на выходе из насоса;

Р₁* - полное давление на входе в насос;

ρ - плотность, зависящая от температуры;

Δh - кавитационный запас;

Р_s - давление насыщенного пара, зависящее от температуры.

Решаемая задача, относящаяся к стенду, состоит в реализации предлагаемого способа снятия кавитационных характеристик.

Технический результат достигается тем, что в стенде для определения кавитационных характеристик насоса, содержащем установленные в замкнутом гидравлическом контуре испытываемый насос, расходомер, теплообменник, а также расходный бак и трубопроводную арматуру, согласно изобретению к замкнутому контуру перед насосом присоединена емкость со свободной поверхностью рабочей жидкости и капсула из теплопроводного материала с гибкой мембраной, разделяющей полость капсулы на две полости, одна из которых герметично закрыта и заполнена рабочей жидкостью, а другая гидравлически сообщается с замкнутым контуром, при этом между насосом и расходомером установлен выходной дроссель.

На чертеже представлен стенд. Стенд содержит насос 1, двигатель 2, приводящий во вращение насос 1, емкость 3 с патрубком 4, имеющим задвижку 5, выходной дроссель 6, расходомер 7, массотеплообменник 8, расходный бак 9, задвижки 10 и 11, манометры 12 и 13, термопару 14, капсулу 15 с мембраной 16, разделяющей полости 17 и 18 капсулы 15, цифровой регистратор 19, фиксирующий деформацию мембраны 16, соединительные трубопроводы.

Сущность способа поясняется работой стенда. Во входной магистрали устанавливают емкость 3 со свободной поверхностью жидкости, сообщающейся с атмосферой через патрубок 4 при открытой задвижке 5. Запускают двигатель 2, устанавливают при заданной частоте вращения насоса дроссель 6 в положение, соответствующее заданному расходу, нагревают жидкость и периодически по мере нагрева (автонагрева) жидкости при ряде значений ее температуры измеряют полные давления P₁* и Р₂* при входе в насос и при выходе из него, соответственно, манометрами 12 и 13, температуру T₁ при входе в насос - термопарой 14, расход жидкости Q - расходомером 7. После этого вычисляют напор насоса

кавитационный запас

где P_s - давление насыщенного пара (определяется по таблицам как функция температуры);

ρ - плотность жидкости (определяется по таблицам как функция температуры),

и строят кавитационную характеристику.

Поскольку на заданном режиме атмосферное давление Р_H и высота столба жидкости в емкости 3 над осью насоса 1 остается практически с весьма малыми отклонениями неизменной, то и полное давление P₁* также не меняется. Поэтому кавитационный запас Δh фактически является только функцией температуры T₁, т.е.

Таким образом, измеряя в процессе нагрева (автонагрева) жидкости температуру T₁ легко получить искомый кавитационный запас, не прибегая к дополнительным системам вакуумирования или наддува.

Если по каким-либо причинам в контуре нельзя иметь температуру выше допустимой, то в этом случае к контуру подключается посредством задвижки 2 массотеплообменник 8, питаемый холодной водой из расходного бака 9, при этом расход охлаждающей воды (подвод через задвижку 10 и слив через задвижку 12) регулируется так, чтобы допустимая температура в контуре оставалась неизменной. Тогда все описанные выше операции выполняются при автонагреве жидкости в контуре не выше допустимого и навигационная характеристика насоса строится в диапазоне изменения температур T₁ от ее начального значения до допустимого.

Описанный способ применим тогда, когда испытуемые насосы имеют достаточно высокие антикавитационные качества, кавитационный срыв у них наступает при давлении входа P₁* входа, меньшем атмосферного. В том случае, когда заведомо известно, что это давление будет превышать атмосферное, что очень редко, то пространство над свободной поверхностью в емкости 3 наддувают техническим воздухом через патрубок 4 и герметизируют емкость 3 закрытием задвижки 5. Предварительно между насосом 1 и емкостью 3 устанавливают капсулу 15, имеющую две полости 17 и 18, разделенных высокочувствительной мембраной 16, причем полость 17 частично заполняют рабочей жидкостью, а полость 18 сообщают с контуром, оставляя при этом наружное обтекание обоих полостей потоком. Таким образом, в процессе работы насоса в полости 17 будет давление пара P_S рабочей жидкости, а в полости 18 - полное давление P₁*. Под действием перепада ΔР этих давлений мембрана прогнется и выдаст сигнал на цифровой регистратор 19, посредством которого дополнительно к указанным выше измерениям измеряют перепад P₁* - P_S. По измерениям, как и ранее, вычисляют величины Н, Δh и строят кавитационные характеристики.

1. Способ определения кавитационных характеристик насоса, заключающийся в том, что формируют замкнутый гидравлический контур, прокачивают через него насосом рабочую жидкость, измеряют на заданном режиме полные давления на входе в насос и на выходе из него, измеряют температуру на входе в насос, а также расход жидкости, отличающийся тем, что полное давление на входе в насос поддерживают постоянным, меняют давление насыщенного пара на входе в насос, определяют напор насоса и кавитационный запас по формулам

где Н - напор насоса;

Р₂* - полное давление на выходе из насоса;

P₁* - полное давление на входе в насос;

ρ - плотность, зависящая от температуры;

Δh - кавитационный запас;

P_S - давление насыщенного пара, зависящее от температуры.

2. Стенд для определения кавитационных характеристик насоса, содержащий установленные в замкнутом гидравлическом контуре испытуемый насос, расходомер, теплообменник, а также расходный бак и трубопроводную арматуру, отличающийся тем, что к замкнутому контуру перед насосом присоединена емкость со свободной поверхностью рабочей жидкости и капсула из теплопроводного материала с гибкой мембраной, разделяющей полость капсулы на две полости, одна из которых герметично закрыта и заполнена рабочей жидкостью, а другая гидравлически сообщается с замкнутым контуром, при этом между насосом и расходомером установлен выходной дроссель.