СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КАВИТАЦИОННОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ШНЕКОЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ

Полный текст

Введение. Кавитацией называют процесс наруше- ния целостности потока жидкости в зоне пониженно- го давления, заключающийся в образовании полостей, наполненных паром и выделившимися из жидкости газами [1; 2]. Появление и развитие кавитации [3] обусловлено наличием в рабочем теле (жидкости) ядер кавитации, представляющих собой нерастворен- ные газовые включения. В насосах жидкостных ра- кетных двигателей при падении входного давления P1 ниже определенного критического давления Pкр воз- никает кавитация - явление, которое может привести к срыву режима работы насоса, сопровождаемому уменьшением напора, КПД и расхода жидкости через насос [4]. Вследствие этого появляется необходи- мость проведения испытаний на определение антика- витационных свойств насоса. Эти свойства харак- теризуются величиной критического входного под- пора Δhкр [5], который на практике определяют для каждого насоса экспериментально, проводя кавитаци- онные испытания [6; 7]. Значение подпора находят по критическому входному давлению из формулы (1): вх P + P - P Следующий этап - определение критического входного давления P1кр, соответствующего началу срыва режима работы. Эта величина определяется двумя методами: - по координате точки пересечения аппроксими- рующих прямых бессрывной и срывной части кавита- ционной характеристики; - по координате точки уменьшения напора на ве- личину, задаваемую в технических условиях. Имея значение P1кр, по формуле (1) рассчиты- вается Δhкр. При получении срывной ветви кавитаци- онной характеристики насос работает в режиме, ха- рактеризующемся снижением развиваемого насосом напора, уменьшением расхода жидкости и общей не- устойчивостью процессов. Поэтому по техническим условиям на кавитационные испытания центробеж- ных насосов допускается получение срывной ветви характеристики при расходах, меньших номиналь- ного. На рис. 1 представлены кавитационные характери- стики насоса, получаемые: 1) без соблюдения условия m& = const в области срыва - кривая 1; 2) с соблюде- Dhкр = 1кр a r s + 0, 5v2 , (1) нием условия m& = const - кривая 2; 3) пунктирная кривая, где сначала до точки B не соблюдается услогде P1кр - критическое входное давление, Па; Pа - ат- мосферное давление, Па; Ps - давление насыщенных паров жидкости, Па; vвх - скорость жидкости на входе в насос, м/с. Описание существующей методики. Согласно принятой методике [8; 9], кавитационные испытания проводятся следующим образом: после вывода насоса на рабочий режим путем установки номинальных значений угловой скорости и расхода жидкости дав- ление на входе в насос ступенчато снижается. При каждом снижении после установления режима произ- водится замер основных параметров насоса: давления на входе и выходе насоса P1, P2, Па; угловой скорости вращения ротора ω, рад/с; расхода жидкости через насос m& , м3/с. По этим данным определяют значение напора с помощью формулы (2) [10], а затем на мил- лиметровой бумаге строят напорную характеристику - зависимость Hi = f(P1) при m& , ω = const: H = P2i - P1i . (2) i r вие m& = const, а затем расход поддерживается постоянным. Рис. 1. Кавитационные характеристики насоса Fig. 1. Cavitational characteristics of the pump На графике заштрихована область получения воз- можных характеристик, эта особенность методики формально позволяет влиять на антикавитационные свойства насоса, вследствие чего снижается досто- верность испытаний, что может отразиться на ухуд- шении надежности насосных агрегатов. Эксперимен- тальные данные показали, что расхождение результа- тов испытаний доходит до 6,3 %, а по данным источ- ника [11] погрешность определения Δhкр доходит до 10 %. Величины погрешностей рассчитывались по методике [12]. Нужно также добавить, что процесс кавитации опасен не столько для насосов, работающих в составе изделия (их цикл работы достаточно мал), сколько для насосов, подвергнутых испытаниям, так как дли- тельность испытаний может превышать время работы агрегата в составе ракеты при полете [13]. Таким образом, на основании вышеизложенного можно выделить основные недостатки существующей методики: - значительная трудоемкость снятия кавитацион- ной характеристики и, как следствие, длительная ра- бота насоса в условиях кавитации и снижение его на- дежности в целом; - недостаточная точность определения критиче- ского входного давления; - влияние субъективных факторов на результаты испытаний; - большая длительность испытаний. Описание предлагаемой методики. В статье представлена методика проведения испытаний, согласно которой предлагается определять характери- стики насосов при непрерывном и достаточно быст- ром