2.6.Кавитация насосов. Допустимая высота всасывания

На всасывающей линии насосов возникает разрежение. Причинами разрежения являются:

1) потери энергии на всасывающей линии;

2) затраты энергии на подъем жидкости на высоту Н_вс;

3) инерционные потери во всасывающем трубопроводе, зависящие от скорости “разгона” лопастного колеса насоса. Чем быстрее достигается полное число оборотов и чем меньше диаметр всасывающего трубопровода, тем больше инерционные потери.

В результате может произойти вскипание части жидкости и возникнуть явление, называемое кавитацией. Кавитация – это процесс образования пузырьков пара в толще движущейся жидкости при снижении гидростатического давления и конденсации этих пузырьков внутри жидкости в зоне повышения гидростатического давления. В лопастных насосах – минимальная величина этого давления, а следовательно, наибольшая вероятность кавитации возникает вблизи входной кромки лопатки, т.е. там, где скорость потока максимальна.

В момент полной конденсации в точке, где она происходит, возникает резкое увеличение давления (до сотен атмосфер). Если пузырек находился на поверхности колеса, то удар производится на эту поверхность, что, в свою очередь, вызывает эрозию материала. Процесс разрушения рабочих органов насоса усиливает коррозия, вызванная интенсивным выделением растворенного в воде кислорода. Кавитация сопровождается ударами, шумом, и даже вибрацией насосной установки, вызывает падения напора, подачи, КПД насоса. Следовательно, кавитация является процессом отрицательным.

Допустимая высота всасывания центробежного насоса. Рассмотрим процесс возникновения кавитации в лопастном колесе. Пусть жидкость входит в колесо с относительной скоростью w₁ и давлением P₁. При обтекании лопатки максимальная скорость будет на вогнутой части лопатки. Соответственно, статическое давление здесь будет минимальным в некоторой точке линии тока вдоль этой поверхности лопатки (). Условие отсутствия вскипания

P_min > P_t , (2.31)

где P_t-давление насыщенных паров, Па.

Разность называется критическим числом кавитации. С помощью уравнения Бернулли можно получить, что

. (2.32)

Практически высоту Н_вс выбирают такой, чтобы полный напор на всасывании перед рабочим колесом превышал давление насыщенного пара на величину , называемую кавитационным запасом:

. (2.33)

Критический кавитационный запас

. (2.34)

Введем понятие статической высоты всасывания H_S как суммы высоты всасывания и потерь напора на всасывании

Максимальная статическая высота всасывания

, (2.35)

где P_a - атмосферное давление, Па.

Обычно для предотвращения кавитации назначается превышение допустимого кавитационного запаса над критическим на 20-30%, т.е.

. (2.36)

Тогда допустимая статическая высота всасывания равна:

. (2.37)

Критический кавитационный запас определяется по формуле С.С. Руднева

, (2.38)

где n – частота вращения колеса, об/мин;

L – секундная подача насоса, м³/с;

c – кавитационный коэффициент быстроходности, определяемый экспериментально и зависящий от конструкции насоса.

Поэтому для определения критического кавитационного запаса проводятся испытания с целью определения кавитационной характеристики насоса, которая определяет минимально допустимую величину напора перед насосом Δh. Пример такой характеристики приведен на рис. 3.9. главы 3.

Величина Δh возрастает с увеличением подачи. Например, для насоса некоторой конструкции при L= 40 м³/ч Δh= 2 м.вод.ст, а при L= 160 м³/ч Δh= 9 м.вод.ст. Следовательно, во втором случае вскипание возможно при подаче холодной воды (t=20⁰С, Р_t = 2,34 кПа).

При перекачке горячей жидкости величина может оказаться отрицательной. В этом случае приемный резервуар следует установить выше насоса. Поэтому, например, питательные насосы тепловых электростанций устанавливают ниже деаэраторов. Величина подпора на всасывании зависит от температуры перекачиваемой жидкости, а также от конструкции насоса. При определении этой величины следует, в первую очередь, руководствоваться указаниями завода–изготовителя. Давление Р_а принимается по климатологическим данным соответствующего региона. Однако фактическое давление атмосферы отклоняется от расчетного, как правило, в пределах ±5%. В результате, создаваемый им напор, колеблется в диапазоне

±0,5 м вод.ст. Поэтому целесообразно принимать минимальный напор пред насосом на 0,5 м выше указанного в кавитационной кривой.