Материал: Шелегов Насосное оборудование АЕС 2011

Глава 4. КАВИТАЦИОННЫЕ ЯВЛЕНИЯ В НАСОСАХ

4.1.Кавитация: основные понятия, причины возникновения

иее последствия

Нарушение сплошности потока жидкости, обусловленное появлением в ней пузырьков или полостей, заполненных паром и выделившимся из жидкости газом, называется кавитацией. Она возникает в области пониженного давления, где есть растягивающие напряжения, которые приводят к разрыву жидкости и образующие полости – каверны заполняются парами жидкости и выделившимся из нее растворенным газом. Попадая в область высоких давлений, паровые пузырьки (каверны) «захлопываются». Это вызывает местный гидравлический удар, по некоторым теориям – кумулятивный, который может привести к разрушению (эрозии) стенок каналов. Действительно, давление в пузырьках остается постоянным и равным давлению упругости насыщенного пара, в то время как давление жидкости по каналу рабочего колеса повышается при течении жидкости от входа к выходу. Попадая в область высокого давления, пузыри схлопываются под действием высокого давления. Такое схлопывание сопровождается местным повышением давления в несколько тысяч атмосфер. Если оно происходит на поверхности лопаток или других элементах насоса, то с их поверхности выбиваются частицы материала, из которого они сделаны. Данное явление называется эрозией. Этот процесс можно определить по потрескивающим звукам, которые усиливаются с увеличением кавитации.

Возникновение и развитие кавитации в жидкости связаны с наличием так называемых ядер кавитации. В технических жидкостях всегда имеются ядра кавитации. Они − те слабые точки, в которых нарушается сплошность жидкости и возникают кавитационные явления. Наиболее вероятно: ядра кавитации представляют собой нерастворенные газовые включения, в том числе в порах и трещинах, а также микрочастицы, взвешенные в жидкости.

Если в жидкости присутствуют свободные или растворенные газовые включения, то кавитация будет протекать более интенсивно, с большим шумом и вибрациями.

81

Кавитация приводит к трем основным отрицательным последствиям:

1)срыву подачи, напора, падению мощности и КПД;

2)эрозионному износу элементов насоса (рабочего колеса, вала

ит.д.);

3)шуму, вибрации установки, а также низкочастотным автоколебаниям давления в трубопроводах.

Внасосах кавитация возникает при давлении перед входом в насос, существенно превышающем давление парообразования при данной температуре жидкости. Это означает, что область минимального давления располагается внутри проточной части насоса. Падение давления внутри проточной части насоса (по сравнению с

входным давлением Рвх) связано с обтеканием лопаток. При обтекании лопаток, как и при обтекании любого тела, образуется область пониженного давления Рmin. Как только давление станет ниже давления насыщенного пара, образуется кавитация. В потоке жидкости такое падение давления происходит обычно в области повышенных скоростей.

Рис. 3.25. Области появления кавитации в центробежном насосе

4.2.Кавитационные явления в центробежных насосах

Вцентробежном насосе область минимального давления находится в наиболее удаленной от оси точке с нерабочей стороны входной части лопаток вблизи ее входной кромки.

Давление Рmin значительно ниже давления во всасывающем патрубке насоса Рвх из-за местного возрастания скорости при натекании на лопатку насоса.

82

витации (увеличивается количество и объем пузырьков), не приводит к изменению напора и КПД насоса, но при этом могут усиливаться эрозионные и колебательные явления. При давлении Ркр напор начинает снижаться (одновременно с напором снижается КПД насоса). Это − критический режим. При давлении на входе насоса равного Рсрв напор и расход резко падают. Это – срывной кавитационный режим. На кавитационной характеристике насоса можно выделить несколько областей: а) режим начальной кавитации (или скрытая кавитация) насоса, когда Ркр < Рвх < Рнач; б) критический режим Рсрв < Рвх < Ркр, при котором заметен излом напорной характеристики (при этом зона распространения кавитационных полостей в насосе невелика); в) режим Рвх < Рсрв, при котором наблюдается срыв всех основных параметров насоса. При этом вся проточная часть насоса практически занята паровой или газовой каверной. Для насосов длительного использования, например для отопления или водоснабжения, важно избежать даже начальной стадии кавитации. В этом случае, давление на входе Рвх должно быть больше давления Рнач. Это позволит избежать кавитационного шума и эрозионного износа элементов насоса.

4.3. Основные параметры, характеризующие кавитацию

Если написать уравнение Бернулли для сечения 0–0 (в баке или резервуаре) и сечения вх–вх на входе в насос, то давление на входе в насос

Pвх = Р1 +ρgHГВС −ρсвх2 / 2 −hпотер вс – для систем А и В;

(4.1)

Pвх = Р1 −ρgHГВС −ρсвх2 / 2 −hпотер вс – для системы С,

где P1 – абсолютное давление в приемном резервуаре, если он открыт P1 =1 атм, HГВС – геометрическая высота или расстояние от свободной поверхности жидкости в резервуаре до оси насоса; свх –

скорость жидкости на входе в насос, зависящая от расхода жидкости, которую перекачивает насос, а также от размеров входного патрубка; hпотер вс – сумма потерь (местных и трения) во всасывающем трубопроводе.

84