Jaký je limit na přípustné sací výšce čerpadla?

Obvykle se před instalací čerpadla určí jeho sací výška. Je nutné rozlišovat mezi podtlakovou sací výškou h_vac., charakterizující stupeň vakua, který vzniká na vstupu čerpadla a geometrickou výšku sání h_вс, která určuje výšku osy čerpadla nad hladinou kapaliny.

B vakuový sací zdvih h_cvok závisí především na atmosférickém tlaku, teplotě, měrné hmotnosti čerpané kapaliny, konstrukčních vlastnostech čerpadla atd. Tato výška je obvykle uvedena v katalozích čerpadel při tlaku jedné atmosféry a teplotě vody do 20˚. Pokud se atmosférický tlak liší od normálu, je zavedena korekce.

Je možné stanovit vztah mezi vakuem a geometrickými sacími výškami a poté určit hodnotu h_всpomocí Bernoulliho rovnice.

Na Obr. 25 vybereme srovnávací rovinu 0-0, která se shoduje s povrchem kapaliny v nádrži, a vezmeme stejný povrch jako první řez; Vezmeme druhý úsek u vstupu do pumpy (1-1).

Napišme Bernoulliho rovnici pro vybrané úseky:

kde v – rychlost kapaliny v nádrži; hodnota je velmi malá (téměř V=0);

P_вс a V_вс – tlak a rychlost v sacím potrubí.

Vzhledem k tomu a řešení rovnice (5.22) pro h_вс, dostaneme:

Vzhledem k tomu, že P_а – P_вс = P_cvok a , pak se vzorec (5.23) změní:

Z toho je vidět, že podtlaková sací výška h_cvok se vynakládá na zvednutí kapaliny do výšky h_вс, vytvořit rychlost a překonat odpor v sacím potrubí.

Dále určíme přípustnou výšku h_{Slunce (doplňkové)}

Ze vzorce (5.23) je zřejmé, že maximální teoreticky přípustná sací výška bude dodržena v případě, kdy je výraz v závorce roven nule. Pak:

Ve skutečnosti však výraz v závorce není roven nule, ale čím je menší, tím je h_вс bude toho víc. Nejvýraznější nárůst h_вс při daném průtoku poskytuje snížení tlakové ztráty h_rl(Slunce) a pokles tlaku na vstupu do čerpadla P_вс . Snižte tlak P_вс je omezená.

Pro zajištění normálního provozu čerpadla je nutné, aby tlak na vstupu čerpadla P_вс byl vždy větší než tlak nasycených par P_п čerpaná kapalina při dané teplotě. Pokud tlak P_вс bude rovna nebo menší než P_пpak kapalné páry vytvořené na vstupu čerpadla a ve skříni naruší normální provoz čerpadla, tzn. dojde ke kavitaci, což je při provozu čerpadla nepřijatelné. Proto teoreticky minimální hodnota P_вс rovná se P_п, a hodnota maximální přípustné sací výšky se určí ze vzorce (5.23), pokud místo P_вс náhradník P_п , Pak:

V praxi je však nutné mít na vstupu čerpadla vyšší tlak:

kde ∆P je tlaková rezerva, která zaručuje proti vzniku kavitace, určená podle Rudnevova vzorce /6/:

kde C_k = 800. 1000 v závislosti na konstrukci čerpadla (koeficient kavitační rychlosti).

S přihlédnutím k výše uvedenému můžeme získat vzorec pro určení přípustné sací výšky:

Proto je přípustná sací výška h_{slunce (extra)} závisí na tlaku nasycených par P_п čerpané kapaliny, a tedy na teplotě kapaliny, protože tlak P_п roste s rostoucí teplotou kapaliny, závisí na tlakové rezervě ∆P, na tlakové ztrátě při sání h_rl(Slunce) a typ čerpané kapaliny.

