Кавітація в насосах

 

1. Вступ.  

2. Процес кавітації і його наслідки.

3. Аналіз  причин падіння тиску на вході в насос.

4. Визначення геометричної висоти всмоктування.

5. Кавітація насосів на КНС-25 м. Одеса і шляхи її усунення

 

 

Вперше кавітація була виявлена на початку ХХ століття, коли з'явилися швидкохідні морські судна, гвинти яких стали руйнуватися в дуже короткі терміни. Дослідженнями встановлено, що при високих швидкостях рідини або тіла всередині рідини суцільність потоку порушується. У потоці виникають порожнини (каверни), заповнені парами рідини і газами. Тиск цих парів визначається температурою навколишнього середовища. Ці порожнини (cavitas), від яких отримало назву явище, переносяться в зону більш високих тисків і низьких швидкостей, де пар швидко конденсується. 

У місцях конденсації парогазових каверн частки рідини спрямовуються назустріч один до одного з великою швидкістю, що призводить до місцевого підвищення тиску. Після зіткнення, частинки рухаються в протилежному напрямку і місцевий тиск в потоці різко знижується. Цей процес повторюється з великою частотою і відбувається також на поверхнях деталей. При багаторазовому впливу високих і низьких тисків метал «втомлюється» і починає руйнуватися. Руйнування починається з появи мікротріщин, а надалі воно носить наростаючий характер, і металева поверхня деталі стає губчастої. У кавітаційному руйнуванні беруть участь і хімічні процеси. Парогазова суміш в бульбашках багата киснем. В результаті хімічних реакцій, що проходять при високому тиску і підвищеній температурі, метал окислюється. 

Кавітаційне руйнування в більшій чи меншій міри властиво усім відомим

матеріалам. У гідравлічних машин спостерігається два етапи кавітації. На першому етапі з'являєтся так зване «холодне кипіння», слабкі шум і невеликі руйнування металу робочого колеса і лопатей. Другий етап кавітаціоного процесу характеризується падінням ККД і потужністю  гідромашини, сільной вібрацією. Можливість утворення каверн у потоці випливає зі рівняння Бернуллі. Дійсно, при Z = 0 рівняння буде мати вигляд

       Якщо швидкості будуть зростати, тиск повинен зменшуватися. При зниженні його до насиченої пари даній температурі, вода починає випаровуватися і всередині потоку утворюються порожнини, за які йшла мова. Кавітацією називають процеси порушення суцільності потоку рідини, що відбуваються там, де місцеве тиск знижується і досягає критичного значення, тиску насичених парів рідини.

Кавітація виникає при зниженні тиску на вході в насос, при якому починається перехід  рідини у газоподібний стан - пари (холодне кипіння) і утворення розривів потоку - пустот (порожнин). Порожнини або бульбашки, (cavitas), від яких отримало назву явище, заповнені парою, захоплюються потоком у області підвищеного тиску.

         Тут пар конденсується і порожнини, заповнені парою, закриваються. Конденсація бульбашок супроводжується миттєвим місцевим підвищенням тиску, що досягає сотень мегапаскалей. Швидкості частинок рідини досить високі, тому при закритті каверн відбувається місцевий гідравлічний удар, супроводжуваний шумом і вібрацією. Накладення безліч місцевих гідравлічних ударів починають руйнувати поверхню робочого колеса. За дією кавітації поверхні стають шорсткими, губчастими, що сприяє швидкому їх стирання завислими речовинами. Це явище називається ерозією. 

     При початковій стадії розвитку кавітації в насосі можна судити по сухому тріску на вході. Така кавітация на енергетичні показники не впливає. Під час її розвитку, як ми писали, з'являється вібрація і зменшуються напір, подача і ККД насоса внаслідок зменшення щільності рідини, потім може настати зрив режиму роботи гідромашини.

Захлопування бульбашок призводить до вищерблювання матеріалу стінок каналів. Описаний механічний процес руйнування стінок каналів називається ерозією і є найбільш небезпечним наслідком кавітації. Інтенсивність руйнування буває досить високою і може досягати 10 ... 40 мм на рік. Найбільш схильні до  кавітаційного руйнування чавун і вуглецева сталь. Більш стійкі в цьому відношенні бронза і нержавіючі сталі. З метою підвищення стійкості деталей насосів застосовують захисні покриття.

Рис.1. Приклади руйнування коліс відцентрових насосів внаслідок кавітації

Для виявлення причин виникнення кавітації напишемо рівняння тиску на вході в насос (за рівнянням Бернуллі)         

З рівняння видно, що тиск біля входу в насос тим менше, чим більше висота всмоктування і гідравлічний опір трубопроводу, що підводить і чим менше тиск в приймальному резервуарі.

Щоб забезпечити безкавітаційну роботу насоса, необхідно правильно визначати геометричну висоту всмоктування - Нs і не завищувати її величину.

Основними причинами падіння тиску на вході в насос можна назвати:

1. Високе розташування насоса відносно до рівня води в джерелі.

2. Зростання відносної швидкості потоку внаслідок збільшення подачі при підйомі рівня води в джерелі (наприклад, коли відбувається повінь).

3.Збільшення частоти обертання (в час пуску насоса зі  відкритою засувкою при спорожненому трубопроводу).

4. Зростання втрат тиску у всмоктувальної ділянці.

5. Зростання температури  води, яку перекачує насос.

Для безкавітаційній роботи насоса необхідно забезпечити умови, при яких тиск на вході в насос був би більш критичного, тобто більше тиску насиченої  пари рідини.

Тому на вході в насос слід створити певний запас, який називається кавітаційним запасом.

Кавітаційний запас - це перевищення питомої енергії потоку над енергією, яка відповідає тиску насиченої пари рідини.