NPSH насоса и системы — определение и расчёт

Значение условий на всасывании насоса для расчета NPSH

Удовлетворительная эксплуатация и рабочие характеристики лопастных насосов могут быть частично нарушены вследствие аномальных условий на всасывании, вызваные кавитацией. Опыт показывает, что недостаточное давление жидкости на входе и насос является основной причиной его неудовлетворительной работы.

Определение чистого положительного напора на всасывании (NPSH) необходимо для сравнения условий системы на всасывании насоса  с требованиями насоса по условиям на всасывании. Таким образом NPSH учитывает основные параметры, влияющие на кавитационную характеристику насоса.

Кавитация насоса

Кавитация есть образование и внезапное схлопывание полостей (пузырьков), заполненных в основном паром в потоке жидкости. Паровые полости формируются в тех местах, в которых давление жидкости падает до величины, близкой к давлению насыщенных паров при данной температуре. Они движутся вместе с жидкостью и затем схлопываются в том месте потока, где давление снова возрастает. Эти полости могут иметь форму пузырьков, вихрей, карманов, облаков и т. д. Величина давления паров как функция температуры (кривая давления паров) может быть взята для многих жидкостей из литературы. В лопастных насосах кавитация обычно возникает при входе на лопатки рабочего колеса, однако может возникать и в других местах, например, на входных кромках диффузора или в кольцах износа.

К чему приводит кавитация насоса?

Схлопывание паровых пузырьков при кавитации сопровождается выбросом энергии, приводя к реальным ударным воздействиям на окружающие поверхности. Это может вызвать разрушающие напряжения в материале, пластические деформации и унос частиц из материала деталей. Этот эффект может ускоряться коррозионной активностью перекачиваемой жидкости. Эти явления называются кавитационной эрозией и кавитационной коррозией, соответственно.

Кавитационная устойчивость зависит от конкретных условий: конструкции насоса, условий эксплуатации, свойств перекачиваемой жидкости, материалов, из которых изготовлено рабочее колесо и другие детали, а также и времени работы насоса в условиях кавитации.

Вышесказанное полностью относится как к поставщику насоса так и к эксплуатирующей организации. Необходимо уделять должное внимание NPSH в системе на всем диапазоне рабочих условий. Нарушение согласования работы насоса и системы может привести к следующим результатам:

• шуму и вибрациям насоса или трубопроводов системы

• эрозии и связанному с ней износу насоса, включая лопатки рабочего колеса, валов, втулок и даже некоторых поверхностей корпуса насоса

• падению напора насоса и, в конце концов к прекращению перекачивания жидкости

• образованию или накоплению газа в верхних точках установки и насоса
  

Расчет NPSH системы (NPSHa)

Обычно NPSH системы рассчитывают проектные организации или инжениринговые компании, ответственные за проект, но очень часто это нужно делать эксплуатирующей организации или поставщику насоса. Инженеры компании КРОН считают NPSHa по следующим формулам:

NPSH=p_abs /ρg+ v₁ ² /2g - р _v/ρg, где

p_abs – абсолютное давление жидкости на входе в насос, Па

r - плотность жидкости, кг/м³

g – ускорение свободного падения, м/с²

v₁ – скорость жидкости на входе в насос, м/с

р _v   -  давление насыщенных паров жидкости, Па

v₁ ² /2g - скоростной напор при входе в насос. Обычно, v=2-5 м/с, что в результате даст:

-   v² /2g=0,2 м при 2 м/с

-   v²/2g=1,25 м при 5 м/с.

