Определение кавитационного запаса насоса

 

Кавитация – процесс образования в жидкости паровоздушных пузырьков в области пониженного давления и их захлопывания в области повышенного давления. Кавитация начинается при понижении абсолютного давления в жидкости на входе в насос до давления насыщенных паров при данной температуре. Кавитация возникает на входе в рабочее колесо первой ступени.

При захлопывании (конденсации) кавитационных пузырьков в области повышенного давления в межлопастных каналах появляется шум в виде потрескивания, скрежета, вибрация, кавитационная эрозия поверхности рабочего колеса, снижается кпд насоса. Также при этом в микрообъемах жидкости повышается давление и температура (теоретически до 10000 К), а также происходят многие другие явления. При сильноразвитой кавитации – суперкавитации может произойти срыв (прекращение) подачи. Кавитация при работе насоса не допустима.

Необходимым условием отсутствия кавитации на входе в насос является превышение полного давления над давлением парообразования , то есть давлением насыщенных паров:

> .

Превышение полного напора на входе в насос над напором парообразования , приведенного к центру тяжести входного сечения насоса, называется кавитационным запасом :

,

где - абсолютное давление на входе в насос;

- средняя скорость движения жидкости во всасывающем патрубке насоса;

- давление насыщенных паров [2, 5, 6, 9].

Питательные, конденсатные и другие насосы, перекачивающие горячие жидкости, для бескавитационной работы должны иметь на входе в насос подпор над осью насоса.

Из уравнения Бернулли, записанного для сечения 0-0 и 1-1 потока относительно плоскости сравнения, проходящего через ось насоса, можно определить (рис.13).

.

Отсюда

.

Подставляя значение в формулу для определения кавитационного запаса , можно получить, что

.

Так как в деаэраторе , то

, м,

где - потери напора во всасывающей линии насоса (определены ранее).

Для конденсатного бака по таблице II-II [2] определяется , а ; для условий данной работы давление насыщения в конденсатном баке меньше статического давления .

Вычисленное значение кавитационного запаса должно быть не менее допустимого , приводимого в технической характеристике выбранного насоса. Если же < , то нужно увеличить подпор.

Для защиты от кавитационного разрушения (эрозии) рабочего колеса первой ступени насоса перед ним устанавливается предвключенное шнековое устройство (приложение Л), создающее дополнительный подпор. С течением времени эксплуатации насоса в условиях эрозионно-активной стадии кавитации это устройство будет разрушаться.

7. Порядок оформления и защиты курсовой работы

 

7.1. Порядок оформления работы

 

1. Пояснительная записка оформляется на стандартных листах бумаги формата А4, которые скрепляются степлером или сшиваются. Листы должны иметь рамку и малый штамп высотой 15 мм внизу листа.

2. Каждый пункт расчета должен иметь наименование и минимум необходимых пояснений. Надписи и подписи должны быть четкими и аккуратными.

3. У всех размерных величин должна быть проставлена размерность (в формулах и для результатов вычислений).

4. Графики, схемы и рисунки выполняются на листах белой или миллиметровой бумаги; они должны иметь нумерацию, заголовки, обозначения параметров и ссылки на них в основном тексте.

5. Первый лист записки – «Содержание» с указанием номеров страниц начала разделов и подразделов работы, второй лист – «Задание» с указанием номера варианта и численных значений исходных параметров.

6. Результаты расчетов по возможности представляются в табличном или графическом виде.

7. В конце работы даются краткое заключение и список литературы, на которую делаются ссылки по ходу расчетов.

8. Титульный лист записки оформляется без рамки согласно образцу, имеющемуся на кафедре.

9. Чертеж на формате А2 или А3 оформляется в соответствии с правилами оформления чертежей с рамкой и заполненными штампами и прилагается к пояснительной записке.

10. Неправильно или небрежно оформленная работа не рассматривается.

 

 

7.2. Порядок защиты работы

 

1. Представить в указанный срок должным образом оформленную работу.

2. Быть готовым дать полные и грамотные ответы на практические вопросы расчетов и выбора оборудования, а также на теоретические вопросы, примерный перечень которых приводится ниже.

3. Повторить основной материал теоретических разделов курса, относящихся к тематике курсовой работы.

 

 

7.3. Контрольные вопросы

 

1. Изобразить процесс расширения пара в турбине с противодавлением при расчетном расходе пара и при регулировании расхода дроссельным клапаном на - диаграмме.

