Динамические испытания шнекоцентробежного насоса в режиме кавитационных автоколебаний Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 532.528:621.671

Ю.А. Жулай

Институт транспортных систем и технологий НАН Украины, Украина

ДИНАМИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ ШНЕКО-ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА В РЕЖИМЕ КАВИТАЦИОННЫХ АВТОКОЛЕБАНИЙ

Аннотация: В работе представлены данные испытаний шнеко-центробежного насоса в режиме кавитационных автоколебаний. Экспериментально определены зависимости частоты и амплитуды колебаний давлений от давления на входе в насос, что позволяет расчетно-экспериментальным путем определить ряд параметров, входящих в динамическую модель кавитирующего шнеко-центробежного насоса. Установлена атипичная форма границ устойчивой работы насоса, требующая дополнительных теоретических исследований.

Насосная система, кавитационные автоколебания, частота, амплитуда, область существования кавитационных автоколебаний

Постановка проблемы и её связь с научно-практическими задачами

Высокооборотные шнеко-центробежные насосы широко применяются в технике, в первую очередь в ракетно-космической, авиационной, а также судостроении, химическом машиностроении и энергетике.

Высокая частота вращения шнеко-центробеж-ного насоса, как правило, приводит к его работе в режиме скрытой кавитации. Характер кавитации в проточной части насоса довольно сложный и многообразный. Это обусловливается пространствен-ностью течения, наличием резких поворотов, щелевых зазоров и т.д. Все это способствует образованию местных повышений скоростей потока, его отрыва и вихревых зон. Кавитация возникает в тех областях проточной части насоса, где местное статическое давление снижается до некоторого критического, равного или близкого к давлению насыщенных паров жидкости.

Не оказывая заметного влияния на статические параметры насоса (напор, КПД и т.д.) в рабочем диапазоне давления на входе, кавитация приводит к изменению динамических характеристик системы. Скрытая кавитация, снижая собственную частоту колебания жидкости в питающей магистрали насоса за счет сравнительно большой податливости каверн, при определенных условиях может вызвать самовозбуждение колебаний расхода и давления в диапазоне частот 4-50 Гц с амплитудами колебаний, соизмеримыми со статическими значениями входного давления. Это затрудняет, а иногда делает невозможной нормальную работу на-

сосного агрегата.

В связи с вышеизложенным, определение частот и амплитуд колебаний расхода и давления жидкости в питающей магистрали, а также области существования кавитационных автоколебаний насосной системы, в плоскости её режимных параметров, для каждого конкретного изделия имеет важное практическое значение.

Обзор публикаций и анализ нерешенных задач. В работе [1] приведены две формы границ области устойчивой работы насоса в плоскости

параметров относительный расход Р/Рн0м -

входное давление Р1, часто встречающиеся в практике ракетного двигателестроения. Указанные формы границ были получены на основании расчетов и результатов испытаний по определению кавитационных (при различных расходах) и внешних (при различных давлениях) характеристик. На рис.1 (заимствованным из работы [1]) представлена граница области устойчивой работы насоса, которая соответствует теоретическим представлениям, исходящим из бескавитационных условий работы центробежного колеса. Область существования кавитационных автоколебаний в плоскости указанных параметров имеет треугольную форму и сужается с увеличением расхода.

В случае, когда центробежное колесо на номинальном и повышенном расходах работает в режиме частичной кавитации из-за уменьшения напора шнека, граница области устойчивой работы насоса отличается от приведенной выше (см. рис. 2 [1]). Так, с увеличением расхода до значения

© Ю.А. Жулай 2006 г.

- 144 -

Q « 0,8Qном область неустойчивости системы сужается, а затем расширяется и смещается в сторону больших входных давлений.

Рис.1 - Экспериментальные границы области устойчивости системы в плоскости параметров Q/Qном - Р[ для насоса № 1 с углом установки лопасти шнека р =

8°09'

расчет; •о - эксперимент)

что на режимах с интенсивными обратными токами (при значении коэффициента режима q < 0,5 [2]) ряд параметров, входящих в динамическую модель кавитационных автоколебаний, можно определить только расчетно-экспериментальным путем.

