Кавитация: основные понятия, причины возникновения и методы устранения

Кавитация (от лат. cavita — пустота) — процесс парообразования (газовыделения) и последующей конденсации пузырьков пара (газа) в потоке жидкости, сопровождающийся шумом и гидравлическими ударами, образование в жидкости полостей (кавитационных пузырьков, или каверн), заполненных паром самой жидкости, в которой возникает или растворённым газом.

Кавитационный след гребного винта

Кавитация возникает в области пониженного давления, где возникают растягивающие напряжения, которые приводят к разрыву жидкости и образующие полости - каверны заполняются парами жидкости и выделившимся из нее растворенным газом. Попадая в область высоких давлений паровые пузырьки (каверны) «захлопываются». Захлопывание каверн вызывает местный гидравлический удар, который может привести к разрушению (эрозии) стенок каналов. Действительно, давление в пузырьках остается постоянным и равным давлению упругости насыщенного пара, в то время как давление жидкости по каналу рабочего колеса повышается при течении жидкости от входа к выходу. Попадая в область высокого давления, пузыри схлопываются под действием высокого давления. Это схлопывание сопровождается местным повышением давления в несколько тысяч атмосфер. Если оно происходит на поверхности лопаток или других элементах насоса, то с их поверхности выбиваются частицы материала, из которого они сделаны. Это явление называется эрозией. Этот процесс можно определить по потрескивающим звукам, которые усиливаются с увеличением кавитации.

Возникновение и развитие кавитации в жидкости связано с наличием так называемых ядер кавитации. В технических жидкостях всегда имеются ядра кавитации. Они являются теми слабыми точками, в которых нарушается сплошность жидкости, и возникают кавитационные явления. Наиболее вероятно, ядра кавитации представляют собой нерастворенные газовые включения, в том числе в порах и трещинах, а также микрочастицы, взвешенные в жидкости.

Если в жидкости присутствуют свободные или растворенные газовые включения, то кавитация будет протекать более интенсивно, с большим шумом и вибрациями.

Кавитация приводит к трем основным отрицательным последствиям:

1. К срыву подачи, напора, мощности и к.п.д.

2. К эрозионному износу элементов насоса: рабочего колеса, вала и т.д.

3. К звуковым явлениям: шуму, вибрации установки, а также к низкочастотным автоколебаниям давления в трубопроводах.

Повреждения, наносимые эффектом кавитации, лопастного насоса.

Кавитационные повреждения гребного винта

В насосах кавитация возникает при давлении перед входом в насос существенно превышающем давление парообразования при данной температуре жидкости. Это означает, что область минимального давления располагается внутри проточной части насоса. Падение давления внутри проточной части насоса (по сравнению с входным давлением Р_вх) связано с обтеканием лопаток. При обтекании лопаток, как при обтекании любого тела, образуется область пониженного давления Р_min.

Как только давление станет ниже давления насыщенного пара, то образуется кавитация. В потоке жидкости такое падение давления происходит обычно в области повышенных скоростей и при перекачивании горячих жидкостей в условиях, когда происходит интенсивное парообразование в жидкости, находящейся в насосе. Пузырьки пара попадают вместе с жидкостью в область более высоких давлений, где мгновенно конденсируются. Жидкость стремительно заполняет полости, в которых находился сконденсировавшийся пар, что сопровождается гидравлическими ударами, шумом и сотрясением насоса. Кавитация приводит к быстрому разрушению насоса за счёт гидравлических ударов и усиления коррозии в период парообразования. При кавитации производительность и напор насоса резко снижаются.

Зависимость напора насоса от давления на входе при постоянном расходе и постоянной частоте вращения называется кавитационной характеристикой. Такие характеристики снимаются на специальных стендах (рис. 17).

Рис. 17 Схема определения кавитационных характеристик насоса: 1 – насос; 2 – датчик для измерения расхода; 3 – вентиль; 4 – вакуум-насос; 5 – резервуар

Уменьшение давления перед насосом Р_вх достигается вакуумированием воздушной подушки в резервуаре. Во время испытаний насоса при постоянном значении расхода Q и постоянных числах оборотов определяют значения давлений на входе, при которых появляются кавитационные явления.

