Сущность кавитационных явлений

Кавитация (cavitas - пустота) - процесс образования паровых пузырьков в зоне минимального давления с последующей конденсацией их в зоне повышенных давлений, происходящей под влиянием гидродинамического воздействия.

Явление кавитации наблюдается во всех случаях, когда в какой-либо гидравлической системе происходит падение давления ниже давления насыщения.

На участке пониженного давления начинается выделение паровых пузырьков, так как упругость паров жидкости при данной температуре оказывается выше давления в этой зоне.

Перемещение потока жидкости с паровыми пузырьками в область, где давление превышает давление парообразования, вызывает интенсивную конденсацию пара. Вследствие мгновенного освобождения объема, занимаемого паром, частицы жидкости, окружающие пузырек пара, устремляются внутрь этого объема с большой скоростью. Происходит кумулятивное воздействие, сопровождающееся мгновенным местным гидравлическим ударом. Совокупность гидравлических ударов приводит к разрушению стенок каналов, так называемой кавитационной эрозии.

Явление кавитации сопровождается вибрацией установки и шумовыми эффектами.

В центробежных насосах и других лопастных гидромашинах кавитация сопровождается падением подачи, напора, мощности и КПД.

В центробежном насосе кавитация возникает на лопатке рабочего колеса обычно вблизи ее входной кромки. Давление здесь значительно ниже давления во входном патрубке, что связано с возрастанием скорости при обтекании лопатки. Неравномерное поле абсолютных скоростей при подходе к лопатке также вызывает падение давления по сравнению со средним на входе. Как показывает опыт, область пониженного давления находится с тыльной стороны входной части лопаток (рисунок 3.22)

а б

Рисунок 3.22

Явления кавитации изучали многие ученые. Наиболее полно этот вопрос разработан в трудах проф. С.С.Руднева.

Рассмотрим схему насосной установки со стороны всасывания (рисунок 3.23).

Рисунок 3.23

Составим уравнение баланса удельной энергии для всасывающего трубопровода на участке от сечения 0-0 до сечения в-в:

,

где H_B - геометрическая высота всасывания - расстояние в приемной емкости до оси насоса;

- пьезометрический напор во входном патрубке;

- скоростной напор во входном патрубке;

- гидравлические потери во всасывающем трубопроводе.

Напор во входном патрубке равен

.

Этот напор тем больше, чем меньше высота всасывания и гидравлические потери .

При снижении напора во входном патрубке может возникнуть кавитация в рабочем колесе, так как скорость на лопатке С₁>С_B за счет уменьшения проходного сечения каналов колеса F₁ по сравнению с сечением патрубка F_B, и, следовательно, давление в этом месте .

Поэтому предлагается иметь так называемый кавитационный запас, который представляет собой превышение полного напора во входном патрубке над упругостью паров жидкости:

,

- упругость насыщенного пара жидкости.

Кавитация в центробежных насосах возникает при снижении давления всасывания ниже допустимого.

Причинами снижения давления всасывания могут быть:

1) большая высота всасывания ;

2) превышение подачи Q, либо числа оборотов n выше допустимого расчетного;

3) повышение температуры перекачиваемой жидкости, что вызывает увеличение упругости насыщенных паров жидкости: .