Таким образом, знание этих параметров в каждом конкретном случае является актуальной задачей.

Целью настоящей работы является экспериментальное определение зависимостей « размаха» и частот колебаний давления жидкости от давления на входе в насос и границ области существования автоколебаний системы.

Изложение основного материала

В качестве объекта испытания использовался шнеко-центробежный насос штатной конструкции с двухрядным винтовым шнеком постоянного шага, геометрические и режимные параметры которого приведены в таблице 1.

Испытания насоса проводились по обычным программам снятия кавитационных характеристик на расхода О = (0,4^ 1,4)Оном с шагом АО « 0,20ном на гидравлическом стенде, схема которого представлена на рис. 3.

Рис.2. Экспериментальные границы области устойчивости системы в плоскости паоаметоов О / О_____— Р. для

н

10 Щ

ним

насоса № 2 с углом установки лопасти шнека р = 8°09' (--расчет; • о - эксперимент)

Здесь же приведены данные по определению изменения частот и амплитуд кавитационных автоколебаний в зависимости от режимных параметров работы насоса и влияние конструктивных параметров шнека на устойчивость системы. Указывается,

Таблица 1

Геометрические и режимные параметры шнеко-центробежного насоса

Рис.3 - Схема гидравлического стенда 1 - питающий трубопровод; 2 - проточный ресивер; 3 -шнеко-центробежный насос; 4 - напорный трубопровод; 5 - датчик мгновенного расхода жидкости; 6 - датчики

Наименование параметра Условное обозначение Размерность Значение параметра

Наружный диаметр шнека мм 120

Диаметр втулки шнека ^вт мм 45

Шаг винтовой линии 8 мм 54

Длина шнека 1ш мм 106

Число заходов ъ 2

Наружный диаметр колеса ок мм 174

Частота вращения п 1/с 12900

Номинальный расход Qн м3/с 52,810-3

Напор Н м 830

Коэффициент режима Чном — 0,44

Угол установки лопасти шнека вл градус 11°46'

Угол атаки ^ном градус 6° 12'

Давление кавитацион-ного срыва р 1 ср МПа 0,051

Коэффициент степени развития кавитации — 0,0357

Коэффициент Руднева Скрш — 4447

¡ББЫ1727-0219 Вестникдвигателестроения № 3/2006 - 145 -

уровня воздушной подушки в ресивере; 7 магистраль

воздушная

Pi

Pi

и частоты f (рис.5) автоколебаний входного давления от числа кавитации K, полученные для значений коэффициента режима в диапазоне q = 0,175 + 0,666.

Рис.4 - Экспериментальные зависимости относительного размаха кавитационных автоколебаний от числа кавитации для различных значений коэффициентов режима, без обратных токов (q = 0,533 4 0,666) и с обратными токами на входе в насос (q = 0,44 4 0,175)

♦ q = 0,666 -•-q = 0,62 -в- q = 0,533 -»-q = 0,44 □ q = 0,355 о q = 0,266 -A- q = 0,175

Учитывая, что устойчивость системы «шнеко-центробежный насос - трубопроводы» в существенной мере определяется параметрами питающего трубопровода 1 (гидравлическим и инерционным сопротивлениями), с целью возбуждения кавитационных автоколебаний в нём был установлен проточный ресивер 2 объемом 0,3 м3 на расстоянии 1,2 м от входа в насос с объемом газовой подушки — 0,2 м3. Это позволило обеспечить самовозбуждение кавитационных автоколебаний в определенном диапазоне изменений входного давления Pj и коэффициента режима q. Шнеко-центро-

бежный насос 3 приводился во вращение электродвигателем через мультипликатор. Уровень воздушной подушки в ресивере 2 контролировался индикаторами уровня 6 и поддерживался заданным наддувом или дренажем воздуха через магистраль 7, запитанную от пневмопульта. Кроме обычных

измерений статических давлений на входе Pj и выходе P2 из насоса и шнека Pm, а также объемного расхода через насос Q , проводились замеры их динамических значений стандартными средствами. Испытания проводились на модельном режиме по частоте вращения пм =11000 1/с.