По результатам испытаний строятся кавитационные характеристики (рис. 18).

Рис. 18. Изменение напора и расхода насоса при уменьшении давления на его входе

При давлении на входе равного Р_нач в насосе возникает кавитация, которая сказывается в появлении мелких пузырьков и шума от их схлопывания. Дальнейшее уменьшение давления от Р_нач до Р_кр, несмотря на развитие кавитации (увеличивается количество и объем пузырьков), не приводит к изменению напора и к.п.д. насоса, но при этом могут усиливаться эрозионные и колебательные явления.

При давлении Р_кр, напор начинает снижаться (одновременно с напором снижается к.п.д. насоса). Это критический режим.

При давлении на входе насоса равного Р_срв напор и расход резко падают. Это - срывной кавитационный режим.

На кавитационной характеристике насоса можно выделить несколько областей:

• режим начальной кавитации (или скрытая кавитация) насоса, когда Р_кр < Р_вх < Р_нач,

• критический режим Р_срв < Р_вх < Р_кр, при котором заметен излом напорной характеристики. При этом зона распространения кавитационных полостей в насосе невелика.

• режим P_вх < P_срв, при котором наблюдается срыв всех основных параметров насоса. При этом вся проточная часть насоса практически занята паровой или газовой каверной.

Для насосов длительного использования, например, для отопления или водоснабжения, важно избежать даже начальной стадии кавитации.

В этом случае, давление на входе Р_в должно быть больше давления Р_нач. Это позволит избежать появления кавитационного шума и эрозионного износа элементов насоса.

Возможными причинами появления кавитации в процессе обслуживания, кроме факторов, зависящих от конструктивных особенностей насоса, могут быть следующие: 

• - увеличение подачи насоса сверх номинальной и повышение скорости вращения вала (в этих случаях происходит увеличение скорости жидкости на входе в колесо и падение давления на всасывании);

• - повышение сопротивления во всасывающей линии (в результате установки дополнительной арматуры, изменения формы и длины трубопроводов, засорения фильтров);

• - снижение давления на входе в насос по технологическим причинам (снижение уровня в питающем аппарате);

• - повышение температуры перекачиваемого продукта или увеличение наличия в нем растворенных газов (при этом снижается давление паров);

• - частицы жидкости при движении изменяют свои траектории (также возможен их отрыв). 

Кавитационное течение характеризуют безразмерным параметром (числом кавитации):

,

где,

 — гидростатическое давление набегающего потока, Па;  — давление насыщенных паров жидкости при определенной температуре окружающей среды, Па;  — плотность среды, кг/м³;  — скорость потока на входе в систему, м/с.

В зависимости от величины   можно различать четыре вида потоков:

• докавитационный — сплошной (однофазный) поток при  ,

• кавитационный — (двухфазный) поток при  ,

• пленочный — с устойчивым отделением кавитационной полости от остального сплошного потока (пленочная кавитация) при  ,

• суперкавитационный — при  .

Исключить или значительно уменьшить кавитацию в насосах можно следующими конструктивными мероприятиями:

1. Увеличение давления на всасывающей линии

2. Увеличение диаметра всасывающего трубопровода.

3. Уменьшение длины всасывающего трубопровода.

4. Уменьшение расхода через насос или уменьшение числа оборотов.

5. Снижение температуры перекачиваемой жидкости, что соответствует уменьшению парообразования.

6. Снижение местных сопротивлений.

7. Увеличение площади и изменение формы всасывающего отверстия.

8. Применение эжекции во всасывающем трубопроводе.

Дает возможность повысить всасывающую способность насоса за счет использования кинетической энергии струи жидкости. Направление всего потока жидкости или его части позволяет создать избыточное давление во всасывающей камере насоса. На рис. 19 представлена упрощенная схема использования эжекции для повышения всасывающей способности насоса. Перед фильтром за счет его гидравлического сопротивления давление жидкости составляет не менее 0,35 МПа, а при понижении температуры (повышении вязкости) и засорении фильтроэлемента оно значительно увеличивается. Это давление можно использовать для направления части потока непосредственно во всасывающую линию насоса. Таким образом, такое простое конструктивное решение позволяет практически полностью избежать кавитационного режима работы насоса.

