Кавитация в насосах и допустимая высота всасывания

Одним из основных условий нормальной работы гидравлических систем является отсутствие кавитации. Для этого необходимо, чтобы давление в любой точке потока жидкости было больше давления насыщенного пара.

Жидкость движется во всасывающем тракте насоса под воздействием давления на свободную поверхность воздухозаборника. Величина этого давления всегда ограниченна и чаще всего равна атмосферному давлению.

В обычных конструкциях центробежных насосов наименьшее давление наблюдается в близи входа в цилиндрическое сечение рабочего колеса на вогнутой стороне лопастей, т.е. там, где относительная скорость ω и соответствующая ей кинетическая энергия ω²/2, Дж/кг, достигают наибольших значении рисунок 2.11, зона А. Если в зоне А давление оказывается равным или меньшим давления насыщенного пара, соответствующего температуре всасываемой 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 воды в область повышенного давления. При этом кавитационный процесс распространен по некоторой длине потока. Кавитация может быть местным процессом, в тех случаях, когда давление в сечении пульсирует около 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.

Рисунок 2.11. К определению минимального давления в рабочем колесе

В любых случаях кавитация 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 достигает 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 разрушения 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 насосах высоконапорных, 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 материалы, такие как чугун и керамика. Из металлов, применяемых в насосостроении, наиболее кавитационно устойчивы 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 кавитирующем 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 стадиях развитой кавитации и суперкавитации работа насоса становится ненадежной и поэтому недопустима.

Как было указано ранее, 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.

При выборе режима работы насосной установки необходимо ориентироваться на физические свойства воды (таблица 2.2), зависимость высоты всасывания Н_в м.вод.ст. от температуры воды (таблица 2.3) и зависимость n_s от коэффициента кавитационной быстроходности С (таблица 2.4).

Таблица 2.2 - Физические характеристики воды

Таблица 2.3 - Зависимость высоты всасывания воды от ее температуры

Таблица 2.4 - Зависимость n_s от C

Основной задачей при эксплуатации насосов является недопущение возможности возникновения кавитации в насосе. Достигается это правильным выбором геометрической высоты всасывания насоса Н_г.вс, то есть той высоты, па которую поднят насос над уровнем жидкости

Рисунок 2.12. Расчетная схема для определения допустимой геометрической высоты всасывания насоса

В соответствии с расчетной схемой, приведенной на рисунке 2.12, предположим, что вода в резервуаре или водоеме находится при температуре t и атмосферном давлении Р_атм. Напишем условие начала кипения применительно к рассматриваемой задаче, выражая давления в виде напоров.

Р_нп/ρg = P_aтм/ρg – Н_г.вс – h_г.вс - h_кp- d_вс/2, (5.7)

где h_вс - потери напора во всасывающей лини трубопроводов до насоса; h_кp - критический кавитационный запас, т.е. минимально допустимое превышение напора перед насосом над напором насыщенных водяных паров; ρ - плотность перемещаемой среды (воды) при расчетной температуре; d_вс - входной диметр рабочего колеса, обычно примерно равен диаметру всасывающего патрубка насоса.

Критический кавитационный запас насоса h_кр зависит от конструкции насоса и режима его работы. Он вычисляется, по формуле:

(5.8)

где n - скорость вращения рабочего колеса, об/мин; Q - подача насоса, м³/с; С - коэффициент кавитационной быстроходности, является критерием подобия и зависит от конструкции насоса. Для обычных насосов имеет значение 600-800, для специальных конденсатных насосов - до 3000.

Учитывая, что необходимо гарантировать невозможность возникновения кавитации, критический кавитационный запас h_кp берут в расчетах с поправочным коэффициентом 1,15 ÷ 1,2. Потери на всасывающей линии могут быть вычислены как для любого трубопровода по известной формуле h = (λl/d + ∑ ζ._вс )pw²/2gС учетом этого и используя (23) и (24) получим окончательное выражение для расчета допустимой геометрической высоты всасывания:

. (5.9)

Противокавитационный запас напора следует принимать равным около 25 % H_г._вс.кр, и поэтому в рассматриваемом случае

. (5.10)

При расчете допустимой высоты всасывания насосов двустороннего всасывания (тип Д) в формулу (5.10) следует подставлять под знаком корня половину полной подачи насоса.

Следует иметь в виду существенное влияние на допустимую высоту всасывания частоты вращения вала насоса.

Кавитационный запас энергии на уровне всасываемой жидкости gH_кав зависит от давления насыщенного пара при температуре всасываемой жидкости. Поэтому из (5.10) следует, что H_{г.вс.доп} зависит от температуры жидкости. Из формулы (5.10) видно, что при расположении уровня всасываемой жидкости выше оси насоса повышение температуры увеличивает допустимую геометрическую высоту всасывания. Если уровень всасываемой жидкости располагается ниже оси насоса и давление на поверхности атмосферное, то чем выше температура жидкости, тем меньше Н_{г.вс.доп}. Очевидно, при некоторой температуре, обусловливающей достаточно высокое значение р_зн.п, величина Н_{г.вс.доп} становится равной нулю и дальнейшее повышение температуры потребует установки насоса ниже уровня всасываемой жидкости.

Практически возможны два различных случая расположения насоса относительно приемного резервуара.

Установка, показанная на рисунке 2.13,а, характерна для насосов, подающих жидкости с низкой температурой, а установка на рисунке 2.13 б - для насосов, подающих жидкости с высокой температурой, а также при всасывании насосами холодной воды из емкостей с достаточно высоким вакуумом.

Рисунок 2.13. Два случая установки насоса относительно уровня всасываемой жидкости.

Установки, выполненные по схеме рисунка 2.13а,б, часто встречаются в теплоэнергетике в схемах регенеративного подогрева и питания паровых котлов.

Когда насос подает горячую воду, емкость, из которой он всасывает, приходится располагать выше насоса (например, случае бустерного насоса, всасывающего питательную воду из деаэратора). По соображениям удобства строительных работ и монтажа желательно по возможности уменьшать требуемую расчетом высоту установки приемной емкости. Этого можно достигнуть увеличением диаметра всасывающего трубопровода, уменьшением его длины, а также выбором рациональной конструкции тех элементов всасывающего тракта, которые дают снижение местных потерь напора.

В некоторых случаях допустимую высоту всасывания можно изменить уменьшением или увеличением давления в емкости, из которой происходит всасывание.

В случае расположения уровня всасываемой жидкости ниже оси насоса Н_{г.вс.доп.} < Н_г.вс.кр.

Для уменьшения возможности возникновения кавитации и увеличения допустимой высоты всасывания необходимо:

а) перекачать воду с возможно меньшей температурой (уменьшается Р_н.п);

б) на всасывающей линии до насоса увеличивать диаметр трубопровода, уменьшать его длину и количество местных сопротивлений (уменьшается h_вс);

в) использовать при высоких температурах воды специальные конденсатные насосы (уменьшается h_кр за счет увеличения коэффициента С).