Чистая положительная высота всасывания

В гидравлическом контуре чистая положительная высота всасывания ( NPSH ) может относиться к одной из двух величин при анализе кавитации :

Доступный NPSH (NPSH _A ): мера того, насколько жидкость в данной точке близка к всплеску и, следовательно, к кавитации. Технически это абсолютный напор минус давление паров жидкости.
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 к кавитации. В случае возникновения кавитации коэффициент сопротивления лопастей рабочего колеса резко увеличится (возможно, полностью остановив поток), а длительное воздействие приведет к повреждению рабочего колеса.

NPSH в насосе

В насосе кавитация сначала возникает на входе в рабочее колесо. ^{[ 1 ]} Обозначая вход i , NPSH _A в этой точке определяется как:

${\text{NPSH}}_{A}=\left({\frac {p_{i}}{\rho g}}+{\frac {V_{i}^{2}}{2g}}\right)-{\frac {p_{v}}{\rho g}}$

где $p_{i}$ – абсолютное давление на входе, $V_{i}$ - средняя скорость на входе, $\rho$ плотность жидкости, $g$ ускорение силы тяжести и $p_{v}$ – давление паров жидкости. Обратите внимание, что NPSH эквивалентен сумме статического и динамического напора, то есть стагнационного напора, за вычетом равновесного напора давления пара, следовательно, «чистого положительного напора на всасывании».

Применяя 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 плотность жидкости постоянна:

${\frac {p_{0}}{\rho g}}+z_{0}={\frac {p_{i}}{\rho g}}+{\frac {V_{i}^{2}}{2g}}+z_{i}+h_{f}$

Использование приведенного выше применения Бернулли для устранения членов скорости и местного давления в определении NPSH _A :

${\text{Net Positive Suction Head}}_{A}={\frac {p_{0}}{\rho g}}-{\frac {p_{v}}{\rho g}}-(z_{i}-z_{0})-h_{f}$

Это стандартное выражение для доступного NPSH в определенной точке. Кавитация произойдет в точке i , когда доступный NPSH будет меньше NPSH, необходимого для предотвращения кавитации (NPSH _R ). Для простых систем с крыльчатками NPSH _R можно определить теоретически: ^{[ 2 ]} но очень часто это определяется эмпирически. ^{[ 1 ]} Примечание. NPSH _A и NPSH _R указаны в абсолютных единицах и обычно выражаются в «м» или «футах», а не в «псиях».

Экспериментально NPSH _R часто определяется как NPSH ₃ , точка, в которой напор насоса снижается на 3 % при заданном расходе из-за снижения гидравлических характеристик. В многоступенчатых насосах падение напора на первой ступени ограничивается 3 %. ^{[ 3 ]}

NPSH в турбине

Расчет NPSH в реактивной турбине отличается от расчета NPSH в насосе, поскольку точка, в которой впервые возникает кавитация, находится в другом месте. В реактивной турбине кавитация сначала возникает на выходе из рабочего колеса, на входе в тяговую трубу . ^{[ 4 ]} Обозначая вход тяговой трубы через e , NPSH _A определяется так же, как и для насосов:

${\text{NPSH}}_{A}=\left({\frac {p_{e}}{\rho g}}+{\frac {V_{e}^{2}}{2g}}\right)-{\frac {p_{v}}{\rho g}}$ ^{[ 1 ]}

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

${\frac {p_{e}}{\rho g}}+{\frac {V_{e}^{2}}{2g}}+z_{e}={\frac {p_{0}}{\rho g}}+z_{0}+h_{f}$

Использование приведенного выше применения Бернулли для устранения членов скорости и местного давления в определении NPSH _A :

${\text{NPSH}}_{A}={\frac {p_{0}}{\rho g}}-{\frac {p_{v}}{\rho g}}-(z_{e}-z_{0})+h_{f}$

Отметим, что в турбинах потери на трение незначительны ( $h_{f}$ ) смягчают эффект кавитации – противоположно тому, что происходит в насосах.

Связь с другими параметрами кавитации

NPSH присутствует в ряде других параметров, имеющих отношение к кавитации. Коэффициент высоты всасывания представляет собой безразмерную меру NPSH:

$C_{\text{NPSH}}={\frac {g\cdot {\text{NPSH}}}{n^{2}D^{2}}}$

Где $n$ – угловая скорость (в рад/с) вала турбомашины, $D$ – диаметр крыльчатки турбомашины. Число кавитации Тома определяется как:

$\sigma ={\frac {\text{NPSH}}{H}}$

Где $H$ — голова турбомашины.

