9.3.3. Явление кавитации и высота всасывания насоса

Нарушение сплошности потока жидкости, обусловленное появлением в ней пузырьков или полостей, заполненных паром, называется кавитацией. Кавитация возникает в насосе при снижении давления до давления насыщенных паров р_н.п перекачиваемой жидкости. В лопастном насосе кавитация возникает обычно вблизи входной кромки лопасти рабочего колеса. Давление здесь значительно ниже давления во всасывающем патрубке насоса из-за местного возрастания скорости при натекании на лопасть и из-за гидравлических потерь в подводе. Кавитация может возникнуть в насосе при больших геометрических высотах всасывания, при высокой температуре перекачиваемой жидкости, при большом сопротивлении всасывающей линии насоса (забита всасывающая сетка, большая длина и малый диаметр подводящего трубопровода и т.д.). Кавитацию сопровождают следующие основные явления.

1. Конденсация пузырьков пара, которые увлекаются потоком жидкости в область повышенного давления.

2. Эрозия материала стенок межлопастного канала в рабочем колесе насоса.

При конденсации пузырьков пара давление внутри пузырька остается постоянным и равным р_н.п, давление же в потоке жидкости повышается по мере продвижения пузырька к выходу из межлопастного канала рабочего колеса. Частицы жидкости, окружающие пузырек, находятся под действием все возрастающей разности давления жидкости и давления внутри пузырька и движутся к его центру ускоренно. При полной конденсации пузырька происходит столкновение частиц жидкости, сопровождающееся мгновенным местным повышением давления, достигающего тысяч атмосфер. Это приводит к выщербливанию материала стенок каналов. Описанный процесс разрушения стенок каналов называется эрозией и является наиболее опасным следствием кавитации.

3. Звуковые явления (шум, треск, удары) и вибрация насоса, являющиеся следствием конденсации пузырьков пара, приводящей к мгновенным местным повышениям давления и ударам жидкости о стенки каналов.

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

Уравнение Бернулли, записанное для сечений I-I и II-II (см. рис. 9.8), приведено в разд. 9.3.1.2 (9.7) в таком виде:

.

Так как , то , (9.22)

где Н_вак - вакуумметрическая высота всасывания, которая характеризует разряжение, возникающее у входа в насос; Н_вс - геометрическая высота всасывания, которая определяет высоту установки насоса над уровнем жидкости. Допустимая вакуумметрическая высота всасывания Н_вак дается в каталоге или паспорте насоса. Она зависит от вида перекачиваемой жидкости, её температуры (т.е. р_н.п), атмосферного давления, конструктивных особенностей насоса и др. Обычно допустимая вакуумметрическая высота всасывания указывается при атмосферном давлении 10⁵ Па и температуре жидкости 20 ^oС. Если давление отличается от атмосферного, то Н_вак должна быть изменена по сравнению с данными каталога (паспорта) на величину отклонения давления от атмосферного (от 10 м вод. ст.). Допустимая геометрическая высота Н_вс всасывания (9.22) меньше вакуумметрической на величину скоростного напора во всасывающем патрубке и на величину потерь напора во всасывающей линии (потери в сетке с обратным клапаном, задвижке, линейные потери в трубопроводах, повороты, соединения и т.д.). Давление у входа в насос (9.7), (9.22) и, следовательно, в рабочем колесе насоса тем меньше, чем больше высота всасывания, гидравлическое сопротивление всасывающей линии и чем меньше давление в приемном резервуаре или чем ниже атмосферное давление. При снижении давления до давления насыщенных паров р_н.п перекачиваемой жидкости в насосе возникает кавитация, которая и ограничивает допустимую высоту всасывания. Кавитационным запасом h называется превышение полного напора жидкости во всасывавающем патрубке насоса над , т.е. напором соответствующим давлению насыщения

. (9.23)

Если весь кавитационный запас преобразуется в кинетическую энергию жидкости и израсходуется на преодоление гидравлического сопротивления подвода насоса, то давление понизится до р_н.п и возникнет кавитация. Кавитационный запас, при котором происходит кавитация, называется критическим. Для определения критического кавитационного запаса производят кавитационные испытания насоса на установке, показанной на рис. 9.19, в результате которого для каждого режима работы насоса получают кавитационную характеристику (рис. 9.11).

Рис. 9.11. Кавитационная характеристика работы насосов

Она представляет собой зависимость напора и мощности от кавитационного запаса при постоянной подаче и числе оборотов. При больших кавитационных запасах кавитационные явления отсутствуют и величины напора и мощности от кавитационного запаса не зависят.

Возникновение кавитации приводит к уменьшению напора и мощности насоса. Для того чтобы насос не работал в режиме кавитации, назначают небольшое превышение допустимого кавитационного запаса над критическим

, (9.24)

где  = 1,2 - 1,4.

Зная допустимый кавитационный запас, можно найти из уравнений (9.7) и (9.23) для данной насосной установки допустимую геометрическую высоту всасывания

(9.25)

или , (9.26)

где h_атм - напор, соответствующий атмосферному давлению, м ст. перекачиваемой жидкости; h_нп - напор, соответствующий давлению насыщенных паров перекачиваемой жидкости, м ст. жидкости. При перекачке холодной воды t < 20 С h_атм = 10 м; h_н.п 0  и

. (9.27)

Из уравнения (9.23) допустимая вакуумметрическая высота всасывания

. (9.28)

При перекачке холодной воды м вод. ст.

Величина обычно много меньше 10 м. С учетом этого допустимая вакуумметрическая высота всасывания при перекачке холодной воды достаточно точно определится соотношением

. (9.29)

Величина h_кр зависит от типа и конструкции насоса и устанавливается экспериментально. Условились за величину h_кр принимать тот кавитационный запас, при котором снижение напора насоса при его кавитационном испытании достигает 2 % номинального, т.е. при отсутствии явления кавитации. На основании обобщения опытных данных С.С. Рудневым получена формула для определения критического кавитационного запаса центробежных насосов:

, (9.30)

где С_кр - постоянная, зависящая от конструктивных особенностей насоса и называемая кавитационным коэффициентом быстроходности; Q - подача в м³/с (для рабочих колес двухстороннего входа в формулу (9.30) следует подставить Q/2); n - число оборотов в минуту рабочего колеса; h_кр, м.

Значение С_кр зависит от быстроходности насоса n_s (см. формулу (9.75) и табл. 9.2):

Таблица 9.2

nS	50-70	71-80	81-150	151-250
Скр	600-750	800	800-1000	1000-1200

Таким образом, критический кавитационный запас может быть определен опытным путем или по формуле (9.30). С увеличением подачи насоса h_кр увеличивается (9.30), а и уменьшаются.