книги / Насосы и вентиляторы.-1

Рио. 16. Влияние на напор насоса: а - ynLi установки лопа­

'JJ

В насосе с лопаточным аппаратом гре'плеская харавмрнстйиа: протекает круче, чем г насосе о беггопаточквм аппаратом.

Г Л 4 3 А Ц

КАЗИТАЩИ В ЛОПАТОЧШ *( НАСОСАХ

I . Сущность явления кавитации

Кавитация представляет собой процесс нарушения сплошного по­ тока жидкости, происходящий там, гдд местное давление, понижаясь, достигает некоторой критической величины. Процесс сопровождается образованием пузырьков, наполненных парами жидкости, а также га -

закц (воздух/, выделившемся из жидкости. Образованно пузырьков имеет много оощею с ккпенкем жидкости, поэтому данный процесс отождествляю? с кипением, а в качестве критического давления, при котором начинается кавитация, ггринимают давление насыщенных паров жидкости при данной температуре [ 4 ] . В действительности давление, при котором начинается кавитация, существенно зависит от физического состояние жидкости. При большом количестве в жид­

кости растворенного воздуха уменьшение давления приводит к выделе­ нию из нее воздуха и образованию газовых подсетей (кавзрн), в ко­ торых давление выше, чем явление наскщьньых паров жидкости.

При этом внутри пузырька возникают высокие давления и температу­ ры, а та:уоэ слабое свечение. Схлоттваггие'пуырька происходит в

мэлкие пузырьки <югут образовываться в мельчайших* трещинах на поверхностное, ограничивающих жидкость. Кавитация обычно начина­ ется вблизи таких границ. Если в жидкости имею?#! взвешенные твердые частицы, то они также зыполннют роль лоьеохзогтеп, на которых образуются ядра кавитации. Подобную кавитацию, механизм которой обусловлен ростом и схлотшеаг :ем ц/эырькоь, называют га­ зовой.

В текущей жидкости в точках наибсюсь&ей скорости, где мест­ ные давления достигают давления упругости пара, возникают пузырь­ ки, которые сливаются в каверны, образз^я кавитационные полости, которые затем онос-.тсл вниз по течению жидкости, попадают в об­ ласти с низкими скоростями и высокими давлениями, смыкаются и разрушаются. Область смыкания каверны неустойчива, в результате чего создаются пульсации.

Наиболее легко наблюдать явление кавитации на цримере про­ текания воды через • текдянную трубу с местным сужением (расхо­ домер Вентури). Увеличение расхода жидкости приводит к тэыу, что при большой скорости течения давление в сучении падает дэ крити-

Ряс. 17. Стадии развития кавитации в расходомере Вентури: а - начинающаяся; б - ’частично развив­

шаяся; 3 - полностью развившаяся

ла, а температура ее значительно превышает температуру, соответст­ вующую давлению парообразования Р* . На входе в трубку Вентури Статическое давление, было значительно больше, чем давление паро­ образования. Большему давлению входа Р** соответствует и большая температура входа Тах . Поскольку теплообмен жидкости с внешней средой отсутствует (систему следует считать теплойзолнциокной), то жидкость, попадая в область низких давлений, обладает белы й "температурой, чем это соответствует давлению парообразования, при этом она начнет кипеть (происходит ее разрыв); в нее попадают пузырьки газа, пара, воздуха. Образовавшаяся двухфазная смесь по­ током переносится в область более высокого давления, в которой паровые пузырьки конденсируются, а газовые ожидаются (смыкаются).

Процесс конденсации парового и сжатия газового пузырьков происхо­ дит мгновенно. Вследствие быстрого освобождения объема, занимаемо­ го паром, жидкость устремляется внутрь этого объема с большой ско­ ростью. Кинетическая энергия соударяющихся частиц в момент смыка­ ния пузырьков вызывает местные гидравлические удары, сопровождаю­ щиеся высокими забросами давления и температуры в центры пузырь­ ков. ( Т =1000...I5ûO°C, Р * (Ï5 ,..2 0 )* I0 Ô Па). Совокупность гидравлических ударов о стенки материала приводит к его разруше­ нию.