2. Что такое относительный внутренний к.п.д. турбины и как его учитывают?

3. Изменение к.п.д. при нерасчетных (переменных) режимах работы ступени и турбины.

4. Объемный расход пара на выходе из турбины и причины его изменения для турбин с противодавлением.

5. Треугольники скоростей турбинной ступени для расчетного и переменных режимов.

6. Расчет внутренней и электрической мощности турбины.

7. Определение расхода теплоты на турбоустановку.

8. Тепловая нагрузка технологического теплового потребителя.

9. Удельная выработка электроэнергии на тепловом потреблении и ее зависимость от различных факторов.

10. Порядок теплового расчета осевой турбинной ступени от начальных и от конечных параметров пара.

11. Особенности теплового расчета ступени в переменном режиме.

12. Расчет объемного расхода воздуха, подаваемого в котел.

13. Особенности выбора дутьевого вентилятора котельного агрегата.

Что называется насосом?

15. Что называется подачей, напором, полезной мощностью и мощностью насоса?

16. Как определяется полный напор насоса по показаниям манометра и вакуумметра?

17. Что характеризует объемный, механический, гидравлический и полный к.п.д. насоса?

18. Принцип действия центробежного насоса.

19. Из каких основных частей состоит центробежный насос?

20. Как осуществляется разгрузка осевого усилия, действующего на рабочие колеса в многоступенчатых насосах?

21. Как подбирается насос для сети (трубопровода) и когда считается правильно подобранным насос?

22. Как записывается уравнение Эйлера для центробежного насоса?

23. Треугольники скоростей на входе и выходе из рабочего колеса насоса.

24. Способы регулирования подачи при работе центробежного насоса на сеть и их сравнительная оценка.

25. Когда возможно в насосе возникновение кавитации и как ее устранить?

26. Что представляет собой допустимый кавитационный запас насоса?

27. Как определяется высота всасывания насоса?

Библиографический список

 

1. В.Я. Рыжкин. Тепловые электрические станции. –М.: Энергоатомиздат, 1987. –328 с.

2. Ривкин С.Л., Александров А.А. Теплофизические свойства воды и водяного пара. –М.: Энергия, 1980. –422 с.

3. А.В. Щегляев. Паровые турбины. –М.: Энергия, 1976.

4. Смирнов А.Д., Антипов К.М. Справочная книжка энергетика. 5-е изд., перераб. и доп. –М.: Энергоатомиздат, 1987. –568 с.

5. Черкасский В.М. Насосы, вентиляторы, компрессоры: Учебник для теплоэнергетических специальностей вузов. –2-е изд., перераб. и доп-е. –М.: Энергоатомиздат, 1984. –416 с.

6. Нагнетатели и тепловые двигатели / В.М. Черкасский и др. –М.: Энергоатомиздат, 1997. –384 с.

7. Елизаров Е.П. Теплоэнергетические установки электростанций. –М.: Энергия, 1967. –256 с.

8. Справочник по гидравлическим расчетам / Под ред. П.Г. Киселева. 4-е изд., перераб. и доп. –М.: Энергия, 1972. –312 с.

9. Малюшенко В.В., Михайлов А.К. Энергетические насосы. Справочное пособие. –М.: Энергоиздат, 1981. –1994 с.

10. Самойлович Г.С., Трояновский Б.М. Переменные и переходные режимы в паровых турбинах. –М.: Энергоиздат, 1982. –496 с.

11. Справочник проектировщика /Под ред. А.А. Николаева – Проектирование тепловых сетей. – М.: 1965. – 360 с.

 

Приложение А

(справочное)

Рисунок А.1 – Номограмма Кольбрука-Уайта

для определения коэффициента сопротивления трения

Приложение Б

(справочное)

 

Таблица Б.1 Расстояние между опорами трубопроводов

 

Условный диаметр труб, мм	Компенсаторы П-образные	Компенсаторы сальниковые	Самокомпенсация
Расстояние между неподвижными опорами в м при парамет-рах теплоносителя: кгс/см2,
	-	-	-
		-
		-
		-
		-
		-
Приложение таблицы Б.1 приложения Б

Приложение В

(справочное)

 

Таблица В. 1 Коэффициенты местного сопротивления некоторых элементов

Трубопроводного тракта

 