Pro zvýšení geometrické sací výšky h_вс, je nutné snížit veličiny, které ji ovlivňují. Nejprve musíte snížit tlakovou ztrátu h_rl(Slunce), čehož je dosaženo instalací co nejkratšího sacího potrubí o velkém průměru, s minimem zalomení a lokálního odporu. Snížit P_п ve většině případů je to nemožné, pokud P_п závisí na teplotě čerpané kapaliny.

Velikost rychlostního tlaku má na h prakticky malý vliv_вс , protože je ve srovnání s ostatními členy malý a se zvětšujícím se průměrem sacího potrubí ještě více klesá.

Podívejme se podrobněji na fenomén kavitace, který se může objevit během provozu čerpadla, pokud je tlak na vstupu lopatky oběžného kola P_вс bude nižší než tlak nasycených par P_п. V tomto případě dochází k intenzivnímu uvolňování páry ve formě hmoty bublin pohybujících se spolu s kapalinou; kapalina se „vaří“ při dané teplotě. Parní bubliny vstupující do kanálků mezi lopatkami (oblast vysokého tlaku) rychle kondenzují. Okolní částice kapaliny spěchají do vzniklých dutin vysokou rychlostí ze všech stran a po jejich naplnění se kapalina okamžitě zastaví a způsobí hydraulické rázy. Tlak při těchto nárazech dosahuje 1000 atmosfér nebo více. Pokud byly bubliny na stěnách kola nebo krytu, pak jevy nárazu vedou k odštípnutí jednotlivých částí kovu a čerpadlo selže.

Kavitace je detekována hlukem, praskáním a vibracemi při provozu čerpadel. Při kavitaci je narušen normální pohyb tekutiny v oběžném kole a kontinuita proudění tekutiny, což vede ke snížení tlaku, průtoku a účinnosti čerpadla. Aby se zabránilo kavitaci, musí být čerpadlo instalováno tak, aby tlak na vstupu do oběžného kola byl větší než tlak nasycených par čerpané kapaliny, tzn. aby se nad tlakem nasycených par P vytvořila tlaková rezerva ∆P_п, a přípustná sací výška byla určena vzorcem (5.29).

Jednou z hlavních podmínek pro normální provoz hydraulických systémů je absence kavitace. K tomu je nutné, aby tlak v kterémkoli bodě proudění kapaliny byl větší než tlak nasycených par.

Kapalina se pohybuje v sací dráze čerpadla vlivem tlaku na volnou plochu sání vzduchu. Velikost tohoto tlaku je vždy omezená a nejčastěji se rovná tlaku atmosférickému.

U konvenčních konstrukcí odstředivých čerpadel je nejnižší tlak pozorován v blízkosti vstupu do válcové části oběžného kola na konkávní straně lopatek, tzn. kde relativní rychlost ω a odpovídající kinetická energie ω 2 /2, J/kg dosahují svých nejvyšších hodnot, obrázek 2.11, zóna A. Je-li v zóně A tlak roven nebo menší než tlak nasycených par odpovídající teplotě nasávané kapaliny, pak dochází k jevu zvanému kavitace.

Fyzikální obraz kavitace spočívá ve varu kapaliny v zóně nízkého tlaku a následné kondenzaci bublinek páry, když je vroucí voda unášena do oblasti vysokého tlaku. V tomto případě je proces kavitace distribuován po určité délce toku. Kavitace může být lokálním procesem v případech, kdy tlak v úseku pulzuje kolem průměrné hodnoty rovné tlaku nasycených par při teplotě nasávané kapaliny. V tomto případě procesy varu a kondenzace parních bublin probíhají s vysokou frekvencí, pulzujícím způsobem.

Obrázek 2.11. K určení minimálního tlaku v oběžném kole

V každém případě kavitace při rychlé kondenzaci bubliny páry, kapalina, která ji obklopuje, se řítí do středu bubliny (kondenzační centrum) a v okamžiku uzavření jejího objemu, kvůli nízké stlačitelnosti kapaliny, vytváří ostrý bodový úder. Podle moderních údajů dosahuje tlak v místech uzavírání parních bublin při jejich kondenzaci v kavitačních procesech několika megapascalů.