Ударные действия частиц жидкости на ггеталл дополняются хими­ ческим воздействием киаторода, выделяющегося из жидкости, а так­ же процессами электролитического характера. При этом происходит ак­ тивное окисление металлов (коррозия) - металл как бк горит (окис­ ление есть горение).

Окислительные процессы усиливаются в результате разрушения охисной -пленки металлов (в обычных условиях она замедляет окис­ ление), поскольку под действием гидроударов имеется прямой дос~* туи кислорода к*металлу, которого в жидкости содержится в не'толь­ ко рае больше, чем в атмосферном воздухе. ^

В результате кавитации пр юхч^дит разрушение (зрозйя) поверх­ ности деталей тг^бки Вентури.

Каверны, ксторыо смыкаются и разрушаются вдали от стенок трубки, создают пульсации вызывающие шсокочастотьые и низко­ частотные колебания жидкости. Конденсация пузырьков лри этом со­ провождается специфическим шумом, который фиксируется специельнчми акустччесгоми приборами* Ва рис. Т'7 приведены различные, стадии развития кавитации в расхсдсморо Вентури, полученные с помощью высокочастотной киносъемки.

Начинающаяся кавитация проявляется в виде ^установившейся кавитационной зоны, которая периодически возтясает и исчезает. По мере увеличена/, расхода жидкости кавитационная зона становит­

зовавшаяся в самом узком меоте, прёдставляет собой двухфазную сжимаемую смесь лздкости и пара, в которой скорость распростра­ нения малых возмуи . чий (звука) невелика (практически на порядок меньше, чем в чистой жидкости). Это узе при незначительной объем­ ной концентрации пузырьков обусловливает возможность появления

критического сечения, в котором происходит процесс запирания, т .е . через данное сечение при исходных параметрах на входе в трубку бу­ дет наблюдаться уменьшение пропускной способности жидкости (нару­ шение условий материального баланса). Таким образом, расход жид­ кости через трубку Вентури уменьшается, затем стабилизируется в прямой зависимости от степени концентрации пузырьков, т .е . скорос­

ние равно давлению упругости пара жидкости). ]Одльнейшее их уничто­ жение в зона повышенных давлений происходит в ограниченной облас­ ти (зона смыкания пузырьков) под влиянием гидре дин&мичесхсих воз­ действий (гидроударн, высокие удельные силы давлений и температур).

2. Типы, Форш и стадии развития кавитации

Существуют два типа кавитации: поверхностная и отрывная { 4 ]. Поверхностная кавитация возникает на поверхности (или в непос­ редственной близости от нее) труб, водомерных.устройств п в меалопаточных каналах рабочих колес гидравлических насосов и турбин. Отрывная кавитация имеет место г потоке за работяга колесаг.д тур­ бин, гребных винтов и т„и.

Различают начальную, частично-и полностью развившиеся ста­ дии кавитации. Начальная стадия чавитацич соответствует таким ус­ ловиям, при которых появляются первые ее признаки, небольшое ко­ личество кавитационных пузырей, образующих ^установившуюся кави­ тационную зону, слабое усилеmie .шута. На этой стадии кавитации внешние характеристики гидравлической систем практически не из­ меняются.. Тек, например, наличие неустанозившойся кавитационной зоны (см. рио. I?) не сказалось на характеристике расходомера. Частично развившаяся кавитация характеризуется , наличием устано­ вившейся кавитационной зоны определенных размеров, которая стес­ няет здзбе сечение потока. Происходит местное повышение скорости течения жидкости, появляются ое вторичные движения. Из-за увели­ чения гидравлических потерь ухудшается характеристика расходоме­

ния потока. При зтогл расходная характеристика расходомера изменяется. При полностью развившейся кавитации наступает "срыв" работы

гидравлической системы или, машины. Внешние характеристики ее ста­ новятся совершенно неприемлемыми. Работа машины не поддается уп­ равлению. Кавитационная зона занимает все живое сечение потока (рис. 17, в ).

Исследования последних лет кавитационных обтеканий профилей позволили получить представленле об основных формах профильной ка­ витации 14]. На профиле лопатки возникают пузырьковая, пленочная и сръшная кавитации.

