Вопрос 65. Причины возникновения и способы устранения кавитации в насосах

Особенностью эксплуатации насосов является возможность вскипания жидкости на входе в рабочие колеса с последующей кавитацией в проточной части (подробности в предыдущем вопросе). За входными кромками лопаток давление насыщение начинает расти и превышает давление насыщения, при этом паровые пузыри конденсируются, конденсация приводит к гидроудару в микрообъеме. Амплитуда гидроудара до 2000 атм., а температура порядка 500÷800°С. В насосах кавитация происходит, в том числе и на стенках рабочих каналов, вызывая разрушение металла – питтинг.

Кавитация имеет три стадии

- начальная, при размере пузырей ~100 мкн.

- развитую, когда пузыри сливаются в паровые полости – каверны.

- суперкавитацию — каверна захватывает большую часть входного сечения рабочего канала.

Закон Бернулли. Согласно закону Бернулли, в жидкости без трения энергия постоянна вдоль линии тока. Это можно выразить равенством

где p – давление, r – плотность, а v – скорость. Индексы 0, 1 и 2 относятся к любым трем точкам на данной линии тока.

Из указанного равенства следует, что при увеличении скорости понижается местное давление (пропорционально квадрату скорости). Всякая частица жидкости, движущаяся по искривленной линии тока, например, огибающей профиль (рис. 1), ускоряется и претерпевает понижение местного давления. Если давление снижается до давления насыщенного пара, то возникает кавитация. Таков механизм явления кавитации на подводных крыльях, гребных винтах, лопатках турбин и лопастях насосов.

В случае жидкости, текущей по трубе, согласно закону сохранения массы (уравнению неразрывности), скорость жидкости увеличивается в местах сужения трубы, где также возможна кавитация.

– формула Руднева.

Эта формула является полуэмпирической и содержит только один выбираемый параметр С=900÷1500 – кавитационный коэффициент быстроходности.

Из формулы видно что:

- С ростом температуры жидкости критическая высота всасывания уменьшается и может стать отрицательной. Поэтому на горячих жидкостях насосы работают с гидростатическим подпором.

- С увеличением быстроходности насоса критическая высота всасывания снижается.

Способы устранение кавитации:

- Создание гидростатического подпора на всасе, т.е. всасывающий патрубок насоса находится на уровне жидкости в питающем резервуаре (деаэратор выше питательного насоса);

- Применение предвключенных (бустерных) насосов. Защита от кавитации бустером достигается пониженным числом оборотов по отношению к основному насосу.

- Использование предвключенных ступеней. Первую ступень многоступенчатого насоса делают с малым гидравлическим сопротивлением за счет больших проходных сечений, часто она выполняется другого конструктивного типа.

Причиной кавитации является падение давления на входе в насос ниже давления насыщения при данной температуре жидкости. Способом борьбы является поддержание давления на входе выше давления насыщения за счет создания гидростатического подпора (деаэратор выше питательного насоса) либо применение предвключенных – бустерных – насосов, повышающих давление на входе в основной насос. А также использование специальных предвключенных ступеней, с увеличенным проходным сечением.