101. Явление кавитации. Определение кавитационного запаса и допустимой вакуумметрической высоты всасывания. Определение отметки рабочего колеса.

Жидкость по всасывающему трубопроводу к рабочему колесу насоса подводится под действием разности давления в приемном резервуаре и абсолютного давления в потоке у входа в колесо. Последнее зависит от расположения насоса относительно уровня поверхности жидкости в резервуаре и режима работы насоса. На практике встречаются три основные схемы установки центробежных насосов:  

1. ось насоса выше уровня жидкости в приемном резервуаре (камере) - рис. 2.9, а; 

2. ось насоса ниже уровня жидкости в приемном резервуаре (см. рис. 2.9, б) ; 

3. жидкость в приемном резервуаре находится под избыточным давлением (см. рис. 2.9,6).

Из уравнения Бернулли для двух сечений (в нашем случае для уровня жидкости в приемном резервуаре 0 — 0 и сечения 1 — 1 на входе в насос (см. рис. 2.8) )следует

где h_п.в. — потери во всасывающем трубопроводе; р_a — атмосферное давление, Па; р_в — абсолютное давление на входе в насос, Па; с_в — скорость на входе в насос, м/с.

Левая часть уравнения (2.26) представляет собой вакуумметрическую высоту всасывания насоса и измеряется в метрах столба перекачиваемой жидкости.

Рис. 2.9. Схемы установки центробежных насосов

Из выражений (2.26) и (2.27) следует:

Если вода в насос поступает с подпором (см. рис. 2.9,б), то

Отрицательное значение H_в указывает на работу насоса с подпором. При работе насоса по схеме, показанной на рис. 2.9, в, выражение вакуумметрической высоты всасывания приобретает вид:

где P — абсолютное давление среды над свободной поверхностью жидкости, Па.

В зависимости от конструкции лопастного насоса геометрическую высоту всасывания отсчитывают по-разному. Для горизонтальных насосов H_г.в — это разность отметок оси насоса и уровня жидкости в приемном резервуаре. Для насосов с вертикальным валом Н_г.в отсчитывается от середины входных кромок лопастей рабочего колеса (в многоступенчатых насосах колеса первой ступени) до свободной поверхности жидкости в приемном резервуаре (камере, скважине).

Нормальная работа центробежного насоса обеспечивается в таком режиме, когда абсолютное давление во всех точках его внутренней полости больше давления насыщенных паров перекачиваемой жидкости при данной температуре. Если такое условие не соблюдается, то начинаются явления парообразования и кавитации, которые приводят к уменьшению или даже прекращению подачи насоса (насос «срывает»). Кавитацией называют процессы нарушения сплошности потока жидкости, происходящие там, где местное давление понижается и Достигает определенного критического значения. При этом наблюдается образование большого количества мельчайших пузырьков, наполненных парами жидкости и газами, выделившимися из нее. Образование пузырьков внешне похоже на кипение жидкости. Возникшие в результате понижения давления пузырьки увеличиваются в размере и уносятся потоком. При этом наблюдается местное повышение скорости движения жидкости вследствие стеснения поперечного сечения потока выделившимися пузырьками пара или газа. Попадая в область с давлением выше критического, пузырьки разрушаются, при этом их разрушение происходит с большой скоростью и поэтому сопровождается местным гидравлическим ударом в данной микроскопической зоне. Так как конденсация занимает некоторую область и протекает непрерывно в течение длительного времени, это явление приводит к разрушениям значительных площадей поверхности рабочих колес или направляющих аппаратов. Практически появление кавитации при работе насоса можно обнаружить по характерному потрескиванию в области всасывания, шуму и вибрации насоса. Кавитация сопровождается также химическим разрушением (коррозией) материала насоса под действием кислорода и других газов, выделившихся из жидкости в области пониженного давления. При одновременном действии коррозии и циклических механических воздействий прочность металлических деталей насоса быстро снижается. При этом воздействие кавитации на металлические детали насоса усиливается, если перекачиваемая жидкость содержит взвешенные абразивные вещества: песок, мелкие частицы шлака и т. п. Под действием кавитации поверхности деталей становятся шероховатыми, губчатыми, что способствует быстрому их истиранию взвешенными веществами. В свою очередь эти вещества, истирая поверхности деталей насоса, способствуют усилению кавитации. Кавитационному разрушению наиболее подвержены чугун и углеродистая сталь. Более устойчивы в этом отношении бронза и нержавеющие стали. В целях повышениях устойчивости деталей насосов применяют защитные покрытия. Для этого поверхности деталей наплавляют твердыми сплавами, используют местную поверхностную закалку и другие способы защиты. Однако основной мерой борьбы с преждевременным износом проточной части насосов является предупреждение кавитационных режимов их работы.

Для бескавитационной работы насоса необходимо обеспечить условия, при которых давление на входе в насос рв было бы больше критического, т. е. больше давления насыщенных паров перекачиваемой жидкости р„. Для предотвращения явления кавитации необходимо, чтобы удельная энергия потока (отнесенная к оси рабочего колеса насоса) была достаточной для обеспечения скоростей и ускорений в потоке при входе в насос и преодоления гидравлических сопротивлений без падения местного давления до значений, ведущих к образованию кавитации.

Кавитационный запас, т. е. превышение удельной энергии потока энергии, соответствующей давлению насыщенных паров перекачиваемой жидкости, равен:

 где h — абсолютное давление на входе в насос.

Допустимая геометрическая высота всасывания вычисляется из соотношений (2.26) и (2.32)

или

Таким образом, допустимая геометрическая высота всасывания насосной установки равна допустимой вакуумной высоте всасывания насоса минус потери напора во всасывающем трубопроводе. В технической документации на насосы (каталогах, паспортах и пр.) указывается допустимая высота всасывания (или допустимый кавитационный запас) для нормальных условий, т. е. для атмосферного давления 0,1 МПа (что приблизительно соответствует 760 мм рт. ст.) и температуры перекачиваемой жидкости 20°С.

Отметка оси насоса определяется в зависимости от принятой схемы его расположения: под залив или с положительной высотой всасывания.

Насосы, устанавливаемые под залив, располагаются так, чтобы верх корпуса находился на 0,3-0,5 м ниже минимального уровня воды в водоприемном колодце или резервуаре чистой воды. При схеме расположения с положительной высотой всасывания отметка оси насоса определяется по формуле:

z_нас = z_мин + H_геом^доп, м,(16.27)

где z_мин - минимальный уровень воды в водоприемном колодце или резервуаре чистой воды, м;; H_геом^доп - допустимая геометрическая высота всасывания насоса.

Допустимая геометрическая высота всасывания лопастных насосов определяется по формуле:

)где р_a - атмосферное давление, Па; р_пaр - давление насыщенных паров воды, Па; Δh^доп - допустимый кавитационный запас, принимаемый по характеристике насоса, м.

Если в характеристике насоса указана допустимая вакуумметрическая высота всасывания, то допустимая геометрическая высота всасывания рассчитывается по следующей формуле:

)где H_вак^доп - допустимая вакуумметрическая высота всасывания, м; v_вх - скорость воды во входном патрубке насоса? м/c; H_зап - запас, принимаемый равным 0,5-1,5 м.