На рис. 4 приведены экспериментальные зависимости относительного размаха

2 AP P — P

¿■1ЛГ 1 _ Mmax Mmin

Коэффициент режима q и число кавитации К определялись по формулам:

Pi — Ps

q - 1 — f ; K = ^ ß л Wj2

p"2

где Ps и p — соответственно давление насыщенных паров и плотность жидкости, Wj — относительная скорость жидкости на входе в насос.

Рис. 5 - Экспериментальные зависимости частоты кавитационных автоколебаний от числа кавитации для различных значений коэффициентов режима

Характер этих зависимостей — линейная зави-

f Гц 35 30 25 20 15 10 5 0

1 -• q = 0,666

2 - • q = 0,62

3 -о q = 0,533

4 -о q = 0,44

5 - □ q = 0,355 6-о q = 0,266 7 -л q = 0,175

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,

симость частоты /= /(К) и нелинейная (с максимумом) зависимость относительного размаха автоко-

e ^APl - f(K)

лебаний т. _ 1 vV

P

не оставляет сомнений в том,

что возбуждаются именно кавитационные автоколебания, которые существуют в широком диапазоне изменения чисел кавитации на входе в насос.

Этот вывод также подтверждается представленной копией участка осциллограммы ( рис.6) с записью параметров кавитационных автоколебаний. Видно, что колебания имеют форму, характерную для развитых кавитационных колебаний.

Рис.6 - Копия участка осциллограммы с записью колебаний давлений на входе и выходе из насоса при коэффици -енте режима ц = 0,44

Анализ протоколов испытаний и графических материалов, представленных на рис.4, показыва -

ниям, изложенным в [1], и подлежит более тщательному теоретическому исследованию.

Рис. 7 - Экспериментальные области существования кавитационных автоколебаний системы «шнеко-центро-бежный насос - трубопроводы» в плоскости режимных

параметров «относительный расход д/дном -давление на входе в насос Р^».

Выводы

ет, что при значениях коэффициента режима:

ц = 0,666 - наблюдаются развитые кавитацион-ные автоколебания в диапазоне изменения К = 0,0295 * 0,0497 с максимальной относительной двойной амплитудой колебаний давления 2 АР1/Р1 = 2,1 при К = 0,0497;

ц = 0,622 - наблюдаются два неустойчивых режима работы с максимальным значением 2АР1/Р1 = 2,1 при К = 0,468;

ц = 0,533 - кавитационные автоколебания наблюдаются в широком диапазоне изменения К = 0,0902 * 0,0239 с максимальным значением 2 АР1/ Р1 = 2,86 при К = 0,0475;

ц = 0,44 - кавитационные автоколебания наблюдаются в диапазоне изменения К = 0,01024 * 0,0119 с максимальным значением 2АР1/Р1 = 4,8 при К = 0,0333;

ц = 0,355 - наблюдаются две зоны неустойчивой работы системы при К = 0,0854 * 0,0594 с максимальными значениями 2АР1/Р1 < 0,7 и при К = 0,0224 * 0,0168, 2АР1/Р1 < 3,5;

ц = 0,266 - наблюдаются две зоны неустойчивой работы системы при К = 0,08 * 0,0709 с максимальными значениями 2АР1/Р1 = 0,8 и при К = 0,0257 * 0,0108, 2АР1/Р1 = 6,3;

ц = 0,175 - система неустойчива в диапазоне изменения К = 0,0413-0,0119 с максимальным 2АР1/Р1 = 10,2.

На рис.7 приведены экспериментальные области существования автоколебаний системы «шне-ко-центробежный насос - трубопроводы» в плоскости режимных параметров «относительный расход д/д ном - давление на входе в насос Р1».

