2.2.4 Кавитация, допустимая высота всасывания

Давление жидкости, проходящей через насос, непрерывно изменяется в направлении движения и неодинаково в отдельных точках сечений проточной полости.

В обычных конструкциях центробежных насосов наименьшее давление наблюдается близ входа в цилиндрическое сечение рабочего колеса на вогнутой стороне лопастей, т.е. там, где относительная скорость и соответствующая ей кинетическая энергия, Дж/кг, достигают наибольших значений (рис. 2.64, зонаА). Если в зоне А давление оказывается равным или меньшим давления насыщения, соответствующего температуре всасываемой жидкости, то возникает явление кавитации.

Рисунок 2.64 К определению минимального давления в рабочем колесе.

Явление кавитации состоит в вскипании жидкости в зоне пониженного давления и в последующей конденсации пузырьков при выносе кипящей жидкости в область повышенного давления. При этом кавитационный процесс распространён по некоторой длине потока. Кавитация может быть местным процессом, характерным для короткого участка потока, в тех случаях, когда давление в сечении пульсирует около его среднего значения, равного давлению насыщенного пара при температуре всасываемой жидкости. В этом случае процессы вскипания и конденсации паровых пузырьков протекают с большой частотой, пульсирующим образом.

В любых случаях кавитации при быстрой конденсации парового пузырька окружающая его жидкость устремляется к центру пузырька ( центру конденсации) и в момент смыкания его объёма производит вследствие малой сжимаемости жидкости резкий точечный удар. Давление в точках смыкания паровых пузырьков при их конденсации в кавитационных процессах достигает нескольких мегапаскалей.

Если пузырёк пара в момент его конденсации находится на поверхности, ограничивающей поток, то удар приходится на эту поверхность и вызывает местное разрушение металла, называемое питтингом. Кавитация сопровождается термическим и электрохимическими процессами, существенно влияющими на разрушения поверхностей проточной части насосов.

Характер питтинга зависит от материала, из которого изготовлена проточная часть насоса. Так, питтинг чугунных деталей, например рабочих лопастей низконапорных насосов, даёт губчатую структуру с весьма неровной поверхностью и извилистыми узкими щелями, проникающими глубоко в металл и нарушающими прочность детали. В насосах высоконапорных, работающих при большой частоте вращения, с деталями, выполненными из обычных конструкционных и легированных сталей, питтинг проявляется в виде гладких, как бы проточенных впадин и канавок. Очень плохо противостоят кавитации неоднородные хрупкие материалы (чугун, керамика), наиболее устойчивы к кавитации легированные стали, содержащие хром и никель.

Кроме разрушения металла при кавитации у насоса снижается КПД. Работа насоса в кавитационном режиме внешне проявляется шумом, внутренним треском, повышенным уровнем вибрации, а при сильно развившейся кавитации – ударами в проточной части, опасными для насоса.

Кавитационный процесс можно разделить на три стадии. В начальной стадии зона кавитации заполнена смесью жидкости и более или менее крупных пузырьков пара. Во второй стадии в кавитационном потоке на ограничивающей поверхности образуются крупные каверны, срываемые потоком и вновь образующие. Третья стадия – суперкавитация: весь обтекаемый элемент гидромашины лежит в области каверны.

Работа насоса в стадии начальной кавитации нежелательна, но допустима, если детали насоса изготовлены из кавитационно – устойчивых материалов. В стадиях развитой кавитации и суперкавитации работа насоса становится ненадёжной и поэтому недопустима.

Кавитация возникает обычно во всасывающем тракте насоса на лопастях рабочего колеса, однако кавитационные процессы могут возникать и в напорных потоках в местах срыва жидкости с рабочих лопастей, направляющих лопаток, регулирующих органов.

Меры, предупреждающие возникновение кавитации: ограничение скорости жидкости в проточной полости насосов, применение радиальных форм сечений проточной полости и профилей лопастей, эксплуатация насосов в режимах, близких к расчётным.

В многоступенчатых насосах наиболее подвержено кавитации первое по ходу жидкости рабочее колесо, потому что на входе в него давление наименьшее. Чтобы повысить кавитационные качества таких насосов, перед первой ступенью их устанавливают предвключенное осевое колесо или шнек, состоящий из двух – трёх витков. Они выполняются из кавитационно – устойчивых материалов и развивают на входе в первое колесо многоступенчатого насоса давление, препятствующее возникновению кавитации.

Оценка кавитационного качества насосов производится на основе кавитационных характеристик, получаемых испытанием на специальных стендах.

Основной мерой против кавитации в насосах любых типов и конструкций является соблюдение такой высоты всасывания насоса, при которой кавитации не возникает (допустимая высота всасывания).

Установим способ расчёта допутимой высоты всасывания для бустерного насоса, включенного по схеме рис. 2.65, всасывающего питательную воду из деаэратора.