9. Оптимизация вязкости рабочей жидкости.

Чем меньше вязкость рабочей жидкости, тем меньше гидравлические сопротивления местные и путевые) и потери давления во всасывающем трубопроводе.

10. Уменьшение шероховатости внутренней поверхности всасывающего трубопровода.

Также позволяет несколько повысить всасывающую способность насосов, особенно при низких температурах, когда шероховатость оказывает большее влияние на коэффициент трения вязкой жидкости. Изготовление всасывающих трубопроводов из пластмасс практически решает эту проблему.

11. Дегазация рабочей жидкости.

Почти полностью исключает кавитационный режим работы насосов и существенно повышает их всасывающую способность, особенно при оптимальных температурах рабочей жидкости.

От действия кавитации поверхности деталей становятся шероховатыми и губчатыми, что способствует быстрому истиранию деталей содержащимися в жидкости включениями. В свою очередь твердые частицы, истирая поверхности деталей, содействуют усилению кавитации.

Рис. 19. Применение эжекции во всасывающем трубопроводе: 1 – приёмный бак; 2 – насос; 3 – приёмный трубопровод; 4 – эжекторный насос; 5 – гидрораспределитель; 6 – приёмный фильтр; 7 – всасывающий трубопровод

Особенно сильно кавитационному разрушению подвержены чугун и углеродистая сталь. Наиболее устойчивы в этом отношении насосы из нержавеющей стали и бронзы.

В последнее время в насосостроении, наряду с улучшением качества материалов (использованием выококачественныx сталей), начали применять защитные покрытия деталей, наиболее подверженных действию кавитации и истиранию.

Защитные покрытия могут быть следующих видов:

а) наплавка поверхностей твердыми сплавами;

б) металлизация поверхностей в холодном состоянии;

в) местная поверхностная закалка.

Запас на кавитацию – высота, на которую необходимо уменьшить всасывающую линию, чтобы предотвратить возникновение кавитации. Для центробежных насосов приводится в паспорте насоса. При отсутствии данных может быть вычислена по упрощённой формуле Руднева:

где A – коэффициент, зависящий от конструкции рабочего колеса насоса; V –

производительность насоса в м³/с; n – частота вращения рабочего колеса насоса. Если частота вращения рабочего колеса насоса выражена в с^-1, то коэффициент A ≈ 0,3; если частота выражена в мин^-1, коэффициент A ≈ 0,00125.

Запас на инерцию – высота, на которую необходимо уменьшить высоту

всасывающей линии, чтобы предотвратить отрыв поршня или плунжера от

жидкости вследствие сил инерции в поршневых и плунжерных насосах. Для

поршневых и плунжерных насосов, снабжённых гидроаккумулятором (воздушным колпаком) на всасывающей линии, вычисляется по формуле:

где L – высота столба жидкости во всасывающем трубопроводе, отсчитываемая

от свободной поверхности жидкости в гидроаккумуляторе; g – ускорение свободного падения; S1 и S2 – площади сечения соответственно поршня (плунжера) и трубопровода; u – окружная скорость вращения, r – радиус кривошипа.

ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ И ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНАЯ РАБОТА НАСОСОВ

При эксплуатации насосных установок зачастую практикуется параллельное и последовательное соединение нескольких насосов для увеличения расхода, подаваемого в общую магистраль, или напора.

Обвязка насосной станции

Параллельное соединение применяется в тех случаях, когда в подключаемой магистрали необходимо поддерживать переменный расход, а последовательное при необходимости поддерживать переменный напор. Чаще всего в насосных станциях применяется последовательно – параллельное соединение насосов.

Ниже приводяться типовые схемы обвязки насосов.

