РАСЧЕТ ПРОЦЕССА ВСАСЫВАНИЯ

При эксплуатации насосов, имеющих давление во всасывающем патрубке ниже атмосферного, возникает опасность кавитации. Кавитацией называется местное выделение из жидкости газов и паров (вскипание жидкости) с последующим разрушением (конденсацией и смыканием) выделившихся парогазовых пузырьков, сопровождающимся непрерывными гидравлическими микроударами высокой частоты, большими давлениями и температурами в центрах конденсации. Это явление ограничивает возможности действия насосов, турбин, а также гребных винтов.

Чистые жидкости подобно твердым телам выдерживают очень высокие напряжения растяжения. Однако реальные жидкости разрываются (кавитируют) при напряжениях сжатия (давлениях), близких к давлению паров. Это объясняется тем, что в реальных жидкостях имеются инородные частицы, твердые и газообразные, на поверхности которых образуются слабые для разрыва жидкости участки, служащие зародышами кавитации. Кавитация возникает также в микроскопической несмачиваемой трещине на поверхности рабочего органа гидромашины.

Падение давления жидкости до предельного значения может быть по всему сечению потока, и тогда происходит разрыв в этом сечении с образованием обширной паровой полости во всасывающем тракте насоса. Происходит срыв подачи. Если такой разрыв возникает в цилиндре возвратно-поступательного насоса, то следствием является сильный механический удар поршня о жидкость и возможно повреждение насоса. Падение давления может быть также местным, обусловленным неравномерностью распределения скорости и давления по сечению потока. Обратимся, например, к вращающемуся рабочему колесу центробежного насоса (рис. 11.7, а). Среднее по сечению давление изменяется в межлопастном канале от p_lдо р₂, но на любой лопасти имеется избыток давления по передней поверхности amb и недостаток на задней поверхности anb. На передней кромке лопасти давление заторможенного потока равно р₀. В некоторой точке профиля s давление ниже, чем p_l,на Dр_s. В этой зоне возникает кавитация, если чрезмерно снизить давление при входе в насос.

Существуют различные стадии кавитации при обтекании лопастей без тотального разрыва потока (рис. 11.7,б):

1 — в виде отдельных пузырьков, которые растут, передвигаются вдоль лопастей и исчезают (захлопываются);

2 — в виде стационарных полостей (отрывов), охватывающих часть лопасти рабочего колеса;

3 — в виде стационарных полостей, простирающихся по всей лопасти и замыкающихся за нею.

О появлении кавитации в динамических насосах свидетельствуют следующие признаки отрицательного действия ее на насос вплоть до повреждений.

1. Шум, происходящий в результате конденсации («захлопывания») паровых пузырьков и превышающий тот, который устанавливается при работе насоса в ударных режимах. Этот шум напоминает грохот перекатывающихся камней.

2. Снижение технических показателей — подачи, мощности, к. п. д. При низких значениях n_s кривые характеристики резко падают с возрастанием подачи до значения, при котором начинается кавитация (рис. 11.7, в). В быстроходных центробежных насосах кривые изгибаются постепенно (рис. 11.7, г).

Эти различия в проявлении кавитации вызваны особенностями рабочих колес. В колесах с низким n_s межлопастные каналы узкие и длинные. Как только давление на входе в колесо снижается до давления парообразования, небольшое увеличение расхода жидкости приводит к распространению паровой области по всей ширине канала. В колесах с высоким n_s каналы между лопастями широкие и короткие. Поэтому требуется значительное увеличение расхода и соответствующее снижение среднего давления перед лопастями, чтобы зона парообразования распространилась на всю ширину канала.

В многоступенчатом центробежном насосе кавитация возникает только в первой ступени; поэтому снижение кривых Н и h выражено менее отчетливо, чем в одноступенчатом насосе.

Снижение кривых может начаться до того, как проявляется кавитация. Это вызвано выделением воздуха из воды или легких фракций из нефтепродукта при пониженном давлении на входе в колесо.

3. Интенсивный износ стенок (кавитационная эрозия) в зоне конденсации паровых пузырьков при длительной кавитации. Механизм этого явления до настоящего времени освещен не полностью. Опыты показали, что разрушение поверхностей — результат механического воздействия на них точечных гидравлических ударов («бомбардировок»), а электрохимические и химические процессы существенной роли не играют. Под влиянием колебаний давления, частота которых достигает 2500 Гц, материал стенок устает, и в нем появляются ослабления и трещины. Расчлененные зерна подвергаются колебаниям изгиба, что завершается их изломом в плоскостях спайки кристаллов и полным удалением. В образующуюся каверну проникает жидкость, смешанная с паром, и разрушение прогрессирует. Разъеденная поверхность приобретает губчатую текстуру.

Различные материалы сопротивляются кавитации по-разному. Неоднородные структуры, содержащие точки слабого сопротивления, благоприятствуют появлению микрокаверн. Наоборот, гомогенные мелкозернистые структуры сопротивляются кавитации лучше. Положение сплавов в порядке возрастания сопротивления кавитации [23]: чугун, обычная бронза, алюминиевая бронза, углеродистая сталь, хромистая сталь, нержавеющая сталь. Пористые и шероховатые поверхности, а также острые выемки снижают сопротивление кавитации так же, как и сопротивление усталости.