Рисунок 2.65 Схема к расчёту допустимой высоты всасывания

Уравнение Бернулли для потока АГ от поверхности воды в деаэраторе до входа в межлопатные каналы рабочего колеса насоса

,

где - абсолютное давление на поверхности воды в деаэраторе, Па;- абсолютное давление в насосе перед входным сечением межлопастных каналов, Па;- геометрическая высота всасывания, т.е. вертикальное расстояние между поверхностью воды в деаэраторе и точкойБ; с – абсолютная скорость на входе в межлопастные каналы рабочего колеса, м/с; - потеря напора во всасывающей трубе насоса, м.

Из этого уравнения следует

(2.110)

Условия входа в межлопастные каналы рабочего колеса определяются уравнением энергии относительного движения

,

из которого следует,

.

Разность называюткоэффициентом кавитации.

Следовательно,

(2.111)

Чем больше относительная скорость на вогнутой стороне рабочей лопасти близ входа в межлопастные каналы (рис.2.64), тем меньше давлениеи тем возможнее возникновение кавитации. При работе насосов в подобных режимах все скорости изменяются пропорционально, поэтому.

Из (2.110) и (2.111) следует

.

В случае расположения поверхности всасываемой жидкости выше оси насоса разность между геометрической высотой всасывания и потерей напора во всасывающем тракте насоса называют полной высотой всасывания . Поэтому

(2.112)

Условие возникновения кавитации в зоне минимального давления , где- давление насыщенного пара при температуре всасываемой жидкости.

Полная высота всасывания, при которой в зоне минимального давления возникает кавитация, называется критической высотой всасывания .

Уравнение (2.112) для случая возникновения кавитации можно записать так

.

Если пренебречь незначительным изменением температуры на пути АБ от уровня воды в деаэраторе до входа в межлопастные каналы рабочего колеса насоса, то величину следует рассматривать как кавитационный запас энергии в верхнем уровне (в деаэраторе).

Поэтому последнее равенство представляется так:

(2.113)

Для двух подобных режимов, отмеченных индексами 1 и 2, имеют место соотношения

. (2.114)

Поэтому из (2.113) следует

.

Кроме того, из пропорции (2.114) следует . Исключив из двух последних равенств, получим после алгебраических преобразований

(2.115)

Величину С, структурно сходную с коэффициентом быстроходности , называюткавитационным коэффициентом быстроходности. Значения коэффициента С для начальной стадии кавитации лежат в пределах 900 – 1500.

Формула (2.115) даёт возможность определения критической высоты всасывания по заданному коэффициенту С:

(2.115)

Геометрическая критическая высота всасывания определяется по формуле

или

(2.116)

Если полагать , тои

.

Работа насоса при недопустима, потому что при этом насос находится в начальной стадии кавитации. Нормальная эксплуатация насоса обеспечивается только при допустимой высоте всасывания, удовлетворяющей условию.

Противокавитационный запас напора следует принимать равным около 25% , поэтому в рассматриваемом случае

(2.117)

При расчёте допустимой высоты всасывания насосов двустороннего всасывания (тип Д) в формулу (2.117) следует подставлять под знаком корня половину полной подачи насоса.

Следует иметь в виду существенное влияние на допустимую высоту всасывания частоту вращения вала насоса.

Кавитационный запас энергии на уровне всасываемой жидкости зависит от давления насыщенного пара при температуре всасываемой жидкости. Поэтому из (2.117) следует, чтозависит от температуры жидкости. При расположении уровня всасываемой жидкости выше оси насоса повышение температуры увеличивает допустимую геометрическую высоту всасывания. Если уровень всасываемой жидкости располагается ниже оси насоса и давление на поверхности атмосферное, то чем выше температура жидкости, тем меньше. При некоторой температуре, обуславливающей достаточно высокое значение, величинастановится равной нулю и дальнейшее повышение температуры температуры требует установки насоса ниже уровня всасываемой жидкости.

Практически возможны два случая расположения насоса относительно приёмного резервуара (рис. 2.66).

Рисунок 2.66 Два случая установки насоса относительно уровня всасываемой жидкости

Установка рис. 2.66, а характерна для насосов, подающих жидкости с низкой температурой, а установка на рис. 2.66 б – для насосов, подающих жидкости с высокой температурой, а также при всасывании насосами холодной воды из ёмкостей с достаточно высоким вакуумом.

Установки, выполненные по схеме рис. 2.66, б, часто встречается в теплоэнергетике в схемах регенеративного подогрева и питания паровых котлов.

Когда насос подаёт горячую воду. Ёмкость из которой он всасывает, приходится располагать выше насоса. По соображениям удобства строительных работ и монтажа желательно по возможности уменьшить требуемую расчётом высоту установки приёмной ёмкости. Этого можно достигнуть увеличением диаметра всасывающего трубопровода, уменьшением его длины, а также выбором рациональной конструкции тех элементов всасывающего тракта, которые дают снижение местных потерь напора.

В некоторых случаях допустимую высоту всасывания можно изменить уменьшением или увеличением давления в ёмкости, из которой происходит всасывание.