Темные точки обозначают режимы с кавитацион-ными автоколебаниями, светлые - устойчивые режимы.

Приведенная форма области неустойчивости работы шнеко-центробежного насоса (автоколебаний) не соответствует теоретическим представле-

ги МПа

0,25

0,20 -

0,15 -

0,10

0,05

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 д/д ном

Установлено влияние давления на входе в насос (число кавитации), режима работы (параметра ц) на частоту и амплитуду кавитационных автоколебаний.

Зависимости частоты от входного давления (числа кавитации) могут служить базой для расчет-но-экспериментального определения параметров, характеризующих кавитационное течение в насосе на режимах с обратными токами: упругость кавитационных каверн, кавитационное сопротивление при входе жидкости в межлопаточные каналы шнека, коэффициент инерционного сопротивления межлопастных каналов шнека на участке роста каверны, постоянная времени кавитационных каверн. Для режимов работы насоса с обратными течениями это единственный способ определения этих параметров, входящих в динамическую модель кавитирующих насосов.

На основании результатов испытаний по снятию кавитационных (при различных значениях расхода) и напорных (при различных входных давлениях) характеристик насоса экспериментально определена область существования автоколебаний гидравлической системы в плоскости параметров «относительный расход - давление на входе в насос».

Указанная область существования автоколебаний позволяет дать оценку эффективности различных средств повышения устойчивости работы шне-

0

ко-центробежного насоса, в том числе байпасного трубопровода с суперкаверной[3-4],и выяснить влияние конструктивных параметров шнека и системы в целом на устойчивость ее работы.

Перспективы дальнейших исследований в данном направлении. Обращает на себя внимание качественное отличие формы области существования кавитационных автоколебаний от ранее полученных - можно говорить об аномальной форме. Этот вопрос требует отдельного рассмотрения в теоретическом плане.

Литература

1. Пилипенко В.В., Задонцев В.А., Натанзон М.С. Кавитационные автоколебания и динамика гидросистем. - М.: Машиностроение, 1977. - 352 с.

2. Петров В.И., Чебаевский В.Ф. Кавитация в высокооборотных лопастных насосах. - М.: Машиностроение, 1982. - 192 с.

3. Жулай Ю.А., Запольский Л.Г. Экспериментальное исследование влияния байпасного демпфирующего трубопровода на устойчивость насосной системы питания // Сб. науч. трудов ДНУ « Проблемы высокотемпературной техники». Днепропетровск, 2004. - С.76-82.

4. Жулай Ю.А., Пилипенко О.В., Запольский Л.Г. Расширение границы области устойчивости насос-

ной системы питания с помощью установки бай-пасного демпфирующего трубопровода с суперкаверной // Авиационно-космическая техника и технология, - 2005. - № 6 (22). - С.55-62.

Поступила в редакцию 30.05.2006 г.

Рецензент: д-р техн. наук. проф. В.А.Задон-цев, Институт транспортных систем и технологий НАН Украины (ИТСТ НАНУ), Днепропетровск

Анота^я: У робот1 представленi дан випробувань шнеко-центроб1жного насоса у режим1 кав1таи,1йних автоколивань. Експериментально eu3HSNeHi залежностi частоти та ампл-imydu коливань тискв в'д тиску на входi в насос, що дозволяе розрахунково-експеримен-тальним шляхом визначити ряд параметрiв, що входять у динамiчну модель кавiтуючо-го шнеко-иентробiжного насоса. Установлена атипова форма границь усталено! роботи насоса, що вимагае додаткових теоретичних досл'джень.

Abstract: The paper gives test data on screw-centrifugal pump under cavitation auto-oscillations. Pressure- oscillation frequency and amplitude dependences on the pressure at the pump inlet are found experimentally, thus enabling experimental and computational determination of a number of parameters that enter dynamic model of the cavitation screw-centrifugal pump. Atypical shape of boundaries for the pump operation stability that calls for extra theoretical studies is found.