3.7. Кавитация в насосах

3.7.1. Физические условия возникновения и развития кавитации

Кавитация – сложное физическое явление, зависящее от гидродинамических качеств машины и физических свойств жидкости. Кавитация начинается при падении давления до значения, равного упругости насыщенного пара, и может быть разделена на две фазы: первая – выделение из воды растворенного в ней воздуха в виде пузырьков и образование пара в тех местах потока, где давление понижается до указанного выше значения так, что сплошность потока нарушается и образуются каверны, наполненные паром; и вторая – конденсация пара в кавернах, когда они, сносимые жидкостью, попадают в зону повышенного давления.

При конденсации пара внутри каверны окружающая их жидкость устремляется к центру с большой скоростью, происходит столкновение жидких частиц и возникает гидравлический удар.

В местах смыкания и исчезновения кавитационных каверн повышение давления достигает величины 150 МПа. Громадные давления, возникающие в момент завершения гидравлического удара и последующего расширения паровоздушной смеси каверны, вызывают упругие колебания соседних частиц жидкости с частотой звуковых колебаний. Эти вибрации, передаваясь металлу, вызывают быстрое разрушение его поверхности. Гладкие полированные поверхности, отражающие колебания, менее подвержены кавитационному разрушению (эрозии). Неровные поверхности в значительной мере поглощают энергию упругих колебаний, а поэтому интенсивно разрушаются. Разрушению металла, несомненно, способствует также и химическое действие кавитации, так как кислород воздуха в момент его выделения из воды взаимодействует с паром, газом и твердым материалом в условиях быстрого и резкого изменения давления и температуры, обладает весьма высокой химической активностью.

Таким образом, основным проявлением кавитации является разрушение лопастей рабочего колеса и корпуса насоса, а также уменьшение подачи, напора и КПД. При интенсивном проявлении кавитации наступает полный срыв работы насоса.

3.7.2. Кавитация в насосах и допустимая высота всасывания

При падении давления в какой-либо области жидкости до давления парообразования в этой области начинается холодное кипение – явление кавитации, что вызывает нарушение нормальной работы насоса.

Из принципа действия лопастного насоса следует, что жидкости сообщается энергия только после поступления ее на лопасти рабочего колеса. Для подвода жидкости к насосу необходимо иметь запас энергии от постороннего источника. Таким посторонним источником энергии является энергия жидкости на свободной поверхности заборного резервуара.

Очевидно, что для подачи жидкости в насос энергия в заборном резервуаре должна быть больше энергии при поступлении жидкости в насос.

Удельная энергия жидкости на входе (рис. 7) меньше удельной энергии на поверхности заборного резервуара на величину высоты и потерь во всасывающем трубопроводе . С точки зрения получения необходимой энергии при входе в насос существенное значение имеет отметка установки насоса относительно поверхности в заборном резервуаре.

Отметку установки насоса относительно уровня жидкости в заборном резервуаре характеризует высота всасывания.

Для горизонтальных лопастных насосов высотой всасывания называется отметка оси относительно уровня жидкости в заборном резервуаре, для вертикальных центробежных насосов – отметка горизонтальной оси спиральной камеры относительно свободной поверхности жидкости в заборном резервуаре.

Для нормальной работы насоса (во избежание явления кавитации) необходимо, чтобы удельная энергия при входе в насос была несколько больше, чем удельная энергия давления парообразования при данной температуре жидкости:

, (3.19)

где – избыточный напор всасывания; удельная энергия, приведенная к оси насоса; давление парообразования при данной тем-пературе.

Найдем связь между и , для чего составим уравнение энергии для сечения свободной поверхности жидкости и входа в насос относительно последней:

. (3.20)

Определив из (3.19) и подставив в (3.20), получим

. (3.21)

Уравнение (3.21) относительно примет вид

.

Минимальному значению будет соответствовать максимальное значение высоты всасывания, которое называется критическим:

.

Для получения допустимой высоты всасывания при вводится коэффициент запаса −1,4:

. (3.22)

При подаче жидкости с небольшой температурой из открытых резервуаров ( ), кавитационные качества насоса в условиях эксплуатации удобно характеризовать допустимой вакуумметрической высотой всасывания.

Вакуумметрической высотой всасывания называется разность между атмосферным давлением и давлением при входе жидкости в насос:

. (3.23)

Определим связь между высотой всасывания и вакуумметрической высотой всасывания.

Для этого составим уравнение относительно свободной поверхности для сечения входа в насос и свободной поверхности:

.

Отсюда, учитывая выражение (3.23), получаем

.

Допустимая высота всасывания

.

Допустимая вакуумметрическая высота всасывания

. (3.24)

Графическая зависимость как функция подачи приводится на рабочей характеристике, входящей в перечень технической документации насоса.