12.5. Допустимая высота всасывания. Явление кавитации

Обычно, прежде чем установить насос, определяют его высоту всасывания. Необходимо различать при этом вакуумметрическую высоту всасывания h_вак., характеризующую степень разряжения, возникающее у входа в насос и геометрическую высоту всасывания h_вс, определяющую высоту установки оси насоса над уровнем жидкости.

Рис. 12.3. Иллюстрация явления кавитации

Вакуумметрическая высота всасывания h_вак зависит в основном от атмосферного давления, температуры, удельного веса перекачиваемой жидкости, от конструктивных особенностей насоса и т.д. Эта высота обычно указывается в каталогах насосов при давлении, равном одной атмосфере и температуре воды до 20˚. Если атмосферное давление отличается от нормального, то вводится поправка.

Можно установить связь между вакуумметрической и геометрической высотами всасывания, а затем определить величину h_вс, используя уравнение Бернулли.

На рис. 12.3 выберем плоскость сравнения 0-0, которая совпадает с поверхностью жидкости в резервуаре, и эту же поверхность примем за первое сечение; второе сечение возьмем у входа в насос (1-1).

Запишем уравнение Бернулли для выбранных сечений:

, (*)

где V₀ – скорость жидкости в резервуаре; величина очень малая (практически V₀=0);

P_вс и V_вс – давление и скорость во всасывающей трубе.

Учитывая, что и, решая уравнение (*) относительно h_вс, получим:

. (**)

Так как P_а - P_вс = P_вак и , то формула (5.23) видоизменится:

.

Отсюда видно, что вакуумметрическая высота всасывания h_вак расходуется на подъем жидкости на высоту h_вс, на создание скорости и на преодоление сопротивлений во всасывающей линии.

Далее определим допустимую высоту h_{вс (доп.)}

Из формулы (**) видно, что максимальная теоретически допустимая высота всасывания будет наблюдаться в том случае, когда выражение в скобках равно нулю. Тогда:

.

Однако в действительности выражение в скобках не равно нулю, но чем оно меньше, тем h_вс будет больше. Наиболее существенное увеличение h_вс при данной подаче дает уменьшение потерь напора h_rl(вс) и уменьшение давления на входе в насос P_вс . Уменьшение давления P_вс ограничено.

Для обеспечения нормальной работы насоса необходимо, чтобы давление на входе в насос P_вс было всегда больше давления насыщенных паров P_п перекачиваемой жидкости при данной температуре. Если давление P_вс станет равным или меньше P_п, то образующиеся на входе в насос и в корпусе пары жидкости нарушат нормальную работу насоса, т.е. наступит кавитация, что при работе насоса недопустимо. Поэтому теоретически минимальная величина P_вс равна P_п, а величина максимально допустимой высоты всасывания определится из формулы (**), если в нее вместо P_вс подставить P_п , тогда:

.

Однако на практике на входе в насос необходимо иметь более высокое давление:

P_вс = P_п + ∆P ,

где ∆P – гарантирующий от наступления кавитации запас давления, определяемый по формуле Руднева:

,

где С_k = 800...1000 в зависимости от конструкций насоса (кавитационный коэффициент быстроходности).

Учитывая изложенное выше, можно получить формулу для определения допустимой высоты всасывания:

. (***)

Таким образом, допустимая высота всасывания h_вс(доп) зависит от давления насыщенных паров P_п перекачиваемой жидкости, а следовательно и от температуры жидкости, поскольку давление P_п увеличивается с повышением температуры жидкости, зависит от запаса давления ∆P, от потерь напора при всасывании h_rl(вс) и от рода перекачиваемой жидкости.

Чтобы увеличить геометрическую высоту всасывания h_вс, необходимо уменьшить величины, влияющие на нее. Прежде всего нужно уменьшить потери напора h_rl(вс), что достигается установкой возможно более короткого всасывающего трубопровода с большим диаметром, имеющим минимум перегибов и местных сопротивлений. Снизить P_п в большинстве случаев невозможно, постольку P_п зависит от температуры перекачиваемой жидкости.

Величина скоростного напора практически мало оказывает влияния на h_вс , так как она невелика по сравнению с остальными слагаемыми и с увеличением диаметра всасывающего трубопровода еще больше уменьшается.

Если по расчету получается h_вс < 0, то насос необходимо устанавливать ниже уровня жидкости в питающем резервуаре (затопленный насос). Практически высота всасывания центробежного насоса колеблется в пределах от 4,5 до 6,5 м при t = 10-30˚С.

Рассмотрим несколько подробнее явлении кавитации, которое может возникнуть при работе насоса, если давление на входе лопасти рабочего колеса P_вс станет меньше давления насыщенных паров P_п. В этом случае происходит интенсивное выделение паров в виде массы пузырьков, движущихся вместе с жидкостью, жидкость «закипает» при данной температуре. Паровые пузырьки, попадая в каналы между лопастями (область повышенного давления), быстро конденсируется. В образовавшиеся пустоты с большой скоростью устремляются со всех сторон окружающие частицы жидкости, и, заполняя их, жидкость мгновенно останавливается, вызывая гидравлические удары. Давление при этих ударах достигает 1000 и более атмосфер. Если пузырьки находились на стенках колеса или корпуса, то ударные явления приводят к выкрашиванию отдельных частей металла и насос выходит из строя.

Кавитация обнаруживается по шуму, треску и вибрации при работе насосов. При кавитации нарушается нормальное движение жидкости в рабочем колесе и неразрывность потока жидкости, что приводит к снижению напора, подачи и КПД насоса. Для избежания кавитации насос нужно установить таким образом, чтобы давление на входе в рабочее колесо было больше давления насыщенных паров перекачиваемой жидкости, т.е. чтобы был создан запас давления ∆P над давлением насыщенных паров P_п, а допустимая высота всасывания определялась по формуле (***).