КАВИТАЦИЯ В НАСОСАХ

Вращение рабочего колеса отбрасывает жидкость к поверхности корпуса насоса, в результате чего со стороны всасывающей полости рабочего колеса возникает разряжение. Разряжение зависит от разницы между уровнем положения впускного отверстия и поверхности перекачиваемой жидкости, от потерь давления на трение во всасывающем трубопроводе, а также от плотности самой жидкости. Это разряжение ограничено давлением насыщенного пара жидкости при данной температуре, т.е. давлением, при котором будут образовываться пузырьки пара.

Кавитацией называют процессы нарушения сплошности (однородности) потока жидкости, происходящие в тех участках, где местное давление понижается и достигает определённого критического значения. Обычно в качестве критического давления, при котором начинается кавитация, принимают давление насыщенных паров перекачиваемой жидкости при данной температуре. При возникновении кавитации происходят такие процессы.

· В тех местах потока, где давление падает до критического, образуется большое количество пузырьков, заполненных парами жидкости и газами, которые выделяются из жидкости. Находясь в зоне пониженного давления, пузырьки увеличиваются в размерах и перерастают в большие кавитационные каверны.

· В тех зонах, где образовались каверны, изменяется эффективная форма проточной части насоса, что вызывает местное повышение скорости движения жидкости и увеличение потерь напора. Это ухудшает энергетические параметры насоса и снижает его коэффициент полезного действия.

· Нестойкость кавитационной зоны вызывает пульсацию давления в потоке, Под действием этой пульсации может возникать вибрация насоса.

· Кавитационные пузыри захватываются потоком жидкости и переносятся в зону повышенного давления. Там они очень быстро разрушаются. Это приводит до гидравлических микроударов. Наложение большого числа таких ударов приводит к появлению характерного шипящего звука, который всегда сопутствует кавитации.

· Кавитация приводит к разрушению поверхности, на которой она возникает. Это разрушение, являющееся одним из самых опасных последствий кавитации, называют кавитационной эрозией. Очень разрушаются чугун и углеродная сталь. Известны случаи, когда рабочие колеса гидромашин, лопасти гребных винтов из-за кавитации приходили в полную негодность через несколько сотен часов работы.

Предотвратить явление кавитации возможно при условии правильного выбора геометрической высоты всасывания с учетом геодезической отметки расположения насоса и температуры перекачиваемой жидкости.

Наибольшее значение геометрической высоты всасывания при условии Р₁ = Р_пар..

(28)

Кавитации в насосе не будет, если вакуумметрическая высота всасывания не превышает допустимого значения Н_вак Н_в.доп.

Отсюда отсутствие кавитации в насосе определяется условием . Значения ( )_пасп. указываются на характеристиках насосов для нормального атмосферного давления на уровне Балтийского моря и для температуры воды 20⁰С.

Если насосная установка проектируется для местности, где атмосферное давление отличается от нормального и температура воды больше 20⁰С, то паспортную величину ( )_пасп следует уточнить по формуле:

( )_раб. = ( )_пасп. – 10 + Н_атм + 0,24 - (29)

В зависимости от высоты над уровнем моря величину Н_атм можно взять из таблицы 1.

Таблица. 1.

Давление насыщенного пара воды , в зависимости от ее температуры, можно взять из таблицы 2.

Таблица 2.

Температура воды,0С.
,м.вод.ст.	0,09	0,12	0.24	0,43	0,75	1,25	2,02	3,17	4,82	7,14	10,33

В некоторой технической литературе учет изменения атмосферного давление над нормальным определяется приближенно по формуле

, где - абсолютная отметка уровня воды в нижнем бассейне, м (выше уровня моря , ниже - ).

С учетом отметки местности установки насоса и температуры перекачиваемой жидкости, геометрическая высота всасывания определяется по формуле

(30)

Задача. Определить геометрическую высоту всасывания для насоса, если известно: насос планируется установить в местности, которая находится на высоте 1000 м над уровнем моря, температура перекачиваемой жидкости 60⁰С. Потери напора во всасывающем трубопроводе составляют 0,75 м, ск0рость движения воды во всасывающем трубопроводе – 3 м/с.

Решение задачи.Из таблиц 1 и 2 находим, что атмосферное давление на высоте 1000 м над уровнем моря Н_атм = 9,2 м. вод. столба, а давление насыщенного пара воды при температуре 60⁰ - = 2,02 м. вод. столба.

Н_s = 9,2 – 2,02 – 6,5 -0,75 -

Полученный результат показывает, что насос следует расположить ниже уровня воды в заборном резервуаре не менее чем на 0,53м.

Для бескавитационной работы насоса необходимо обеспечить условия, при которых давление при входе в насос P₁ было бы больше критического, т.е. больше давления насыщенных паров перекачиваемой жидкости P_ПАР.

Для исключения явления кавитации необходимо, чтобы удельная энергия Э₁ потока во входном патрубке насоса, отнесенная к его оси, должна быть достаточной для обеспечения скоростей и ускорений в потоке при входе в насос и преодоление сопротивлений без падения местного давления до значения, ведущего к образованию кавитации.

(31)

Параметр Dh называется кавитационным запасом или избыточным напором всасывания. Кавитационный запас представляет собой превышение механической энергии в потоке над давлением насыщенного пара.

Используя уравнение, , установим взаимосвязь между кавитационным запасом Dh и геометрической высотой всасывания H_S.

.

Учитывая, что :

(32)

Сравнивая полученное уравнение с зависимостью , получим . (33)

Для инженерных расчетов формула упрощается

. (34)

Для каждого насоса существует некоторое минимальное значение . Если он будет меньше , то насос начнёт кавитировать. Минимальный кавитационный запас определяется на специальном испытательном стенде путём построения зависимостей напора, КПД и мощности насоса от кавитационного запаса Dh. На рис.(4.1) представлена схема кавитационного стенда.

Испытания проводят при постоянной частоте вращения. Насос устанавливается на вполне определенный режим с помощью вентиля 1. Этому режиму соответствуют определенные значения расхода, напора, мощности и КПД. Изменение Dh осуществляют путем уменьшения давления на свободную поверхность жидкости.

В замкнутой системе снижение давления Р₁ приводит к уменьшению давления в системе.

Рис. 9. испытательный стенд

До определенного значения Dh , подача, напор и КПД остаются постоянными (рис. 10.), после чего Q, H и начинают снижаться, в насосе появляется шум, что свидетельствует о наличии кавитации.

Рис. 10. Частные кавитационные характеристики

При дальнейшем уменьшении Dh наступает резкое снижение Q, H и , насос срывается. За критическую (минимальную) величину кавитационного запаса Dh_кр принимается такая, при которой кончаются горизонтальные участки значений Q, H и .

Допустимый кавитационный запас должен быть больше критического Dh_доп. = Dh_крК, (35)

где К коэффициент запаса, обычно равный 1,2…1.5.

Нетрудно заметить, что наименьшему значению соответствует наибольшее критическое значение геометрической высоты всасывания:

H _{S MAX} = . (36)

Для обеспечения надежной работы насоса высота всасывания Н_s.доп. должна иметь некоторый запас, что учитывается введением коэффициента запаса:

Н_s.доп.= Dh_доп- h_вс , (37)

Кавитационные характеристики позволяют установить начало влияния кавитации на энергетические характеристики машины, однако они не дают возможность уловить зарождение кавитации. Практика подтверждает, что эрозия начинается задолго до снижения энергетических характеристик. Перспективным методом, с помощью которого можно установить момент зарождения кавитации является виброакустический метод.