Кавитация в лопастных насосах

1 Сущность кавитации

Кавитация (от лат. сavitas – полость, углубление) – это нарушение сплошности потока жидкости, обусловленное появлением в ней пузырьков, или полостей, заполненных паром или растворенным в ней газом. Кавитация возникает при понижении давления – до или ниже давления насыщенного пара жидкости, в результате чего жидкость закипает и образуется пар (паровая кавитация) или из жидкости выделяется растворенный газ (газовая кавитация). В потоке жидкости такое падение давления обычно происходит в области повышенных скоростей (в соответствии с законом Бернулли).

В большинстве случаев жидкость настолько быстро проходит через область пониженного давления, что газ не успевает выделиться. В этом случае кавитацию часто называют паровой.

Полости или пузырьки, заполненные паром, увлекаются потоком в область повышенного давления. Здесь пар конденсируется, и полости, заполненные паром, замыкаются. Последствием кавитации являются следующие основные явления:

1. При конденсации пузырьков происходит столкновение частиц жидкости, сопровождающееся мгновенным местным повышением давления, достигающим тысяч атмосфер, что приводит к выкрашиванию материала стенок каналов, по которым течет жидкость. Это механическое разрушение стенок каналов называется эрозией (от лат. erosio – разъедание) и является наиболее опасным следствием кавитации.

2. Конденсация пузырьков пара вызывает звуковые явления: шум, треск, удары, вибрацию установки.

3. В лопастных насосах кавитация сопровождается падением подачи, напора, мощности и КПД.

2 Кавитационный запас

В лопастных насосах паровая кавитация возникает на лопатке рабочего колеса обычно вблизи её входной кромки. Давление здесь значительно ниже давления во всасывающем патрубке насоса из-за местного возрастания скорости при натекании на лопатку и из-за гидравлических потерь в подводе.

Напишем уравнение Бернулли для потока жидкости от свободной поверхности жидкости в приемном резервуаре до входа в насос, т.е. для сечений 0-0 и 1-1 (рис. 1); за плоскость сравнения примем свободную поверхность жидкости в приемном резервуаре :

, (1)

где h_вс – высота всасывания;

p₁ – давление во всасывающем

трубопроводе на входе в насос;

v₁ – скорость жидкости во всасывающем

трубопроводе;

∑ h_п,0-1 –гидравлические потери во

всасывающем трубопроводе ;

po – давление на свободной поверхности

в приемном резервуаре.

Рисунок 1. К расчету давления на входе в насос.

Отсюда, считая α₁=1

, (2)

Таким образом, давление у входа в насос ограничено давлением на свободной поверхности жидкости и тем меньше, чем больше высота всасывания, подача и гидравлические потери во всасывающем трубопроводе.

При некотором давлении p₁ давление p_л на лопатке рабочего колеса меньше давления насыщения пара жидкости, т.е. p_л <p_н.п., возникает кавитация.

Назовём кавитационным запасом превышение полного напора жидкости во всасывающем трубопроводе у входа в насос над напором, соответствующим давлением насыщенного пара, т.е.

(3)

где Δh – кавитационный запас;

p₁ – абсолютное давление на входе в насос;

p_н.п. – абсолютное давление насыщенного пара.

Значение кавитационного запаса, при котором возникает кавитация в насосе, называется критическим кавитационным запасом – Δh_кр..

Рисунок 2. Кавитационная характеристика насоса.

Для определения крити-ческого кавитационного запаса производят кавитационные испы-тания насоса при постоянной частоте вращения рабочего колеса и подаче, в результате которых для каждого режима работы насоса получают кавитационную характеристику (рис. 2). При больших кавитационных запасах кавитационные явления отсутствуют, и напор и мощность от кавитационного запаса не зависят. Режим, при котором начинается падение напора и мощности насоса, называют первым критическим режимом. Ему соответствует первый критический кавитационный запас Δh_крI. При Δh<h_крI зона распространения кавитационных явлений невелика, и мало cказывается на напоре и мощности. По мере уменьшения кавитационного запаса в этой стадии процесса кавитационная область в насосе медленно увеличивается, что сопровождается медленным изменением напора и мощности. Достижение второго кавитационного запаса Δh_крII ведет к резкому увеличению концентрации пара в парогазовой эмульсии, что приводит к полному отрыву потока от лопатки. Это вызывает резкое уменьшение напора и мощности, а затем и полный срыв работы насоса.

У многих насосов первый критический режим на кавитационной характеристике не обнаруживается.

При необходимости приходится допускать работу насоса в начальной стадии кавитации (h_крI >Δh >Δh_крII), несмотря на то, что это сопровождается разрушением его рабочих органов. Первый или, при необходимости, второй критический кавитационный запас принимают за наименьшую величину кавитационного запаса. Из-за неточного учета всех факторов назначают небольшое превышение допустимого кавитационного запаса над критическим. Обычно это превышение принимаю равным (0,1 – 0,3)Δh_кр. Следовательно, допустимый кавитационный запас:

Δh_доп= (1,1 1,3)Δh_кр. (4)