Обычно скоростным напором можно пренебречь, хотя это зависит от диаметра подводящего трубопровода

так же применяется еще одна формула для расчета NPSH:

 NPSHa=z₀ +(p₀ + p_atm - р _v)/ρg - ΔH_1-0,  см рис 1 

 

Рис 1 Расчет NPSHa

Примеры расчета NPSH системы

 

Пример 1. Насос выкачивает дизель из емкости, насос находится выше емкости. Рассчитать NPSH системы

Допустим температура дизельного топлива +20 С

Плотность дизельного топлива 830 кг/м³

Давление насыщенных паров дизельного топлива при температуре +20С = 590 Па

z₀ = -4 (насос находится над емкостью, поэтому z₀ величина отрицательная)

Емкость не герметичная, поэтому на жидкость действует атмосферное давление

p_atm =101300 Па

Допустим что потери напора в трубе 1,2м

Тогда

NPSHa = -4 + (101300 – 590)/(830 x 9,8) – 1,2 = -4 + 12,4-1,2 = 7,2 м

 

Пример 2. Насос выкачивает бензин из цистерны, насос находится ниже емкости на 2 метра. Рассчитать NPSHа

Температура окружающей среды от -30 до +40 С

Плотность бензина 730 кг/м³

Давление насыщенных паров от 55 до 90 кПа

Емкость не герметичная, поэтому на жидкость действует атмосферное давление

p_atm =101300 Па

Допустим что потери напора в трубе 1,2 м

Тогда

Возьмем максимальное значение давления насыщенных паров, чтобы определить минимальный NPSH системы

NPSHa = 2 + (101300 – 90000)/(730 x 9,8) – 1,2 =  2+1,6-1,2 = 2,4 м

Пример 3. Насос перекачивает ЛВЖ из герметичной емкости под давлением, насос находится ниже емкости на 10 метров. Рассчитать NPSH системы

z₀ = 10

Давление насыщенных паров ЛВЖ 350-370 кПа

Плотность жидкости – 610-673 кг/м³

Манометр на емкости показывает давление 3 бара

Следует отметить, что давление, показанное манометром всегда есть давление относительно атмосферного или избыточное давление, таким образом

p₀ = 3 бара = 300 000 Па

NPSHa=z₀ +(p₀ + p_atm - р _v)/ρg - ΔH_1-0

Тогда

NPSHa = 10 +(300 000+101300 – 370 000)/(673х9,8) – 1,2 = 10+4,7 -1,2 = 13,5 м

Если жидкость в герметичной емкости находится под давлением насыщенных паров, то формула упрощается и тогда

NPSHa=z₀ - ΔH_1-0

Потребный NPSH насоса, определение NPSHr

Внутри насоса, вследствие преобразования энергии и внутренних потерь, давление изменяется. Падение давления между входом в насос и кромками лопаток происходит из-за гидравлических потерь и преобразования энергии. Дальнейшее падение давления после входа на лопатки происходит из-за ускорения жидкости. Эти явления совместно приводят к падению давления между входом в насос и некоторой точкой с минимальным давлением. Это падение давления обозначается как Δp _всас

 Δp _всас = p _{abs 1} - p _{abs min}

Если величина р _{abs min} ниже давления паров жидкости р_v, то образуются паровые полости в зоне лопаток, где давление ниже давления паров. Это явление и называется кавитацией.

Для рабочего колеса насоса, работающего при постоянной подаче, условием отсутствия кавитации является р _{abs min} > р_v. Этого можно достигнуть путем повышения р _{abs 1}(абсолютного давления на входе в насос).

Δp_всас имеет прямое влияние на кавитацию: чем эта величина больше, тем раньше наступит, кавитация и, следовательно, тем большая величина NPSHа необходима для ее предотвращения.

Основными геометрическими параметрами входной части колеса, влияющими на величину Δp_всас являются:

• диаметр входа в колесо D

• число лопаток

• толщина лопаток на входе

• угол установки лопаток на входе

Входная часть колеса и толщина профиля лопатки также являются важными параметрами, которые сильно влияют на падение давления.
С помощью модификации входной части лопаток можно изменить падение давления в нужную сторону, хотя при этом можно получить изменение и других характеристик так, что необходим некоторый компромисс.
Для определения потребного NPSH (NPSHr) насоса в определенных условиях используется величина располагаемого NPSHa, при котором выбранное явление начинает проявляться. Используются несколько критериев, чтобы квалифицировать различные явления, связанные с кавитацией, которые приводят к нескольким определениям NPSHr.