Вид арматуры или фасонной части	Коэф. сопр.
Задвижки сверхвысоких параметров: мм мм	0,4 0,7
Вентили запорные проходные литые всех диаметров	3 - 5
Клапаны обратные вертикальные типа «Захлопка»	1,5 - 3
Обратный клапан нормальный
Компенсаторы гнутые из труб гладкие лирообразные и П-образные	1,7
Компенсаторы линзовые обновленные: мм мм	1,5 1,2
Компенсатор сальниковый	0,3
Колена гнутые радиусом при угле поворота: 90о 45о	0,1 0,06
Отводы сварные двухшовные под углом 90о	0,6

 

Приложение Г

(справочное)

 

 

 

Рисунок Г – Поле характеристик питательных электронасосов

 

Приложение Д

(справочное)

 

Рисунок Д.1 – Поле характеристик конденсатных насосов

 

 

Приложение Ж

(справочное)

 

Таблица Ж.1 – Основные технические характеристики питательных насосов

 

Типоразмеры	Подача, м3/с	Напор, м	Давление насоса, МПа	Давление на входе в насос МПа	Допустимый кавитационный запас, ,м не менее	К.п.д., %, не менее	Мощность, кВт
ПЭ-65-45	0,018		3,9	0,68
ПЭ-65-53	0,018		5,2	0,68
ПЭ-100-53	0,028		5,2	0,68
ПЭ-150-53	0,042		5,2	0,68
ПЭ-150-63	0,042		6,2	0,68
ПЭ-150-145	0,042		14,2	0,68
ПЭ-250-180	0,069		17,6	0,78
ПЭ-270-150	0,075		14,7	0,78
ПЭ-380-185	0,105		18,1	0,98
ПЭ-380-200	0,105		19,6	0,98
ПЭ-500-180	0,139		17,6	0,98
ПЭ-500-185	0,161		18,1	0,98
ПЭ-580-200	0,161		19,6	0,98
ПЭ-600-300	0,167		29,4	2,35
ПЭ-720-185	0,200		18,1	0,98
ПЭ-780-185	0,217		18,1	0,98
ПЭ-780-210	0,217		20,6	0,98
ПЭ-900-185	0,250		18,1	0,98

 

Примечания:

1. Обозначение насоса: ПЭ – питательный электронасос; первая цифра – подача, м³/ч; вторая цифра – давление насоса, кгс/см²; возможны дополнительные цифры, обозначающие конструктивную модификацию насоса.

 

2. Допустимый кавитационный запас отнесен к оси насоса, он не зависит от температуры перекачиваемой жидкости.

 

Приложение К

(справочное)

 

Таблица К.1 – Основные технические характеристики конденсатных насосов

 

Тип насоса	Подача, м3/с	Напор, м	Допустимый кавитац-ый запас, ,м не менее	Давление на входе в насос, МПа	Частота вращения, об/мин	Мощность, кВт	К.п.д., %, не менее
Кс-12-50 Кс-12-110 Кс-20-50 Кс-20-110	0,0033 0,0033 0,0055 0,0055		1,6 1,6 1,8 1,8	0,392 0,392 0,392 0,392		3,6 8,5 5,0 12,5
Кс-32-150	0,0088		1,8	0,392		22,0
Кс-50-55 Кс-50-110	0,0138 0,0138		1,8 1,8	0,980 0,980		11,9 23,8
Кс-80-155	0,0222		1,6	0,980		52,0
Кс-125-55 Кс-125-140 КсВ-200-130 КсВ-200-220	0,0347 0,0347 0,0555 0,0555		1,6 1,6 2,0 2,0	0,392 0,392 0,392 0,392		28,4 77,0 100,0 168,8
КсВ-320-160	0,0888		1,6	0,980		168,0
КсВ-500-85 КсВ-500-150 КсВ-500-220	0,1388 0,1388 0,1388		1,6 1,6 2,5	0,980 0,980 0,980		154,0 272,0 400,0

 

Примечания:

1. Обозначение насоса: Кс – конденсатный насос (В – вертикальный); первая цифра – подача, м³/ч; вторая – напор насоса, м.

 

2. Допустимый кавитационный запас не зависит от температуры и отнесен к оси насоса при горизонтальном исполнении или к центру входного патрубка при вертикальном исполнении.

 

3. Мощность насоса дана при кг/м³.