Особую'форму кавитации наблюдал К.К.Шальнев, проводивший огг’~ ты по кавитационному обтеканию круглого цилиндра. Впачале за круг­ лым цилиндром появляются два '/.аленьких мелькающих кавитационных

няются в одно облачко (рис. 13,ж). При дальнейшем увеличении скорос­ ти потока внутри кавитационной зоны начинает обозначаться просвет (рис. 18,з ), который затем увеличивается (рис. 18,и ). На рис. 18, к,л показана отрывная стадия кавитации. Все стадии сопровождают­ ся различными звуковыми эффектами (треск, щелчки различной силы* гудение и т .д .) .

Рис*. 18. Различ­ ные стадии кавитации (направление потока показано стрелой )

Другой вид кавитации показан (рис* 19) за диском, расположен­ ным перпендикулярно к набегающему потоку. Кольцевые тхри возника­ ют из завихренности, образовавшейся в пограничном слое, накаплива­ ются на кромка:-: диска и периодически срываются в поток. При увели­ чении скорости потока они сливаются к образуют каверну, заполнен­ ную кавитационными пузырьками.

Рис. 19. Кавита­ ция за диском сто­ ка: а - образование каверны; б - срыв каверны в поток

Рассмотрим особый вид кавитации, развивающейся в системе сво­ бодных вихрей за лопастями гребного Бинта (рис. 20). Кавитационные пузырьки, которые образуются у входных кромок лопастей, образуют каверны и выносятся в центры свободных кркцевых вихрей. Эти вихри очонь устойчивы,, пузырьки длительное время существуют в них и по мере развития кавитации делаются толще, сохраняя при этом форму и шаг.

Ка рис. 21 представлена кавитация на входе в ынепоцентсобежный насос от зарождения до псллого ее развития. ^ начальный момент кавитационное облачко занимало небольшую часть ме^юиастного глнала шнека, затем, по мере развития кавитации, оно увеличилось, а впос­ ледствии распространилось на всю область межлопастнх: каналов и даже во входной трубопровод.

На рис.2 2 . показана кавитация яа лспэтках рабочего колеса центробежного насоса. Срываясь с поверхности лопатки, кавитацион­ ные пузырьки уносились потоком, образуя видимую кавитационную зо­ ну, а на некотором расстоянии от лопаток исчезали.

Кавитационные разрушения в гидротурбинах могут быть как эрроэиояного, так и механического происхождения (вследствие пульсации каверны),

Воздействию кавитации з насосах подвергаются детали, работаю­ щие длительное время на повышен;зле расходах жидкости. Разрушения псявллю*сА обычно при внезапных изменениях т лравления потока,рез­ ких изменениях площадей каналов и з случаях, когда давление жид-

Рис. 21. Стадии развития кавитации на входе в юнекоцентро-% беяный насос; а - начальная; 6 - частично развившаяся; в - пол­ ностью разившаяся

Кавитационное разрушения наблюдаются в mueirax на напорных сторонах лопаток и на втулке (рис. 24). В осевых насосах со спи­ ральным отводом кавитационным разрушениям подвергаются стенки спи­ рального отвода в местах сопряжения их со стенками камеры рабочего колеса, лопатки направляющего ааиарата из-за несоответствиа ^углов потока и лопаток, стенки камер рабочих асолес, а также поверхности

Рис. 24. Шнековые ко­ леса с кавитационными разрушениями: а - на втулке: 6 - ца напорной стороне лопатки

3. .Кавитация з центробежных насосах

3 центробежных насосах кавитация возникает при небольшом давлении жидкости на входе в корпус подвода. Опыт показывает, что такое давление значительно больше давления парообразования при дан­ ной температуре жидкости. Это указывает на то, что область мини­ мального (критического) давленая жидкости находится внутри про­ течной части насоса. Паде* :е давления жидкости внутри насоса (по сравнению с входным давлением) связано с обтеканием входных кро­ мок лопате?,. При обтекании профиля лопаток образуется область пониженного давления жидкости, которая пре положительных углах ата­ ки возникает с нерабочей стороны входной части лопаток. С увеличе­ нием скорости потока, обтекающего лопатки^. возрастает его разря­ жение на лопатке и уменьшается давление. Исходя из этого, наибо­ лее удаленная от оси точка входной кромки лопатки может явиться центром зарождения ^явитзции (точка А, рис. 25). Кроме того, не­ равномерное поле абсолютных скоростей жидкости при подходе к вход­