Что такое NPSH₃?

Такой вопрос встречается очень часто заказчиков и проектировщиков, ктороые обращаются в компанию КРОН.

Одним из наиболее заметных эффектов кавитации является падение напора насоса из-за дросселирующего эффекта паровой фазы, вызванной кавитацией.

Так как зависимость между NPSHr и падением давления Δp _всас определяется многими параметрами, фактически невозможно точно рассчитать NPSHr насоса во всем рабочем диапазоне.

В насосостроении существует критерий для квалификации NPSHr, который является достаточным для большинства практических целей. Квалификационный по этому критерию NPSHr называется NPSH₃. В основном, он соответствует степени развития кавитации, при которой происходит падение напора  на 3% от нормального напора (т.е. без кавитации, при достаточном давлении на всасывании). Эта величина определяется при испытаниях. Для многоступенчатых насосов следует принимать во внимание падение напора на 3% только первой ступени.

При подачах выше расчетной NPSH₃ обычно круто возрастает. За пределами рабочего диапазона измерить величину NPSH3 часто бывает затруднительно

Для расчета NPSHr на различных скоростях вращения вала насоса используется следующая формула, выведенная из законов подобия

NPSHr _{(Q2, n2)} = NPSHr _{(Q1, n1)} x (n2/n1)²

Безопасная разница между NPSH_R и NPSH_A

Всегда должно обеспечивать условие: NPSHa>NPSHr                           

Для удовлетворительной работы лопастного насоса минимальная величина NPSHA должна всегда гарантировать отсутствие кавитации или ее ограничение на допустимом уровне. Производитель насоса может рекомендовать безопасную разницу между NPSH3 и NPSHA.

Главными параметрами, определяющими безопасную разницу потребного HPSH насоса и существующего NPSH системы являются:

• размер насоса, его тип и коэффициент быстроходности
• параметр «концентрация мощности» (power concentration) насоса, относящийся, в основном, к окружной скорости на входе в колесо
• конструкция колеса и, в частности, меридиональная форма и геометрия лопаток
• перекачиваемая жидкость и ее температура, точка кипения или ее диапазон
• стойкость материала против кавитационной эрозии.

Одним из правил, применяемых в нескольких стандартах и вообще в насосостроении, таково, что это условие должно быть, по крайней мере, таким

0,5 m+NPSH₃<NPSH_A                                                           

что является разницей 0,5 м между NPSH3 и NPSHA. Это правило может привести к ошибочному выбору в связи с тем, что величина (NPSH₃+0.5) может совпадать с зоной максимума скорости эрозии колеса из=за кавитации.

Часто для определения безопасной разницы потребного и существующего NPSH используют коэффициент запаса (сомножитель) S_s, чтобы определить требуемую разницу так, что минимум NPSH_A вычисляется следующим образом:

Ss x NPSH₃<NPSH_A, где коэффициент Ss   - величина от 1,25 до   2

В нефтяной отрасли обычно применяют следующую зависимость :

1 м+NPSH₃≤NPSH_A

Определим NPSHr насоса для рассмотренных   ранее задач:

Пример 1:  Для перекачивания дизеля из подземной емкости подойдет насос с NPSHr не более 6,7   м

В принципе это может быть стандартный консольный насос

Во втором примере к насосу предъявляются достаточно серьезные требования по кавитационному запасу. NPSHr у него не должен быть более 2 м

Скорее всего это должен быть опять же консольный насос, но уже с предвключенным шнеком или обычный насос небольшой производительности. Обычно для таких задач используют насос с расходом от 50 до 100 кубов

Третья задача    - перекачивание  ЛВЖ.  Здесь запас по кавитации должен быть не менее 1 метра, т.е  NPSHr должен быть не более 12,5 м