 

 

 

Приложение Л

(справочное)

 

1 – опора ротора; 2 – кронштейн подшипника; 3 – разъемная втулка; 4 – натяжной фланец; 5 – концевое уплотнение;

6 – крышка всасывания; 7 – предвключенное осевое колесо; 8 – корпус секции; 9 – рабочее колесо первой ступени;

10 – направляющий аппарат; 11 – уплотняющее кольцо; 12 – кольцо межступенчатого уплотнения;

13 – резиновое уплотнительное кольцо; 14 – подушка; 15 – крышка нагнетания; 16 – разгрузочный диск гидропяты;

17 – вал; 18 – упруго-пальцевая муфта

 

Рисунок Л.1 – Конденсатный насос Кс-80-155

Приложение М

Пример выполнения курсовой работы

 

Исходные данные (из таблицы 1):

 

кг/с; МПа; ^оС; МПа;

МПа; ^оС; ; ^оС.

 

Параметры последней ступени турбины (таблица 1):

 

; м; ; ^о;

м; ^о; м.

 

Задаемся также мм и мм.

 

мм; мм.

 

 

1.1. Упрощенный расчет ПТС

 

По - диаграмме (88 бар, 535 ^оС) = 3475 кДж/кг – энтальпия свежего пара.

Давление в деаэраторе ; МПа.

Из построения на - диаграмме кДж/кг.

По формуле (1)

 

кДж/кг.

 

кДж/кг.

 

Для решения системы (2) записываем кДж/кг и находим

 

кДж/кг ([2, табл. II-1]);

 

кДж/кг ([2, табл. II-1]);

 

кДж/кг ([2, табл. II-2]).

 

Последние три энтальпии определены для состояния насыщения воды.

Подставляя эти значения в последнее уравнение системы (2) и заменяя

;

 

;

 

, получаем:

 

;

 

;

 

; кг/с.

 

Далее определяем:

 

кг/с;

 

кг/с;

 

кг/с.

 

Все расходы определены.

Электрическая мощность турбины равна

 

;

 

кВт.

 

Определяем нагрузку производственного теплового потребления по формуле (4):

 

кВт.

 

Удельная выработка электроэнергии на тепловом потреблении определяется по формуле (3):

 

.

 

1.2. Упрощенный тепловой расчет последней ступени турбины (только первое приближение).

 

Исходные данные для расчета ступени приведены ранее. Расчет ведем по пунктам раздела 4 c использованием i,s -диаграммы.

1) Параметры пара после турбины при МПа = 13 бар

составляют:

кДж/кг: м³/кг; ^оС.

 

2) Расчет по параметрам рабочей решетки

2.1. Принимаем м³/кг;

 

2.2. Выходная площадь решетки м²;

 

2.3. Относительная скорость м/с;

 

2.4. Принимается ^о;

 

2.5. При окружной скорости м/с

 

абсолютная выходная скорость равна

 

м/с.

 

2.6. Потери с выходной скоростью Дж/кг = 20,4 кДж/кг.

 

3) Параметры пара за рабочим колесом из построения на - диаграмме:

 

м³/кг;

 

кДж/кг.

 

4) Уточнение параметров и :

 

м/с;

 

м/с;

 

Дж/кг = 19,4 кДж/кг;

 

кДж/кг.

 

5) Потеря энергии в рабочей решетке

(при ) равна:

Дж/кг = 5,95 кДж/кг.

 

6) Определяем положение точки 3 на - диаграмме

 

кДж/кг.

 

7) Располагаемый теплоперепад рабочей решетки

 

кДж/кг.

(Здесь Дж/кг = 70,3 кДж/кг.)

 

8) Отложив , получаем кДж/кг.

В данном случае , такое иногда бывает в ступенях с малой степенью реакции.

 

По диаграмме определяем бар = 1,32 МПа.

 

9) Скорость ₁ определятся как

 

м/с.

 

10, 11) При построении выходного треугольника скоростей определяют

 

,

 

тогда ^о.

 

12) Перепад энтальпий, срабатываемый на сопловой решетке

кДж/кг.

 

13) Теоретическая скорость

 

м/с.

 

14) Коэффициент скорости сопловой решетки

 

.

 

15) Скорость выхода из сопел

 

м/с.

 

16) Потери в соплах

 

Дж/кг = 3,3 кДж/кг.

 

17) По диаграмме определяют кДж/кг;

 

кДж/кг; м³/кг.

 

По построению на - диаграмме МПа, м³/кг.

 

Входная скорость потока оценивается как

 

м/с,

 

Параметры пара перед ступенью определяют при кДж/кг,

 

тогда МПа; м³/кг; кДж/кг.

