Кавитация в насосах. Допустимое значение высоты всасывания

Кавитация — это нарушение сплошности жидкости, которое происходит в тех участках потока, где давление, понижаясь, достигает некоторого критического значения. Этот процесс сопровождается обра-зфванием большого числа пузырьков, наполненных преимущественно парами жидкости, а также газами, выделившимися из раствора. Находясь в области пониженного давления, пузырьки увеличиваются и превращаются в большие пузыри-каверны. Затем эти пузыри уносят-

Критическое, с точки зрения возникновения кавитации, давление определяется физическими свойствами жидкости и в зависимости от ее состояния может меняться в довольно значительных пределах. Тем не менее в практических расчетах, связанных с рассмотрением кавитационный режимов работы насосов, в качестве критического давления, при котором начинается кавитация, обычно принимают давление насыщенных паров перекачиваемой жидкости при данной температуре. Классическим примером является возникновение кавитации на обтекаемом потоком профиле. Один из возможных вариантов распределения давления на поверхности профиля изображен на рис. 2.8. Вызванное отклонением линий тока понижение давления на выпуклой поверхности профиля в районе точки А может привести к образованию кавитационной зоны, протяженность которой А. зависит от плотности р₀, давления р₀ и скорости v₀ набегающего потока, формы профиля и угла атаки.

Качественное изменение структуры потока, вызванное кавитацией, приводит к изменениям режима работ гидравлической машины. Эти изменения принято называть последствиями кавитации.

Элементы проточной части гидравлических машин вообще и лопастных насосов в частности представляют собой сочетание направляющих поверхностей, предназначенных для управления потоком. Если кавитационная зона возникает на такой поверхности, то она изменяет ее эффективную форму и, следовательно, изменяет путь потока. Такие изменения нежелательны и сопровождаются дополнительными потерями энергии Снижение энергетических параметров (подача, напор) и уменьшение коэффициента полезного действия являются прямым следствием возникновения кавитации в любой гидравлической машине.

Неустойчивость кавитационной зоны и вызванные появлением этой зоны вторичные течения жидкости приводят к значительным пульсациям давления в потоке, которые оказывают динамическое воздействие на поверхности, направляющие поток. Результаты многочисленных экспериментальных исследований и опыт эксплуатации различного гидравлического оборудования указывают на появление сильных вибраций при возникновении кавитации.

Разрушение, или, как принято говорить, «захлопывание» кавитационных пузырей при переносе их потоком в область с давлением выше критического происходит чрезвычайно быстро и сопровождается своего рода гидравлическими ударами. Наложение большого числа таких ударов приводит к появлению характерного шипящего звука, который всегда сопутствует кавитации.

И наконец, в большинстве случаев кавитация сопровождается разрушением поверхности, на которой возникают и некоторое время сущест вуют кавитационные пузыри. Это разрушение, являющееся одним из самых опасных последствий кавитации, называют кавитационной эрозией. Механические повреждения рабочих органов гидравлических машин в результате кавитационной эрозии могут за относительно короткий срок достигнуть размеров, затрудняющих нормальную эксплуатацию машин и даже делающих ее Практически невозможной.

Возникновение и последующее развитие кавитации в лопастных насрсах является следствием уменьшения абсолютного давления в потоке жидкости. Рассмотрим, как меняется давление воды при ее движении по проточному тракту лопастного насоса от входа во всасывающий трубопровод и до рабочего колеса. В качестве примера на рис. 2.9 справа изображен вертикальный центробежный насос с прямоосной цилиндрической всасывающей трубой, в центре дан график изменения абсолютного давления в зависимости от значений различных параметров. Давление на входе во всасывающую трубу вследствие ее заглубления под уровень свободной поверхности в приемном резервуаре превышает атмосферное давление р_ат на значение гидростатического давления р„. Местные потери энергии, связанные с преодолением гидравлического сопротивления входного устройства всасывающей трубы и увеличением скоростного напора v²/(2g), приводят к тому, что уже в сечении трубы, расположенном на уровне свободной поверхности, абсолютное давление в потоке будет меньше атмосферного. Увеличение геодезических отметок и нарастающие по длине трубы гидравлические потери Ли график изменения которых изображен в левой части рис. 2.9, приводят к последовательному уменьшению абсолютного давления по мере продвижения жидкости по направлению к рабочему колесу. Местные потери в переходном конусе всасывающего трубопровода в сочетании с увеличением скоростного напора вызывают дальнейшее уменьшение давления, абсолютное значение которого на входе в насос может стать меньше давления насыщенных паров р_пар— Кроме того, в лопастных насосах давление может дополнительно понизиться, что в значительной мере увеличит опасность возникновения кавитации. Это понижение, не предусмотренное рабочим процессом, может носить общий характер или быть вызвано какими-то местными изменениями в потоке. Низкое абсолютное давление и кавитация могут также наблюдаться при неустановившихся режимах работы насоса: гидравлическом ударе в системе, режиме пуска, остановки и т. п.