изменении P1, что позволит сократить время кавитационных испытаний и существенно уменьшить кавитационную эрозию рабочих колес. В настоящее время длительность испытаний составляет от 3 до 6 мин, что составляет 50-80 % от всего времени, затрачиваемого на определение основных характери- стик и параметров насоса. При этом продолжитель- ность работы насоса при интенсивной кавитационной эрозии составляет порядка 60 с, что соизмеримо с временем работы насоса в составе изделия. С целью исключения субъективного фактора предлагается в режиме срыва не поддерживать посто- янным m& , что позволит отказаться от недостаточно надежных регуляторов расхода. Отказ от регулирова- ния расхода повысит устойчивость работы насоса в режиме срыва. При ускоренных испытаниях человеку практиче- ски невозможно визуально регистрировать быстрое протекание и непрерывно меняющиеся процессы. Определение критического входного давления по координате точки снижения напора при кавитацион- ном срыве до заданной величины позволяет автомати- зировать этот процесс. Структурная схема устройства ние P1 > Pном, начинается уменьшение входного дав- ления. При этом информация о текущем значении входного давления P1i сравнивается с заданным номи- нальным. Информация о текущей величине напора Hi сравнивается с номинальным заданным. В момент, когда значение напора станет равным (0,75-0,97)Hном, подается команда на останов двигателя. Одновремен- но с командой на останов выводится значение Pкр, соответствующее Hном. Анализ работы системы в нестационарном ре- жиме. Определение кавитационных параметров насо- са при непрерывном и достаточно быстром снижении входного давления приводит к тому, что процессы в системе «насос - измерительная система - гидро- стенд» становятся нестационарными. Поэтому был выполнен анализ влияния нестационарности процес- сов на результаты испытаний. При определении кавитационных параметров на- соса в неустановившемся режиме следует различать два случая: - I - насос работает без срыва напора (P2, m& , ω ≈ const), изменяется только входное давление P1; скорость изменения P1 характеризуется величи- ной dP1/dt; - II - насос работает в режиме резкого снижения давления P2, уменьшения расхода m& , роста угловой скорости ω; при этом расход и угловая скорость не регистрируются, поэтому работа систем измерения не анализируется в данном случае; скорость измене- ния P2 определяется dP2/dt. Работа насоса в области I характеризуется относи- тельной стабильностью параметров. При этом расхо- ждение результатов испытаний в установившемся и неустановившемся режиме можно ожидать лишь при регистрации входного давления. При работе насоса в области II расхождение ре- зультатов будет определяться переходными процес- сами не только в полостях насоса, стендовых магист- ралях, но и в системах измерения P2 и P1. Время переходных процессов согласно [14] не превышает 0,3-0,5 с. Следовательно, влияние насоса с подсоединенными магистралями будет заметно лишь при больших скоростях снижения входного давления. Рассмотрим влияние динамических характеристик систем измерения P2 и P1 на результаты кавитаци- онных испытаний. Для упрощения допустим dP2/dt = const, что легко реализовать на практике. Вместо изменения напора будем рассматривать изме- нение давления P2. Для случая развитой кавитации при dP1/dt справедливо dP2/dt. При нестационарном режиме работы регистри- руемая кавитационная характеристика будет отли- чаться от истинной из-за запаздывания систем реги- страции P2 и P1. Величины запаздывания определяют- ся выражением (3) [15]: dP регистрации параметров работает следующим образом. Независимым параметром при кавитационных ис- DP1 2 = TP 2 P1 × 1 2 . (3) dt пытаниях является давление на входе в насос. После того, как будут установлены номинальные расход и угловая скорость вращения ротора и входное давле- Динамическая составляющая погрешности определения критического входного давления будет ми- нимальна (≈0), если регистрируемая характеристика совпадает с истинной. Условие совпадения запишется следующим образом (4): TPI = TP2. (4) В работе [15] показано, что для измерителя дав- ления, состоящего из манометра и импульсной соеди- нительной трубки, постоянная времени складывается из двух составляющих: Тзв - времени запаздывания возмущения, обусловленного звуковой скоростью передачи импульса; Tz - постоянной времени, завися- щей от гидросопротивлений и емкостей магистрали передачи давления. В большинстве случаев выполня- ется условие Тзв >> Tz, поэтому окончательно посто- янные времени систем будут зависеть от диаметров импульсных трубок. Но выравнивать постоянные времени систем измерения лишь изменением разме- ров трубок нерационально. Более реальный путь - подбор соответствующих демпферов на линии измерения P2 и достижения мак- симально допустимого