8.8. Кавитация

Кавитация - процесс образования пузырьков пара в тех зонах жидко­сти, в которых статическое давление меньше давления насыщенного пара,

завершающийся заполнением этих пузырьков жидкостью при их попадании в зону повышенного давления. Это явление наблюдается при чрезмерно больших скоростях жидкости (числах оборотов крыльчатки -n).

При высоких скоростях движения потока статическое давление может стать меньше давления насыщенных паров P_s и тогда происходит закипание

жидкости, т. е. возникает кавитация.

В колесе центробежного насоса в отношении кавитации наиболее опасным является сечение входа жидкости на лопатки колеса, где полное дав­ление жидкости минимально (насос еще не сообщил жидкости энергии), а аб­солютная и относительная скорости потока велики.

Высокие относительные скорости жидкости на входе в лопатку спо­собствуют образованию полостей пониженного давления с задней стороны ло­патки, рис.70, т.е. способствуют возникновению кавитации. Кроме того, нерав­номерное поле абсолютных скоростей при подходе к лопатке вызывает допол­нительное падение давления в струйках, где скорость будет больше средней.

Рис.70

Область пониженного давления при обтекании лопаток насоса

Кавитация нарушает нормальную работу насоса по двум причинам.

Во-первых, вследствие того, что часть объема, подаваемого насо­сом, оказывается заполненной парами жидкости, происходит падение напо­ра и уменьшение расхода подаваемой жидкости.

Во-вторых, при попадании жидкости, имеющей в своей массе паровые мешки, в область более высоких давлений пар конденсируется и заполнение объема паровых мешков жидкостью происходит с большой скоростью (до1500—1800 м/сек), что приводит к явлению гидравлического удара в момент заполнения объема. Совокупность направленных гидравлических ударов в фо­кус полусферы паровых объемов, находящихся на поверхности лопаток, при­водит к эрозионному разрушению металла.

Различают режимы частичной и полной кавитаций. При режиме час­тичной кавитации, образовавшиеся пузырьки пара успевают «захлопнуться» во входном сечении крыльчатки. Так как кавитационная эрозия развивается по­степенно, то ввиду малой продолжительности работы насосов ЖРД указанный режим работы не опасен. Однако кавитация в межлопаточной полости насосов ЖРД (режим полной кавитации) недопустима из-за падения напора и умень­шения объемной производительности.

Изменение напора при возникновении кавитации характеризуется так называемыми кавитационными характеристиками.

Различают срывные характеристики, рис.71, а, 6, т. е. зависимость на­пора Н от давления на входеР_вх (или величиныРвх — P_s), и кавитационные характеристики, выражающие зависимость предельного давления на вхо­де Р_{вх кав}, ниже которого начинается кавитация, от числа оборотов п и объем­ной производительности V, рис.71 в. Срывные характеристики получают по результатам испытания насосов при заданных объемной производительности и числе оборотов.

Рис.71

Кавитационные характеристики: а,б — срывные характеристики; в — кавитационная характеристика

Рвх.кав =f(n. У)

Предельное давление на входе Р_{вх кав}, ниже которого начинается кави­тация, определяется как давление, при котором падение напора составляет 2— 3%. На основании серии проведенных испытаний строят кавитационные харак­теристикиР_вх.кав. =f(n,V), рис.71, в. Кавитационные свойства насоса надежно устанавливаются только опытным путем.

Наименьшее давление при входе на лопатки Р_тin может быть опре­делено как разность статического давления на входе в колесо Р_вх и величины

дополнительного падения давлениявследствие образования зон пони-

женного давления и неравномерности абсолютных скоростей, т. е.

Условие безкавитационной работы:

или

Величина (Р_вх— P_s) характеризует напор, который еще может быть

использован для увеличения скорости потока без возникновения кавитации и называется кавитационным запасом.

При прочих равных условиях увеличение числа оборотов насоса п и

объемной производительности V приводит к увеличению относительной и аб­солютной скорости потока, а, следовательно, и к увеличению опасности воз­никновения кавитации. С ростом п и V кавитация на лопатках возникает при меньших давлениях на входе.

При расчете насосов одной из основных задач является определение максимально допустимого по условиям кавитации числа оборотов насоса при заданных значениях давления на входе и объемной производительности. Исхо­дя из условия безкавитационной работы

и проведя анализ величины составляющихполучим расчетную формулу

для определения максимально допустимого числа оборотов насоса (формула С. С. Руднева):

где: С - антикавитационный коэффициент насоса;

Н_вх - напор на входе в крыльчатку насоса;

Нs - напор, соответствующий условиям образования насыщенных паров жидкости.

Для обычных насосов С =800—1100. Для колес с высокими антикави-тационными свойствами, имеющих особые формы и лопатки специального профиля, С может достигать 2000—2200. При применении осевых или шнеко-вых преднасосов, что является одной из основных мер предотвращения ка­витации, величина С увеличивается до 3000—3100. Имеются данные, что с по­мощью преднасосов удается повысить С до значений 3500—4000.

Кавитация может быть предотвращена также наддувом баков до 2—6 ата (= 0,2 / 0,6 МПа), что обеспечивает повышение давления на входе в насос, или применением крыльчаток с двухсторонним подводом жидкости.

Антикавитационные свойства насосов зависят от их конструктивных решений (количества и длины лопаток, угла атаки и т.д.), а также от термоди­намических свойств подаваемого компонента.