Кавитация. Допустимая высота всасывания

Давление жидкости, проходящей через насос, непрерывно изменяется в направлении движения и неодинаково в отдельных точках сечений проточной полости.

В обычных конструкциях центробежных насосов наименьшее давление наблюдается вблизи входа в цилиндрическое сечение рабочего колеса на вогнутой стороне лопастей, т.е. там, где относительная скорость w и соответствующая ей кинетическая энергия достигают наибольших значений. Если в этой зоне давление оказывается равным или меньшим давления насыщенного пара, соответствующего температуре всасывающей жидкости, то возникает явление, называемое кавитацией.

Физическая картина кавитации состоит во вскипании жидкости в зоне пониженного давления и в последующей конденсации паровых пузырьков при выносе кипящей жидкости в область повышенного давления. При этом кавитационный процесс распространен по некоторой длине потока. Кавитация может быть местным процессом, характерным для короткого участка потока, в тех случаях, когда давление в сечении пульсирует около его среднего значения, равного давлению насыщенного пара при температуре всасываемой жидкости. В этом случае процессы вскипания и конденсации паровых пузырьков протекают с большой частотой, пульсирующим образом.

В любых случаях кавитации при быстрой конденсации парового пузырька окружающая его жидкость устремляется к центру пузырька (центру конденсации) и в момент смыкания его объема производит вследствие малой сжимаемости жидкости резкий точечный удар. По современным данным, давление в точках смыкания паровых пузырьков при их конденсации в кавитационных процессах достигают нескольких мегапаскалей.

Если пузырек пара в момент его конденсации находится на поверхности, ограничивающей поток, например на рабочей лопасти, то удар приходится на эту поверхность и вызывает местное разрушение металла, называемое питтингом. Современные исследования показывают, что кавитация сопровождается термическими и электрохимическими процессами, существенно влияющими на разрушение поверхностей проточной полости насосов.

Характер питтинга зависит от материала, из которого изготовлена проточная часть насоса. Так, питтинг чугунных деталей, например рабочих лопастей низконапорных насосов, дает губчатую структуру с весьма неровной поверхностью и извилистыми узкими щелями, проникающими глубоко в металл и нарушающими прочность детали. В высоконапорных насосах, работающих при большой частоте вращения, с деталями, выполненными из обычных конструкционных и легированных сталей, питтинг проявляется в виде гладких, как бы проточенных впадин и канавок. Материалов, абсолютно устойчивых против кавитации не существует. Очень плохо противостоят кавитации неоднородные хрупкие металлы, такие как чугун и керамика. Из металлов, применяемых в насосостроении, наиболее устойчивы к кавитации легированные стали, содержащие никель и хром.

Кавитация вредна не только потому, что разрушает металл, но и потому, что машина, работающая в кавитационном режиме, существенно снижает КПД.

Работа насоса в режиме кавитации внешне проявляется шумом, внутренним треском, повышенным уровнем вибрации, а при сильно развившейся кавитации - ударами в проточной полости, опасными для насоса.

Принято подразделять кавитационный процесс на три стадии. В начальной стадии зона кавитации заполнена смесью жидкости и более или менее крупных пузырьков пара. Во второй стадии в кавитационном потоке на ограничивающей поверхности образуются крупные каверны, срываемые потоком и вновь образующиеся. Это стадия развитой кавитации. Третья стадия - суперкавитация: весь обтекаемый элемент гидромашины лежит в области каверны.

Работа насоса в стадии начальной кавитации нежелательна, но допустима, если детали насоса изготовлены из кавитационно-устойчивых материалов. В стадии развитой кавитации и суперкавитации работа насоса становится ненадежной и поэтому недопустима.

Кавитация возникает обычно во всасывающем тракте насоса на лопастях рабочего колеса, однако кавитационные процессы могут возникать и в напорных потоках в местах срыва жидкости с рабочих лопастей, направляющих лопаток, регулирующих органов.

Меры, предупреждающие возникновение кавитации в насосах:

· ограничение скорости жидкости в проточной полости насосов;

· применение рациональных форм сечений проточной полости и профилей лопастей;

· эксплуатация насосов в режимах, близких к расчетным.

В многоступенчатых насосах наиболее подвержено кавитации первое по ходу жидкости рабочее колесо, потому что на входе в него давление наименьшее. Чтобы повысить кавитационные качества таких насосов, перед первой ступенью их устанавливают предвключенное осевое колесо или шнек, состоящий из двух-трех витков. Они выполняются из кавитационно-устойчивых материалов и развивают на входе в первое колесо многоступенчатого насоса давление, препятствующее возникновению кавитации (см. Рисунок 11, Рисунок 12). На АЭС предвключенные колеса устанавливаются обычно, в конденсатных и питательных насосах.

Рисунок 11 – Питательный насос ПЭА 1650-75.

1 - вал; 2 – рубашка; 3 – концевые уплотнения; 4 – входная крышка;
5 – предвключенное колесо; 6 – рабочее колесо; 7 – кожух; 8 – направляющий аппарат; 9 – секция; 10 – напорная крышка; 11 – втулка пяты; 12 – шпилька;
13 – разгрузочный диск; 14 – подшипник; 15 – плита.