Вода более агрессивна, нежели масло, так как ее молекулы меньше и проникают в атакуемую поверхность глубже, чем молекулы масла.

4. Вибрации, интенсивность которых зависит от развития кавитации. Как во всяком явлении равновесия фаз, конденсация пара в полостях происходит с запаздыванием, вследствие чего возврат к равновесному состоянию совершается резко и охватывает большую часть паровой полости. Паровые полости как бы «дышат» — надуваются и сжимаются. Это явление на различных лопастях может быть сдвинуто по фазе, и тогда колебания давления могут суммироваться в ненулевую результирующую поперечную силу, действующую на ротор и вызывающую вибрации [23].

РАСЧЕТ ПРОЦЕССА ВСАСЫВАНИЯ

Несмотря на общность причин, вызывающих расстройство процесса всасывания, предельные условия бескавитационной работы применительно к насосам различных классов формулируются по-разному.

1. В динамических насосах расчетным критерием служит так называемый кавитационный запас давления при входе, необходимый для компенсации динамического падения давления в тех точках потока, где давление минимальное (например, в точке s на рис. 11.7, а).

Примем следующие обозначения (рис. 11.8, а): р₀ — абсолютное давление над уровнем жидкости в опорожняемой емкости (равное атмосферному, если резервуар открыт); z₁ — отметка верхней точки области кавитационных явлений, отсчитываемая от уровня жидкости; h₁ — потери напора во всасывающем тракте; р_п — давление насыщенного пара при температуре всасывания.

В опорожняемой емкости кавитационный запас давления равен Ро — Рп,ав точке s с отметкой z₁этот запас снижается до

Dр_к=р₀-р_п-gr(z₁+h₁).

С уменьшением кавитационного запаса давления до некоторого критического значения Dp_кр возникает кавитация. Чтобы насос работал без нарушений, необходимо иметь кавитационный запас давления больше критического, т. е.

р₀-р_п-gr(z₁+h₁)=ADр_кр, (11.6)

где А — коэффициент кавитационного запаса (А = аК_бК_ж). Рекомендуемые значения сомножителей коэффициента Апри перекачивании центробежными насосами холодной воды (по ГОСТ 6134 — 71) приведены в табл. 4.

Таблица 4

Расчетное выражение (11.6) служит для определения допускаемой высоты всасывания или других величин, входящих в это предельное равенство. Если z₁по расчету получается отрицательным, то это означает, что для подавления кавитации требуется подпор.

Величина

(11.7)

называется допускаемым кавитационным запасом. Значение ее наносится на график характеристики насоса (см. рис. 3.1).

Значение Dр_кропределяют при кавитационном испытании насоса. Результат испытания распространяют на группу подобных насосов следующим образом. На основании опытов известно, что

D р_кр/r=f(Q, n, D, n),

где D — любой характерный размер, например D₂; n — коэффициент кинематической вязкости. Согласно p-теореме, эту зависимость представим в критериальной форме, например, так:

.

Безразмерный комплекс физических величин в левой части уравнения (обозначим его ) называется кавитационным коэффициентом быстроходности. При работе насосов на невязкой жидкости он зависит только от коэффициента расхода j=Q/nD₂³. Безразмерная характеристика данной серии насосов может быть дополнена кривой (рис. 11.8, б). Значение в оптимальном режиме для динамических насосов обычной конструкции находится в довольно узких пределах 0,40 — 0,55.

На практике принято пользоваться размерным критерием С. С. Руднева:

,

где n_м— в об/мин; при g = 9,81 м/с С_кр = 1,87-10⁸

Наряду с применяют коэффициент Тома

s=Dp_кр/rgH.

В литературе приводится опытная зависимость

s=0,0014n_q^4/3,

где n_q — удельное число оборотов (см. § 14),

откуда следует, что

или .

Замечено, что если рабочее колесо обтачивают, то всасывающая способность не меняется. Явления кавитации связаны с формами входа, и поэтому представляет интерес оперировать с критериями, в которые входят, например, D₀и с₀ (входная скорость):

DР_кр/ru₀²=f(c₀/u₀),

где u₀ = pD₀n. Кривая, изображающая эту зависимость, может служить не только для насосов, подобных данному, как это вытекает из принципов подобия, но также для различных машин, имеющих одинаковую конструкцию входа (по крайней мере для тихоходных и нормальных колес).

2. В объемных насосах в качестве расчетного критерия служит вакуумметрическая высота всасывания H_в=z_н+h₁. Допускаемая вакуумметрическая высота всасывания в м

Н_в._д = Н_в.к —0,5,

где Н_в.к — критическая вакуумметрическая высота всасывания, т. е. такая, при которой появляются повышенный шум и вибрация или подача падает на 10% (по ГОСТ 17335—79).