Некоторые общие примеры NPSH

(в зависимости от уровня моря).

Пример номер 1: Резервуар с уровнем жидкости на 2 метра выше приемника насоса, плюс атмосферное давление в насосе на 2 метра на высоте 10 метров, минус потери на трение (скажем, потери в трубе и клапане), минус кривая NPSH _R (скажем, 2,5 метра) предварительно спроектированного насоса (см. кривую производителя) = NPSH _A (имеется) 7,5 метров. (не забывая о пропускной способности). Это соответствует 3-кратному увеличению требуемого NPSH. Этот насос будет работать хорошо, если все остальные параметры верны.

Помните, что режим положительного или отрицательного расхода изменит показания кривой NPSH _R производителя насоса . Чем ниже расход, тем ниже NPSH _R и наоборот.

Подъем из скважины также приведет к отрицательному NPSH; однако помните, что атмосферное давление на уровне моря составляет 10 метров! Это нам помогает, так как дает нам бонусный импульс или «толчок» к всасывающему патрубку насоса. (Помните, что в качестве бонуса у вас есть только 10 метров атмосферного давления и не более того!).

Пример номер 2: Скважина или скважина с рабочим уровнем на 5 метров ниже водозабора, минус 2-метровые потери на трение в насосе (потери в трубе), минус кривая NPSH _R (скажем, 2,4 метра) заранее спроектированного насоса = NPSH _A (доступный) (отрицательный) -9,4 метра. Если добавить к атмосферному давлению 10 метров, то положительный NPSH _A составит 0,6 метра. Минимальное требование составляет 0,6 метра выше NPSH _R ), поэтому насос следует поднимать из скважины.

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

Пример номер 3: Скважина или скважина, работающая при температуре 70 градусов Цельсия (158F) с рабочим уровнем на 5 метров ниже водозабора, минус потери на трение в насосе на 2 метра (потери в трубе), минус кривая NPSH _R (скажем, 2,4 метра). заранее спроектированного насоса минус потеря температуры 3 метра/10 футов = NPSH _A (имеющийся) (отрицательный) -12,4 метра. Прибавив атмосферное давление на 10 метров, получим отрицательный NPSH _A , равный -2,4 метра.

Помните, что минимальное требование составляет 600 мм выше NPSH _R, поэтому этот насос не сможет перекачивать жидкость с температурой 70 градусов Цельсия, будет создавать кавитацию, терять производительность и вызывать повреждения. Для эффективной работы насос необходимо закопать в землю на глубину 2,4 метра плюс необходимые минимум 600 мм, что в сумме составляет 3 метра в яму. (3,5 метра для полной безопасности).

Для правильной работы насоса требуется минимум 600 мм (0,06 бар) и рекомендуемый 1,5 метра (0,15 бар ), напор на высоте «выше» значения давления NPSH _R, требуемого производителем.

Если большой насос установлен неправильно и имеет неправильное значение NPSH _R , может возникнуть серьезный ущерб, что может привести к очень дорогостоящему ремонту насоса или установки.

Проблемы с NPSH можно решить, изменив NPSH _R или изменив расположение насоса.

Если NPSH _A составляет, скажем, 10 бар, то используемый вами насос будет подавать ровно на 10 бар больше по всей рабочей кривой насоса, чем его указанная рабочая кривая.

Пример: Насос с макс. высота давления 8 бар (80 метров) фактически будет работать при 18 бар, если NPSH _A составляет 10 бар.

т.е.: 8 бар (кривая 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, повышая напор. Некоторые насосы могут иметь до 150 и более ступеней для повышения напора до сотен метров.

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б ^с Фрэнк М. Уайт. Механика жидкостей , 7-е изд., стр. 771
^ Пареш Гирдхар, Окто Мониз, Практические центробежные насосы , с. 68
^ «Добро пожаловать в Гидравлический институт» . Архивировано из оригинала 23 марта 2010 г.
^ «Кавитация в реакционных турбинах» . Архивировано из оригинала 10 марта 2016 г.

[fmw-1] Jump up to: ^а ^б ^с Фрэнк М. Уайт. Механика жидкостей , 7-е изд., стр. 771

[2] Пареш Гирдхар, Окто Мониз, Практические центробежные насосы , с. 68

[3] «Добро пожаловать в Гидравлический институт» . Архивировано из оригинала 23 марта 2010 г.

[4] «Кавитация в реакционных турбинах» . Архивировано из оригинала 10 марта 2016 г.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

NPSH в насосе

NPSH в турбине

Рекомендации по проектированию NPSH

Связь с другими параметрами кавитации

Некоторые общие примеры NPSH

Ссылки