Рис. 20. Последовательное соединение насосов

Рис.21. Параллельное соединение насосов

Рис. 22. Параллельно – последовательное соединение насосов. Вариант 1

Рис. 23. Параллельно – последовательное соединение насосов. Вариант 2

Подача центробежного насоса зависит от напора и, следовательно, в значительной степени от гидравлического сопротивления трубопроводов и сети движению жидкости, определяемого их диаметром. Поэтому система «насос — трубопроводы» должна рассматриваться как единая система, а выбор насосного оборудования и трубопроводов должен решаться на основании расчета совместной работы составляющих элементов системы.

Совместная работа насосов и сети характеризуется точкой материального и энергетического равновесия системы. Для определения этой точки необходимо вычислить энергетические затраты в системе «трубопроводы — сеть».

Аналитический расчет режимной точки работы насоса довольно трудоёмкий процесс, так как приходится оперировать четырьмя переменными величинами, которые находятся между собой в функциональной зависимости.

При расчете системы «насос — трубопроводная сеть» используют метод последовательного приближения или производят расчет на ЭВМ. Однако эти вычисления не дают наглядности, и анализ работы насоса весьма затруднен. В практике гидравлического расчета насосных станций и при анализе режимов работы насосов широко применяется метод графо-аналитического расчета совместной работы системы «насосы — сеть».

Насосы в системе работают в соответствии с характерной для них зависимостью между Q и Н, т. е. график работы насоса определяется его характеристикой Q — H (рис. 24).

Рис. 24. Рабочие характеристики центробежного насоса

Потери напора в трубопроводах складываются из потерь на преодоление трения при движении жидкости по трубопроводу и потерь на преодоление сопротивлений в его фасонных частях (местных сопротивлений). Для определения работы динамических насосов в сети строят графическую зависимость работы насоса с сетью (рис.25.)

Рис. 25. График работы насоса на сеть

Ниже приводятся методы определения рабочих режимов при совместной работе центробежных насосов применительно к различным условиям их установки.

а) Параллельная работа насосов с одинаковыми характеристиками .

На рис. 26 показаны: кривая I — характеристика насоса, а кривая II — трубопровода.

При работе одного насоса режим его определится точкой А с подачей Q₁ При одновременной работе двух насосов их суммарная рабочая характеристика (кривая III) строится путем удваивания абсцисс для каждой точки кривой I. Точка С пересечения суммарной характеристики III с характеристикой сети II определит рабочий режим насосов при их совместной параллельной работе на данный трубопровод. Как видно, расход не удвоился, так как напор возрос. Мы как бы прикрыли вторым насосом задвижку у первого, т. е. режим работы каждого насоса определится уже точкой В, лежащей на горизонтали, проведенной из точки С до пересечения ее с характеристикой насоса I. Каждый насос теперь подает количество Q _II (точка В), а два насоса 2Q_II (точка С).

Рис. 26. Характеристика параллельной работы двух одинаковых насосов.

Если бы характеристикой сети была кривая IV, то точка D определяла бы суммарный расход двух насосов, а точка Е одного. Из этого следует, что для значительного увеличения производительности при параллельной работе насосов характеристика сети должна быть пологой.

В случае параллельной работы трех и более насосов построение ведется аналогичным способом, т. е. абсциссы утраиваются и т. д. При остановке одного из насосов другой увеличит свою подачу, перейдя в точку А. При этом потребляемая им мощность возрастает, и следовательно, двигатель к насосу следует выбирать с запасом мощности против той, которую он расходует при совместной работе.

При длинном соединительном трубопроводе между двумя одинаковыми насосами (также если у одного из рядом стоящих насосов прикрыта напорная задвижка) для определения рабочих режимов необходимо учитывать различные в условиях их работы. По схеме рис. 27,а соединительный трубопровод является дополнительным сопротивлением для насоса I по отношению к II. В этом случае условная характеристика насоса I (кривая I рис. 27,б), отнесенная к месту подключения в сеть насоса II, найдется путем вычитания из ординат его характеристики Q—Н (кривая I-II) величины сопротивления всасывающего трубопровода и участка трубопровода l₁. Аналогично должна быть построена и условная характеристика насоса II. Суммарная характеристика (кривая III) получается путем сложения абсцисс кривых I и II при одинаковых ординатах. Так, например, для точки d имеем ad=ab+ac и т. д. Если кривая IV будет характеристикой трубопровода l₂, то точка А определяет рабочий режим при совместной параллельной работе насосов. Проводя через точку А горизонталь, найдем точки С и В. Первая определяет режим работы насоса II, вторая — насоса I.