быстродействия системы из- мерения P1. Системы замера входных и выходных давлений насосов практически идентичны. Таким образом, если строить кавитационную характеристику по данным манометров, установленных на магистралях с демп- ферами, то при условии, что P2 >> P1, основную динамическую погрешность будет вносить линия за- мера P1. Величина динамической погрешности (5) будет определяться постоянной времени TP1 и скоростью снижения входного давления dP1/dt: - для снижения динамической составляющей по- грешности измерения P1кр необходимо согласовывать динамические характеристики систем измерения вы- ходного и входного давлений, обеспечивая равенство постоянных времени (4); при этом динамические ха- рактеристики следует определять для давлений P2 и P1, близких к соответствующим параметрам, которые имеет насос при работе в критической об- ласти. В ходе работы были проведены эксперименталь- ные исследования, цель которых заключалась в сле- дующем: - экспериментально определить влияние скорости снижения входного давления на результаты кавита- ционных испытаний; - определить влияние постоянных времени систем измерения входного и выходного давлений на резуль- таты кавитационных испытаний. Чтобы исключить влияние технологических и гео- метрических факторов на результаты исследований, все испытания проводились на насосах одной ком- плектации. Проводилась лишь переборка насоса с целью замены подшипников, отработавших ресурс. Для повышения информативности испытаний сня- тие кавитационных характеристик проводилось при непрерывном снижении входного давления и с непре- рывной регистрацией параметров. В качестве регистрирующей была использована система, в состав которой входят: 1) вибростержневые датчики давления; их исполь- зование обусловлено высокими метрологическими dP = T × dP1 × 1 . (5) характеристиками, удовлетворительной работой при кр.дин dt P1кр отрицательных давлениях и электрическим выходным сигналом в виде частоты; P1 Из этого следует, что при увеличении скорости изменения входного давления растет величина ди- намической погрешности (≈ 20-60 %). Чтобы ее уменьшить до 1-2 %, необходимо снижать P1 со ско- ростью ≈ 100 Па/с, т. е. за время t ≈ 10 мин. Также для уменьшения динамической погрешно- сти можно увеличить быстродействие системы изме- рения P1, т. е. уменьшить TPI. Если исключить демп- фер, то величина постоянной времени определится практически длиной импульсной трубки. Необходимо подчеркнуть, что ограничение скоро- сти снижения входного давления накладывается толь- ко при работе насоса в области срыва, в бессрывном режиме скорость может быть увеличена. Поэтому испытание можно проводить следующим образом. Область устойчивости выходных параметров на- соса P2, m& , ω проходит при быстром снижении давления на входе в насос, а при подходе к области срыва скорость снижения P1 нужно уменьшать до величины, обеспечивающей низкую динамическую погрешность определения входного давления. Анализ работы систем измерения входного и вы- ходного давлений при проведении кавитационных испытаний позволил сделать следующие выводы: - при оценке погрешности определения критиче- ского входного давления необходимо учитывать ди- намику процесса и быстродействие измерительных систем; 2) преобразователи частоты в напряжение; их на- значение - преобразовать частотный сигнал в анало- говую форму; 3) двухкоординатный самопишущий прибор. Процесс регистрации происходит так: информация о величине входного и выходного давлений с помо- щью вибростержневых датчиков и преобразователей частоты в напряжение поступает на вход самописца. Напряжение, пропорциональное P1, подается на вход Х, а информация о P2 - на вход Y. Изменение P1 преобразуется в перемещение пера самописца по оси X, а изменение P2 - в перемещение по оси Y. Таким обра- зом, производится непрерывная запись кавитацион- ной характеристики в координатах P2 = f(P1), которая практически соответствует кавитационной характери- стике насоса в координатах H = f(P1). Для реализации возможностей непрерывного сни- жения входного давления с различными скоростями потребовались незначительные доработки конструк- ции, которые свелись к установке двух дополнитель- ных дренажных магистралей. Конструктивно стенд выполнен так, что компен- сационный бак, давление в воздушной подушке кото- рого определяет давление на входе в насос, располо- жен на 5 метров ниже насоса, вследствие чего полные кавитационные испытания можно проводить без ва- куумного насоса. В таблице сведены результаты обработки данных по испытаниям и для сравнения представлены резуль- таты теоретических расчетов влияния скорости сни- жения входного давления и быстродействие системы измерения, проведенные на основе предложенной модели процессов. В целом, результаты экспериментов удовлетвори- тельно согласуются с