Сущность кавитационных явлений

Кавитацией называется нарушение сплошности потока жидкости, обусловленное появлением в ней пузырьков или полостей, заполненных паром или газом. Кавитация возникает при понижении давления, в результате чего жидкость закипает или из нее выделяется растворенный газ. В потоке жидкости такое падение давления происходит обычно в области повышенных скоростей. В большинстве случаев жидкость настолько быстро проходит через область пониженного давления, что газ не успевает выделиться. В этом случае кавитацию часто называют паровой. Полости или пузырьки, заполненные паром, увлекаются потоком в область повышенного давления. Здесь пар конденсируется и полости, заполненные паром, замыкаются. Последствием кавитации являются следующие основные явления.

1. Эрозия материала стенок канала. При конденсации пузырьков пара давление внутри пузырька остается постоянным и равным давлению насыщенного пара, давление же жидкости повышается по мере продвижения пузырька. Частицы жидкости, окружающие пузырек, находятся под действием все возрастающей разницы давления жидкости и давления внутри пузырька и движутся к его центру ускоренно. При полной конденсации пузырька происходит столкновение частиц жидкости, сопровождающиеся мгновенным местным повышением давления, достигающим сотен мегапаскаль. Это приводит к выщербливанию материала стенок каналов. Описанный механический процесс разрушения стенок каналов называется эрозией и является наиболее опасным следствием кавитации.

2. Звуковые явления (шум, треск, удары) и вибрация установки, являющиеся следствием колебаний жидкости, которые вызваны замыканием полостей, заполненных паром.

3. Уменьшение подачи, напора, мощности и КПД лопастного насоса.

Иногда приходится иметь дело с потоком жидкости, к которой подмешаны пузырьки газа. При прохождении пузырьков через область пониженного давления происходит их интенсивный рост и, следовательно, увеличение объемной концентрации газа. Это может привести к падению подачи и напора насоса, которое предположительно объясняется следующим. Увеличение объемной концентрации газа в жидкости ведет к сильному уменьшению скорости звука. Так, при объемной концентрации воздуха в воде, равной 1%, скорость звука составляет 120 м/с, при 10% - 40 м/c. Скорость жидкости в наиболее узком сечении канала не может быть больше звуковой, поэтому уменьшение скорости звука, получающееся при увеличении объемной концентрации газа, приводит к снижению скорости жидкости и подачи насоса. Кроме того, при уменьшении скорости звука до значения, близко к скорости жидкости (число Маха близко к 1), резко увеличивается гидравлическое сопротивление канала и, следовательно, уменьшается подача. Такое нарушение режима работы насоса может произойти и при дозвуковых скоростях жидкости в результате того, что в центральной части колеса скапливается газ, отсепарировавшийся под действием центробежных сил от жидкости. Такое явление часто называют газовой кавитацией.

В лопастном насосе паровая кавитация возникает на лопатке рабочего колеса обычно вблизи ее входной кромки. Давление здесь значительно ниже давления во входном патрубке насоса вследствие местного возрастания скорости при натекании на лопатку и из-за гидравлических потерь в подводе.

Напишем уравнение Бернулли для свободной поверхности жидкости в приемном резервуаре и входного патрубка насоса (см. рис. 5.26). За плоскость сравнения примем свободную поверхность жидкости в приемном резервуаре:

,

где H_B - расстояние от приемного уровня до оси насоса, называемой высотой всасывания; υ_B и p_B – скорость жидкости и абсолютное давление во входном патрубке насоса; h_П - гидравлические потери в подводящем трубопроводе.

Тогда

. (5.63)

Таким образом, давление у входа в насос и, следовательно, в рабочем колесе насоса тем меньше, чем больше высота всасывания и гидравлическое сопротивление подводящего трубопровода и чем меньше давление в приемном резервуаре. При достаточно больших высоте всасывания и сопротивление подводящего трубопровода или при слишком малом давлении в приемном резервуаре давление у входа в рабочее колесо становится настолько малым, что возникает кавитация. Таким образом, кавитация ограничивает высоту всасывания насоса.