Рис. 27. Характеристика параллельной работы отдалённых двух насосов

б) Параллельная работа насосов с разными характеристиками.

На рис. 28 кривые I и II— характеристики двух разных насосов. Суммарная характеристика (кривая III) начинается в точке A, а последующие ее точки получаются суммированием абсцисс кривой I и участка АВ кривой II при равных напорах. На участке СА возможна работа только одного насоса II и от точки А в параллельную работу включается второй насос. В этом случае насссы должны быть подобраны так, чтобы режимы их работы отвечали по возможности максимуму К.П.Д. Кроме того, необходимо следить за тем, чтобы разбиваемый насосами напор не превосходил максимального напора Нмакс любого из включенных в параллельную работу насосов.

Рис. 28. Характеристика параллельной работы двух насосов с разными характеристиками

в) Параллельная работа центробежных насосов с поршневыми.

На рис. 29 приведены характеристики насосов: центробежного I и поршневого II, работающих при постоянном числе оборотов. Суммарная характеристика III получается сложением характеристик I и II, т. е. в данном случае путем переноса кривой I вправо на величину Qн - const. При постоянном числе оборотов производительность поршневого насоса постоянна и при совместной работе с центробежньцм насосом будет изменяться лишь подводимая к нему мощность вследствие увеличения сопротивлений общего трубопровода для больших расходов. Точка с определяет суммарный расход для данного трубопровода. При перемещении ее влево будет изменяться положение точки b, определяющей расход центробежного насоса, т. е. все изменение режима по расходу принимает на себя только центробежный насос. C эксплуатационной стороны совместная работа таких насосов, несмотря на различие в принципах их работы, протекает вполне устойчиво.

Рис. 29. Характеристика параллельной работы центробежного и поршневого насосов

г) Последовательная работа центробежных насосов.

Общее назначение таких установок — создание больших напоров. Но в некоторых случаях последовательная работа практикуется для увеличения производительности.

Если для простоты взять два одинаковых насоса, характеристика которых изображена на рис. 30 (кривая I), то в последовательной работе их суммарная характеристика (кривая II) строится путем удвоения ординат кривой I при одинаковых абсциссах. При заданной характеристике сети (кривая III) рабочий режим одного насоса определяется точкой А. Предположим, что необходимо повысить давление в напорном резервуаре или увеличить геодезическую высоту подъема на Н₀, сохраняя производительность Q₁. Включается последовательно второй насос. Рабочий режим теперь определяется точкой В кривой II, а характеристика сети сместится вверх на высоту H₀.

Рис. 30. Характеристика последовательной работы двух одинаковых насосов

д) Работа насоса на разветвленную сеть.

При определении расходов в отдельных ветвях трубопровода (рис. 31) воспользуемся следующими приемами. Весь трубопровод разбиваем на три участка: l₁ — длина его до места разветвления , l₂ и l₃ —длины отдельных ветвей. Зная размеры каждого отрезка трубопровода, можно построить их характеристики, отнесенные к соответствующим геодезическим высотам. Напоры в узле А при различных режимах работы насоса найдутся, если из ординат, характеристики насоса (кривая I) вычтем ординаты характеристики трубопровода l₁, (кривая II). Произведя эту операцию для всех расходов, получим кривую III — условную характеристику насоса, приведенную к узлу A. Суммарная характеристика трубопроводов l₂ и l₃ (кривая IV) строится путем сложения их абсцисс при одинаковых ординатах, так, например, ab+ac=ad и т. д. Начинается кривая IV от точки е. Пересечение кривых IV и III определяет рабочий режим системы. Для определения расходов, нагнетаемых в каждой из двух линий трубопровода после разветвления, проводим через точку D горизонталь, которая в пересечении с кривыми трубопроводов l₂ и l₃ в точках В и С определит эти расходы Q₁ и Q₂.

Рис. 31. Характеристика насоса на разветвленную сеть