Pokud je bublina páry v okamžiku její kondenzace na ploše omezující proudění, například na pracovní čepeli, pak dopad dopadne na tuto plochu a způsobí lokální destrukce kovu, tzv. pitting. Moderní výzkumy ukazují, že kavitace je doprovázena tepelnými a elektrochemickými procesy, které významně ovlivňují destrukci povrchů průtokové dutiny čerpadel.

Povaha důlkové koroze závisí na materiálu, ze kterého je průtoková část čerpadla vyrobena. Důlkové litinové díly, například pracovní lopatky nízkotlakých čerpadel, tedy vytvářejí houbovitou strukturu s velmi nerovným povrchem a klikatými úzkými trhlinami, které pronikají hluboko do kovu a snižují pevnost součásti. U vysokotlakých čerpadel pracujících při vysokých otáčkách, s díly vyrobenými z běžných konstrukčních a legovaných ocelí, se objevuje důlková korekce v podobě hladkých, jakoby obrobených prohlubní a drážek. Neexistují žádné materiály, které by byly absolutně odolné vůči kavitaci. Heterogenní křehké materiály jako litina a keramika odolávají kavitaci velmi špatně. Z kovů používaných v konstrukci čerpadel jsou nejodolnější vůči kavitaci legované oceli obsahující nikl a chrom.

Kavitace je škodlivá nejen proto, že ničí kov, ale také proto, že stroj pracující v kavitačním režimu výrazně snižuje účinnost.

Provoz čerpadla v kavitačním režimu se navenek projevuje hlukem, vnitřním praskáním, zvýšenou hladinou vibrací a v případě silně rozvinuté kavitace – rázy v průtokové dutině, které jsou pro čerpadlo nebezpečné.

Je obvyklé rozdělit proces kavitace do tří fází. V počáteční fázi je kavitační zóna naplněna směsí kapaliny a více či méně velkých parních bublin. Ve druhém stupni se v kavitujícím toku na ohraničující ploše vytvoří velké dutiny, které se prouděním odtrhnou a znovu vytvoří. Toto je fáze rozvinuté kavitace. Třetím stupněm je superkavitace: celý proudnicový prvek hydraulického stroje leží v oblasti dutiny.

Provoz čerpadla v počáteční fázi kavitace je nežádoucí, ale je přijatelný, pokud jsou části čerpadla vyrobeny z materiálů odolných vůči kavitaci. Ve stádiích rozvinuté kavitace a superkavitace se provoz čerpadla stává nespolehlivým a tudíž nepřijatelným.

Jak již bylo uvedeno dříve, kavitace se obvykle vyskytuje v sací dráze čerpadla na lopatkách oběžného kola, ale kavitační procesy mohou nastat i v tlakových tocích v místech, kde je kapalina odebírána z pracovních lopatek, vodicích lopatek a ovládacích prvků. Opatření k zamezení vzniku kavitace v čerpadlech: omezení rychlosti kapaliny v průtočné dutině čerpadel, využití racionálních tvarů průřezů průtočné dutiny a profilů lopatek, provoz čerpadel v režimech blízkých konstrukčním.

U vícestupňových čerpadel je oběžné kolo nejprve podél dráhy tekutiny nejvíce náchylné ke kavitaci, protože tlak na jeho vstupu je nejnižší. Pro zvýšení kavitačních vlastností těchto čerpadel je před první stupeň instalováno protiproudé axiální kolo nebo šnek sestávající ze dvou nebo tří otáček. Jsou vyrobeny z materiálů odolných proti kavitaci a vyvíjejí tlak na vstupu prvního kola vícestupňového čerpadla, který zabraňuje vzniku kavitace.

Při volbě provozního režimu čerpacího agregátu je nutné se zaměřit na fyzikální vlastnosti vody (tab. 2.2), závislost sací výšky H_в m.vodní sloupec na teplotě vody (tab. 2.3) a závislosti n_s na koeficientu kavitační rychlosti C (tab. 2.4).