§ 2.20. КАВИТАЦИЯ В ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСАХ, РАСЧЁТ ПРОЦЕССА ВСАСЫВАНИЯ

Давление жидкости, проходящей через насос, непрерывно изменяется в направлении движения и неодинаково в отдельных точках сечений проточной полости.

В обычных конструкциях центробежных насосов наименьшее давление наблюдается близ входа в цилиндрическое сечение рабочего колеса на вогнутой стороне лопастей, т.

Физическая картина кавитации состоит во вскипании жидкости в зоне пониженного давления и в последующей конденсации паровых пузырьков при выносе кипящей жидкости в область повышенного давления. При этом кавитационный процесс распространен по некоторой длине потока. Кавитация может быть местным процессом, характерным для короткого участка потока, в тех случаях, когда давление в сечении пульсирует около его 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.

В любых случаях кавитации 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, давления в точках смыкания паровых пузырьков при их конденсации в кавитационных процессах достигают нескольких мегапаскалей.

Рис. 2.65. К определению минимального давления в рабочем колесе

Рис.

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 кавнтационно - устойчивых материалов. В стадиях развитой 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 (см. рис. 2.67).

Рис. 2.67. Конденсатный насос КсВ-200-220

Оценка кавитационных качеств насосов проводится на основе кавитационных характеристик, получаемых испытанием на специальных стендах [28].

Основной мерой против кавитации в насосах любых типов и конструкций является соблюдение такой высоты всасывания насоса, при которой кавитация не возникает. Такая высота всасывания называется допустимой.

Установим способ расчета допустимой высоты всасывания для бустерного насоса, включенного по схеме рис. 2.66, всасывающего питательную воду из деаэратора.

Уравнение Бернулли для потока АГ от поверхности воды в деаэраторе до входа в межлопастные каналы рабочего колеса насоса

где: p_д - абсолютное давление на поверхности воды в деаэраторе, Па; p_Б - абсолютное давление в насосе перед входным сечением межлопастных каналов, Па; Н_Г - геометрическая высота всасывания, т.

Из этого уравнения следует

Условия входа в межлопастные каналы рабочего колеса определяются уравнением энергии относительного движения

из которого следует

Разносіазьівают коэффициентом кавитации.

Следовательно,

Чем больше относительная скорость w_cна вогнутой стороне рабочей лопасти близ входа в межлопастные каналы (рис. 2.65), тем меньше давление и тем возможнее

возникновение кавитации. При работе насосов в подобных режимах (см. § 2.12) все скорости изменяются пропорционально, и поэтому l = const.

Из (2.112) и (2.113) следует

В случае расположения поверхности всасываемой жидкости выше оси насоса разность между геометрической высотой всасывания и потерей напора во всасывающем тракте насоса называют полной высотой всасывания H_bc = (Н _Г- h_BC). Поэтому

Условие возникновения кавитации в зоне минимального давления p^,,, = p_{π П}, где: p_{π П} - давление насыщенного пара при температуре всасываемой жидкости.

Полная высота всасывания, при которой в зоне минимального давления возникает кавитация, называется критической высотой всасывания H_{bc kp}.

Уравнение (2.114) для случая возникновениа кявитяиии можно записать так:

Если пренебречь незначительным изменением температуры на пути АБ от уровня воды в деаэраторе до входа в межлопастные каналы рабочего колеса насоса, то величину следует рассматривать как кавитационный запас энергии на верхнем уровне (в деаэраторе). Поэтому последнее уравнение представляется так:

Для двух подобных режимов насосов (см, § 2.12), отмечаемых индексами 1и 2,имеют место соотношения

Поэтому из (2.115) следует

Кроме того, из пропорции (2.116) следует Q/(nD³₁ )= q = const. Исключив из двух последних равенств D₁, получим после алгебраических преобразований

Величину C, структурно сходную с коэффициентом быстроходности n_s, называют кавитационным коэффициентом быстроходности (введен С. С. Рудневым в практику расчетов в 30-х годах). Значения коэффициента С для начальной стадии кавитации лежат в пределах 900 - 1500.

Формула (2.117) дает возможность определения критической высоты всасывания насоса по заданному коэффициенту С:

Геометрическая критическая высота всасывания определяется по формуле

Работа насоса при H_{r вс Кр} недопустима, потому что при этом насос находится в начальной стадии кавитации.

Противокавитационный запас напора следует принимать равным около 25 % H_{r bc kp}, и поэтому в рассматриваемом случае

•

При расчете допустимой высоты всасывания насосов двустороннего всасывания (тип Д) в формулу (2.119) 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_kabзависит от давления насыщенного пара при температуре всасываемой жидкости. Поэтому из (2.119) следует, что H_гвс.д_ОП зависит от температуры жидкости. Из формулы (2.119) 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 H_гвс.д_ОП .

Очевидно, при некоторой температуре, обусловливающей достаточно высокое значение р_{Н П}, величина H_{r вс} д_ОП становится равной нулю и дальнейшее повышение температуры потребует установки насоса ниже уровня всасываемой жидкости. Практически возможны два различных случая расположения насоса относительно приемного резервуара (рис. 2.67).

Установка рис. 2.67а характерна для насосов, подающих жидкости с низкой температурой, а установка на рис. 2.67 б - для насосов, подающих жидкости с высокой температурой, а также при всасывании насосами холодной воды из емкостей с достаточно высоким вакуумом.

Установки, выполненные по схеме рис. 2.67 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, в 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.

Рис.2.67. Два случая установки насоса относительно уровня всасываемой жидкости

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