теоретическими расчетами и полностью подтверждают принятую модель процес- сов, происходящих в системе «насос - гидростенд - измерительная система» при определении кавитаци- онных характеристик центробежных насосов на неус- тановившихся режимах. Необходимо добавить, что в ряде случаев при про- ведении кавитационных испытаний не учитываются динамические характеристики системы измерения входного давления, в результате чего антикавитаци- онные параметры насоса, определенные экспериментально, оказываются хуже фактических. В качестве примера приведена кавитационная характеристика (рис. 2), записанная в процессе штатного испытания с помощью ранее описанного прибора автоматической регистрации. Участки характеристики, отмеченные буквами a, a', a", a"', соответствуют моменту открытия электро- пневмоклапана (ЭПК), т. е. началу уменьшения дав- ления на входе в насос. Точки b, b', b", b"' соответст- вуют моменту закрытия ЭПК, т. е. прекращению уменьшения давления на входе. Небольшие горизон- тальные участки b-a', b'-a" и т. д. соответствуют про- цессу установления показаний измерителя входного давления. Характеристика 1 построена по данным протоколов испытаний, т. е. по точкам. Совмещение характеристик 1 и записанной в аналоговой форме свидетельствует о том, что снятие показаний с приборов не всегда происходит при установившихся значениях. Сравнение результатов экспериментов и теоретических расчетов Датчик на конце длинной линии после демпфера Датчик соединен со входом в насос гибким шлангом высокого давления TP1, с Pкр·105 Па δPкр.дин, % TP1, с Pкр·105 Па δPкр.дин, % dP1 = 790 Па/с dt Эксп. 10 0,605 12,2 0,65 0,55 0 Расч. 10 0,625 13,6 - - - dP1 = 1920 Па/с dt Эксп. 10 0,725 31,8 0,65 0,555 1,1 Расч. 10 0,738 34,2 0,65 0,557 1,33 dP1 = 2080 Па/с dt Эксп. - - - 0,65 0,565 3,3 Расч. 10 0,748 36,9 0,65 0,559 1,5 1 0,8 0,6 H= Н Н ном 2 останов 1 - характеристика построена по показаниям приборов, установленных на конце длинной линии после демпферов 2 - характеристика построена с учетом a a' a'' a''' b b' b'' b''' 1 1,0 1,4 1,8 2,2 2,6 3,0 0,6 0,4 P1 b= P 1кр 1 динамической погрешности средств измерений Рис. 2. Кавитационная характеристика насоса, записанная при штатном испытании Fig. 2. Cavitational characteristics of the pump, recorded during normal testing Характеристика 2 построена с учетом длительно- сти переходных процессов в системе измерений и соответствует установившимся показаниям приборов. Расхождение в значениях критического входного дав- ления, определенного по характеристикам 1 и 2, со- ставляет в данном случае 4,1 %. Теоретический анализ условий работы «насос - измерительная система - гидростенд» при определе- нии антикавитационных свойств насосов на неста- ционарном режиме позволил выработать требования, которым должны удовлетворять измерительные системы стенда, чтобы динамическая погрешность определения параметров насоса была минимальная. Проведенные эксперименты подтвердили правиль- ность сделанных предположений, показали сходи- мость расчета и эксперимента при скоростях сниже- ния P1 до 2000 Па/с и позволили отработать методику проведения ускоренных кавитационных испытаний насосов. С целью экспериментальной проверки возможно- сти автоматизированного определения критического давления на входе в насос непосредственно в процес- се испытаний был изготовлен опытный образец при- бора автоматической регистрации. Погрешность оп- ределения P1кр составила 1,63 %, а время проведения трех серий испытаний составило ~17 мин. Заключение. На основании приведенных данных можно сделать вывод, что ускоренный способ прове- дения испытаний в условиях серийного производства позволяет решить следующие проблемы: - уменьшить вероятность эрозионного разруше- ния, сократив время испытаний; - снизить трудоёмкость обработки результатов ис- пытаний; - устранить влияние субъективного фактора на ре- зультаты испытаний; - повысить точность определения кавитационных параметров насосов за счет автоматизации процесса определения критического входного давления. Разработанный прибор автоматической регистра- ции путем несложных доработок может быть исполь- зован для определения кавитационных параметров практически всех типов лопаточных насосов.

Об авторах

В. П. Назаров

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева

Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Л. П. Назарова

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева

Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Д. С. Швецова

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева

Email: Darya.Shvetsova@yandex.ru
Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Д. А. Савчин

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева

Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Список литературы

Дополнительные файлы