Рис. 5.41. Кавитационная характеристика насоса

Назовем кавитационным запасом превышение полного напора жидкости во входном патрубке насоса над давлением ее насыщенного пара. По определению кавитационный запас

, (5.64)

где p_Н.П - давление насыщенного пара жидкости.

Если весь кавитационный запас преобразуется в области минимального давления в кинетическую энергию жидкости и расходуется на преодоление гидравлического сопротивления подвода насоса, то давление понизится до давления насыщенного пара жидкости и возникает кавитация. Кавитационный запас, при котором происходит кавитация, называется критическим.

Для определения критического кавитационного запаса производят кавитационные испытания насоса, в результате которых для каждого режима работы насоса получают кавитационную характеристику (рис. 5.41, стр. 260). Она представляет собой зависимость напора от кавитационного запаса при постоянной частоте вращения и подаче. При больших Δh кавитационные явления отсутствуют, и напор от кавитационного запаса не зависит. Возникновение кавитации ведет к образованию на входном участке тыльной стороны лопатки полости- каверны, заполненной паром (рис. 5.42), из которой потоком выносятся пузырьки пара или же сама каверна периодически отрывается и уносится потоком. По мере уменьшения кавитационного запаса длина и толщина каверны постепенно увеличивается. При ее достаточной длине изменяется поток на выходе из колеса, что приводит к уменьшению напора насоса.

Рис. 5.42. Кавитационные каверны в рабочем колесе

Режим, при котором начинается падение напора, называют первым критическим режимом. Ему соответствует первый критический кавитационный запас Δh_I. При дальнейшем уменьшении кавитационного запаса каверна, удлиняясь, приближается к концу лопатки. Это сопровождается все более существенным изменением потока на выходе из рабочего колеса и, следовательно, все большим уменьшением напора. При втором критическом кавитационном запасе (Δh_II) каверна теряет устойчивость и ее длина быстро увеличивается. Это вызывает уменьшение напора.

У многих тихоходных насосов первый режим на кавитационной характеристике не обнаруживается.

Работа насоса на режимах развитой кавитации может привести к интенсивному эрозионному износу, поэтому эксплуатировать насос в области между первым и вторым критическими режимами можно только в случаях, когда к износостойкости насоса не предъявляются повышенные требования (например, насос кратковременного действия), если при работе насоса в этой области эрозии не возникает или если работа насоса в этой области кратковременна.

Опыты Тирувенгадама (Индия) показали, что кавитационная эрозия возникает, если скорость натекания жидкости больше пороговой. Последняя зависит от рода жидкости, механических свойств материала рабочего колеса и числа кавитации, при котором возникают кавитационные явления. Поэтому при скорости натекания жидкости на лопатки колеса ω₀ меньшей пороговой, работа в области Δh_I > Δh > Δh_II не приводит к эрозии.

Первый критический кавитационный запас или, в случае допустимости работы в области Δh_I > Δh > Δh_II, второй принимают за наименьшую величину кавитационного запаса, при которой возможна эксплуатация насоса. Чтобы насос не работал в режиме недопустимо сильной кавитации из-за неточного учета всех факторов в расчете, назначаю небольшое превышение допустимого кавитационного запаса над критическим. Обычно это превышение принимают равным (0,1 – 0,3). Меньшее значение выбирают, если расчет ведут по первому критическому кавитационному запасу и критический кавитационный запас велик. Следовательно, допустимый кавитационный запас

Δh_доп = (1,1 1,3) . (5.65)

Выбрав допустимый кавитационный запас, можно найти для данной насосной установки максимально допустимую высоту всасывания. Из уравнений (5.63) и (5.64) высота всасывания

(5.66)

При эксплуатации насоса следует контролировать, не работает ли насос в режиме недопустимо сильной кавитации. Такой контроль удобно производить по показанию вакуумметра, установленного на входном патрубке насоса. Для этого надо знать допустимый вакуум на входе в насос. Из уравнения (5.64) такой вакуум, или вакуумметрическая высота всасывания,

, (5.67)

где p_б - барометрическое давление.

Результаты испытания насоса на кавитацию наносят на характеристику насоса обычно в форме кривой зависимости допустимого кавитационного запаса Δh_доп от подачи (см. рис. 5.15).