Лекция 10. Кавитация в лопастных насосах и меры борьбы с ней.

Характеристики течений жидкости в гидравлических каналах трубопроводов, элементов, машин и агрегатов существенно зависят от кавитации, которая возникает в высокоскоростных потоках жидкости.

Определение. Кавитацией называется явление, которое наступает в какой– либо области высокоскоростного потока жидкости, при условии, что абсолютное давление в этой области уменьшается по какой – либо причине и становится равным давлению насыщенных паров данной жидкости, соответствующему температуре жидкости в данной области потока. Например, для воды, при температуре, равной , давление её насыщенных паров (при котором вода закипает при ), составляет около .

При этом происходит очень быстрое превращение жидкости в пар во всём объёме кавитационной области, т.е. происходит кипение жидкости при температуре, равной температуре жидкости в данном потоке. В области кавитации поток жидкости ( от множества образовавшихся в зоне вакуума пузырьков) вскипает и, как-бы– “разрывается “, так как существенно нарушается его сплошность. Если жидкость холодная, например вода при температуре , то в этом случае говорят, что происходит холодное кипение жидкости.

Из–за высокой скорости течения ( ) жидкость настолько быстро проходит область пониженного давления, что растворённые в ней газы, например воздух, не успевают выделиться. В этом случае говорят, что кавитация паровая. В противном случае говорят, что кавитация– парогазовая. При паровой кавитации паровые полости и пузырьки, заполненные паром, переносятся высокоскоростным потоком в область повышенного давления. Здесь пар быстро конденсируется, а полости и пузырьки замыкаются (разрушаются) с огромной скоростью.

Паровые пузырьки, образовавшиеся в области пониженного давления (в зоне вакуума), попадая в область повышенных давлений, резко уменьшаются в размерах до микроскопических величин. При таких размерах пузырьков главную роль в уменьшении их объёма начинают играть не силы давления жидкости, а силы её поверхностного натяжения. Действующее на пузырёк дополнительное внешнее давление , созданное этими силами, стремится к бесконечности ( ) при стремлении к нулю радиуса пузырька ( , согласно формуле:

.

.

Здесь – коэффициент поверхностного натяжения жидкости, .

Поэтому процессы замыкания пузырьков происходят настолько интенсивно, что в области разрушения пузырьков пара наблюдается свечение.

Кавитационная эрозия.

От действия стремительно увеличивающихся сил поверхностного натяжения, пузырёк резко уменьшается в размерах, теряет устойчивость и разрушается. Во внутрь пузырька с громадной скоростью, около , прорывается микроскопическая струйка жидкости, которая, ударяясь о поверхность лопасти, выкрашивает из неё частицы металла любой прочности (см. рис. 18). Отсюда принцип: ” Вода камень точит “.

Определение. Кавитационной эрозией называется процесс кавитационного разрушения поверхностей твёрдых тел, находящихся в области кавитации жидкости.

Процессы появления и разрушения миллиардов микроскопических пузырьков происходят настолько интенсивно, что неправильно спроектированные лопасти винтов высокоскоростных судов разрушались из–за кавитационной эрозии за один рейс.

Рис. 18. Картина кавитационного разрушения парового пузырька и кавитационной эрозии.

Кавитация в лопастных насосах.

В лопастных насосах кавитация возникает при уменьшении абсолютного давления в высокоскоростном потоке жидкости на входе в насос.

Согласно закону сохранения и превращения энергии для потока жидкости

( согласно уравнению Д.Бернулли для потока) на участке “ ” от уровня всасывания “вс” до точки “вх” входа в насос (см. рис.19):

Если считать, что на уровне всасывания “вс” ( на уровне забора жидкости) давление равно атмосферному , скорость снижения уровня воды в водоёме равна нулю , а также , то

Здесь называют высотой всасывания насоса, м.

Из последнего равенства следует, что уменьшение абсолютного давления на входе в насос происходит:

–при увеличении скорости потока на входе в насос;

–при увеличении высоты всасывания насоса выше расчётной ; расчётная высота всасывания насоса указана в паспорте насоса;

–при увеличении потерь на участке “ ” от уровня “вс”до точки “вх” входа в насос.

Рис.19. Картина ухудшения характеристик насоса при увеличении высоты

всасывания выше расчётного значения ( ).

При кавитации жидкости в лопастном насосе происходит следующее:

–возникает кавитационная эрозия поверхностей лопастей и лопастного колеса;

–происходит коррозия (химическое разрушение) металла кислородом воздуха, выделяющегося из жидкости при движении её через зону вакуума. Коррозия поверхности металла усиливается в результате эрозионного разрушения его защитной окисной плёнки;

–повышается температура в местах схлопывания парогазовых микропузырьков, вследствие высокоскоростного (адиабатного) сжатия пара и ударов микроскопических струй о поверхность металла;

–возникает шум и вибрация насоса, в результате которой нарушается герметичность соединений и уплотнений насоса.

–снижаются подача, напор, уменьшается КПД и мощность насоса (см. рис. 19,20);

Так как кавитация в насосах ведёт разрушению их ответственных элементов, резкому ухудшению эксплуатационных характеристик насосов, нарушению герметичности соединений и уплотнений насоса и другим нежелательным последствиям, то длительная работа насосов на кавитационных режимах не допускается.

,

Рис. 20. Картина срывного кавитационного режима работы лопастного насоса.

Точка “ К “ на рисунке– начало кавитации, которая наступает при увеличении расхода выше расчётного ( ).