 

18) Из входного треугольника скоростей определяют

 

.

19) Далее студенты самостоятельно определяют по формуле

 

и уточняют величины (сл) и (сл) для следующего приближения по формуле

(сл)= и (сл)= (сл) – ( - ),

 

После схождения итерационного процесса далее используют результаты последнего приближения.

Вначале строят треугольники скоростей, аналогично рис. 5.

 

20) Удельная работа на лопатках ступени

 

кДж/кг.

21) Располагаемая удельная энергия ступени

 

кДж/кг.

22) Относительный лопаточный к.п.д.

 

%.

23) Относительный внутренний к.п.д.

 

%.

Низкое значение объясняется тем, что в примере пп.20-23 выполнены по результатам расчета только в первом приближении

 

 

1.3. Выбор дутьевого вентилятора

 

Расход теплоты на турбоустановку

 

;

 

кВт.

 

Расход теплоты топлива

 

кВт.

 

Расход природного газа на котел

 

м³/с.

 

Объемный расход воздуха при 30 ^оС:

 

м³/с.

 

Расчетная подача воздуха вентилятором

 

м³/с.

 

Исходя из данных таблицы 3, на котел может быть установлен вентилятор типа ВДН-28-IIу либо 2 параллельно работающих вентилятора ВДН-22-IIу. Последние имеют более близкую к заданной кПа величину расчетного напора кПа, что обеспечивает меньшую установленную мощность приводных электродвигателей. Далее студент определяет мощность вентилятора для режима расчетной нагрузки.

 

1.4. Выбор насоса для сети

 

Исходные данные: Схема а) – линия питательной воды

 

кг/с; МПа; МПа; м;

м; м; м.

 

Определяем объемный расход питательной воды

 

,

 

где - плотность питательной воды, зависящей от давления.

 

Во всасывающей линии насоса: при МПа удельный объем кипящей воды м³/с и температура ^оС ([2] табл. II-1)

кг/м³.

 

Объемный расход питательной воды во всасывающей линии насоса

 

м³/с.

 

В напорной линии насоса:

 

при МПа

 

удельный объем воды м³/кг ([2] табл. II – III)

 

плотность кг/м³.

 

Объемный расход воды в напорной линии

 

м³/с.

 

Определяются диаметры всасывающей и напорной линий

Для всасывающей линии м/с:

 

м = 381 мм.

 

Выбирается из нормального ряда (ГОСТ 355-80) мм.

Уточненная скорость

 

м/с.

 

Для напорной линии м/с:

 

м = 209 мм.

 

Выбирается мм.

Уточненная скорость

 

м/с.

 

Устанавливаются режимы движения воды во всасывающей и напорной линиях по числу Рейнольдса

 

,

где - динамический коэффициент вязкости берется из ([2] табл. II-V).

Для всасывающей линии с учетом подпора м давление составляет МПа. Значение динамического коэффициента следует брать для воды (над чертой), а не для водяного пара, т.е. при МПа и ^оС

 

при ^оС мкПа∙с

при ^оС мкПа∙с.

 

мкПа∙с

 

 

Для напорной линии при МПа и ^оС

 

при ^оС мкПа∙с

при ^оС мкПа∙с.

 

 

мкПа∙с

 

 

,

 

.

 

Предельное число Рейнольдса, при превышении которого наступает квадратичная зона сопротивления

 

,

 

.

 

Следовательно и , и имеет место квадратичная зона сопротивления турбулентного режима движения воды.

Определяются коэффициенты сопротивления трения

 

,

 

.

 

Определяются значения для всасывающей и напорной линий сети

 

.

 

Значения коэффициентов местных сопротивлений берутся из таблицы В.1 приложения В

 

,

 

с²/м⁵,

 

,

 

,

 

, с²/м⁵.

 

Определяется статический напор

 

,

 

где · · МПа; МПа.

 

м.

 

Характеристика сети

 

.

 

Строится характеристика сети

 

при м;

 

при м³/с м;

 

при м³/с м.

 

при м³/с м.

 

Из приложений Г и Ж видно, что наиболее подходящего одного насоса с параметрами и нет. Тогда возможны следующие варианты выбора насосов. Выбираются два насоса типа ПЭ-250-40, или типа ПЭ-250-45 или же два разных и включаются в последовательную работу. Строится их суммарная характеристика (на миллиметровой бумаге). Для достижения