Рисунок 12 – Конденсатный насос КсВА 1500-120.

1 – корпус подвода; 2 – рабочее колесо; 3 - уплотнение; 4 – корпус сальника;
5 – подшипник; 6 – вал; 7 – концевое уплотнение; 8 – напорная крышка;
9 – внутренний корпус; 10 – секция; 11 – наружный корпус; 12 – направляющий аппарат; 13 – предвключенное колесо; 14 – подшипник; 15 – подающий винт.

Основной мерой против кавитации в насосах любых типов и конструкций является соблюдение такой высоты всасывания насоса, при которой кавитация не возникает. Такая высота всасывания называется допустимой.

Превышение напора на входе в насос над напором, равным давлению насыщенного пара перекачиваемой жидкости, называется кавитационным запасом D h. Бескавитационный режим работы насосов обеспечивается при соблюдении условия

Dh ³ Dh_доп,

где допускаемый кавитационный запас

Dh_доп = kDh_кр;

коэффициент запаса k = 1,1¸1,5 и устанавливается в зависимости от условий работы и типа насоса; Dh_кр - кавитационный запас, соответствующий началу снижения параметров при кавитационном испытании насоса. Допускаемый кавитационный запас Dh_доп приводится в характеристике насоса, получаемой при кавитационном испытании.

Кавитационный запас Dh определяется зависимостью

где р_п - давление насыщенных паров;

u_в - скорость на входе насоса;

р_В - абсолютное давление на входе насоса;

р_А - атмосферное давление.

При условии р_В>р_А (отрицательная высота всасывания или подпор на входе в насос), где р_В=rgН_под+Р_к+Р_А, можно записать

где р_к - давление в напорном резервуаре на всасывании.

Если р_В <р_А (положительная высота всасывания или разрежение на входе в насос), то

Высота всасывания с учетом гидравлических потерь во всасывающем трубопроводе Sh_вс и скоростного напора u_в²/2g называется вакууметрической высотой всасывания:

Высота всасывания Н_вс - это расстояние между свободной поверхностью в резервуаре, из которого жидкость забирается насосом, и осью рабочего колеса (Рисунок 6).

Допускаемая вакууметрическая высота всасывания, при которой обеспечивается работа насоса без изменения основных технических показателей,

.

Допускаемая высота всасывания (допустимая вакууметрическая высота с учетом потерь Sh_вс)

Оценка кавитационных качеств насосов проводится на основе кавитационных характеристик, получаемых испытанием на специальных стендах.

Экспериментальные методы обнаружения и исследования кавитации. Наиболее старый, но до сих пор самый распространенный метод - энергетический. Суть его состоит в следующем. На специальном стенде или в рабочих условиях при работе насоса на постоянной температуре и фиксированной подаче жидкости проводят уменьшение давления на всасе. При этом на каждой ступени давления всасывания р_вс определяют основные параметры насоса (Q, H, N, h), затем рассчитывают кавитационный запас в метрах столба перекачиваемой жидкости Dh и строят графики Н = f(Dh), N = f(Dh).

За начало кавитации принимают значение, при котором напор уменьшился на 2%. Для обеспечения нормальной работы насоса рекомендуется увеличить минимальный кавитационный запас в А раз, т.е. допустимый кавитационный запас равен Dh_доп=АDh_кр.

Следует заметить, что определенное таким образом начало кавитации является условным. На самом деле собственно кавитация начинается при значениях Dh, существенно превышающих Dh_кр, однако чувствительность метода не позволяет этого определить. Более точно начало кавитации определяется по изменению виброакустических характеристик (например, по общему уровню вибраций). Обнаружено, что изменение акустических характеристик происходит значительно раньше, чем энергетических, т.е. акустический метод дает более точную информацию о начале кавитации.

Во многих случаях, особенно если насос работает при больших частотах вращения (с относительными скоростями потока более 15 м/с), возможен эрозионный износ материала проточной части, который проявляется со временем и не может быть обнаружен энергетическим или акустическим методом. Вместе с тем определение возможных мест эрозии весьма желательно, так как позволяет конструктору во многих случаях принять меры для ее уменьшения. Зоны эрозии в настоящее время определяют с помощью экспресс-методов. Для этого обтекаемые потоком поверхности покрывают легкоразрушающимися лаковыми покрытиями на основе феноловых смол и проводят кратковременные испытания на заданном режиме. Если зоны эрозии имеют место, то разрушается слой покрытия. Изменяя геометрию обтекаемых поверхностей, можно добиться уменьшения зон эрозии или их ликвидации.

Еще одним методом исследования кавитации является метод визуализации, который использует стробоскопирование, скоростные фото- и киносъемки и позволяет представить детальную картину возникновения и развития кавитационных явлений.

Все перечисленные методы взаимно дополняют друг друга и широко используются в практической и исследовательской работах.