Зная причины общего и местного понижения давления, мы можем предугадать, а в большинстве случаев и предотвратить появление кавитации в тех или иных элементах проточной части насоса. Следует сразу сказать, что правильный выбор высоты всасывания с учетом геодезической отметки расположения насоса и температуры перекачиваемой жидкости является первым и наиболее надежным мероприятием, направленным на ослабление или предотвращение кавитации. Создание некоторого запаса путем уменьшения высоты всасывания или увеличения подпора по сравнению с подсчитанными величинами гарантирует, как правило, надежную бескавитацион-ную работу насоса.

Наибольшее значение геометрической высоты всасывания может быть найдено с помощью уравнения.

Значения определенные в результате кавитационных испытаний, указываются на заводских характеристиках насосов. Обычно fit лап дается для нормального атмосферного давления на уровне моря и для температуры холодной воды /=35°С. С повышением отметки местности атмосферное давление снижается на р_зт. Приближенно можно считать

Таблица 2.2

Таким образом, для более общего случая с учетом отметки установки насоса и температуры перекачиваемой жидкости высота всасывания может определяться по формуле:

Из примера видно, что с повышением температуры воды допустимая высота всасывания убывает. Если бы абсолютная отметка уровня воды в НБ была выше, например +450 м, то согласно выражению (2.74) допустимая высота всасывания уменьшилась бы на 450/900=0,5 м. Из этого, в част-, ности, следует, что при перекачивании горячей воды насос должен быть установлен ниже уровня воды в бассейне, т. е. с подпором.

Высота всасывания насоса, являясь одним из основных параметров, определяющих компоновочное решение насосной станции или установки, в то же время не дает возможности численно оценить степень развития кавитации, а следовательно, и сравнить между собой кавитационные характеристики насосов, постоянно изменяющиеся в процессе эксплуатации. Использование в этих целях геометрической высоты всасывания Н, невозможно, хотя бы потому, что она включает в себя гидравлические потери, свойственные конструктивным особенностям конкретной установки. Поэтому в насосостроении для сравнения кавитационных качеств насосов, количественной оценки степени развития кавитации и анализа вопроса о выборе допустимых значений высоты всасывания пользуются критерием, смысл которого может быть понят из следующих рассуждений.

Для нормальной бескавигацион-ной работы насоса необходимо, чтобы давление pi на входе в насос было больше критического, в качестве которого принимают давление рпар насыщенных паров перекачиваемой ЖИДКОСТИ (Р1>рпар). В ПрОТИЬ-ном случае в местах падения давления ниже р_Пар начинается кавитация и работа насоса ухудшается. Для того чтобы этого не произошло, удельная энергия 31 потока во входном патрубке насоса, отнесенная к его оси, должна быть достаточной для обеспечения скоростей и ускорений в потоке при входе в насос и преодоления сопротивлений без падения местного давления до значения, ведущего к образованию кавитации. В связи с этим решающее значение приобретает не абсолютная величина удельной энергии потока, а превышение ее над энергией, соответствующей давлению насыщенного пара перекачиваемой жидкости.

Параметр Ah называется кавитационным запасом, поскольку он представляет собой превышение механической энергии в потоке над давлением насыщенного пара. Иногда этот параметр называется избыточным напором всасывания.

Используя уравнения (2.65) и (2.75), можно установить связь между кавитационным запасом Ай и геометрической высотой всасывания:

Возвращаясь к уравнению (2.76), можно увидеть, что наименьшему значению Ай_мян соответствует наибольшее значение геометрической высоты всасывания:

которое иногда называют критической высотой всасывания.

Экспериментальная проверка, проведенная автором предложения н многими другими исследойателями, показала правомерность предложенного критерия и практическую пригодность его для оценки кавитационных качеств насосов. Для насосов различной быстроходности значения постоянной С будут следующими.