Кавитация
Кавитация
Под кавитацией понимают комплекс физико-механических явлений, возникающих при снижении давления в потоке жидкости до некоторого критического. За критическое давление обычно принимают давление парообразования жидкости при данной температуре. При кавитации нарушается неразрывность течения жидкости, из которой выделяется пар и растворенные газы. Пузыри пара и газа уносятся жидкостью в область с давлением выше критического, где и разрушаются.
Снижение давления в гидромашине до критического может быть вызвано различными причинами, которые в зависимости от условий работы машины, ее конструктивных особенностей могут быть местного или общего характера.
К причинам местного характера, зависящим от насоса, относят: большие скорости жидкости на входе в рабочее колесо вследствие сжатия потока; отклонение линии тока от заданных траекторий при изменении направления потока, а также при обтекании выступающих частей; большие сопротивления вследствие шероховатости и неровностей поверхностей на входе в насос; отрыв потока от ограничивающих поверхностей; наличие вторичных токов в зазорах машины; неустановившийся режим работы при пуске, остановке.
Причинами общего характера, которые приводят к снижению давления до критического, могут быть: снижение абсолютного давления в системе, откуда забирается жидкость за счет помещения насоса значительно выше уровня моря или за счет разрежения в системе, например, в конденсаторе паротурбинной установки; увеличение геометрической высоты всасывания; повышение температуры перекачиваемой жидкости (возрастание давления парообразованля); значительные потери в приемной линии (засорение или обмерзание трубопровода).
Кавитация, как правило, сопровождается ухудшением характеристик гидромашин (снижением напора, подачи, к. п. д.), звуковыми эффектами (шумом, треском), вибрацией и эрозийным разрушением элементов конструкций машин. Таким образом, кавитация весьма отрицательно сказывается на экономичности, надежности и долговечности машин.
Ухудшение характеристик насоса объясняется изменением фазового состояния потока, из-за которого ухудшается его структура. При развитой кавитации происходит разрыв неразрывности потока, и насос перестает работать — срывает.
Самое, пожалуй, опасное следствие кавитации — это эрозионное разрушение элементов машин. Наиболее распространенной является ударная гипотеза эрозийного разрушения. Суть ее состоит в том, что в момент разрушения кавитационного пузырька (каверны) местное давление достигает очень больших значений, возникают местные гидравлические удары и напряжения, превышающие пределы прочности материала элементов машины, что приводит к их разрушению. Известны случаи, когда рабочие колеса гидромашин, лопасти гребных винтов из-за кавитации приходили в полную негодность через несколько сот часов работы.
Разрушению больше подвергаются входные элементы рабочих колес. Ликвидация кавитационного пузырька может произойти и в области больших давлений. Наблюдались случаи, когда разрушению подвергались выходные кромки рабочих колес, направляющие аппараты.
Чтобы обеспечить безкавитационную работу насоса, необходимо соблюсти условие ртт > ра, т. е. минимальное давление в потоке должно быть больше давления парообразования при данной температуре. Запас удельной энергии потока при входе в насос должен быть достаточным для создания скоростей и ускорений в потоке при входе, без падения давления до критического.
Условием, определяющим безкавитационную работу, является наличие достаточного кавитационного запаса, представляющего собой разность между удельной энергией на входе и энергией, соответствующей давлению парообразования, т. е.
или
Для любого насоса существует некоторый минимальный кавитационный запас Aftmin- Если он будет меньше Aftmln, то насос начнет кавитировать.
В конкретной насосной установке необходимо различать требуемый кавитационный запас A/iTp и действительный кавитационный запас А/гд. Требуемый кавитационный запас А/гтр зависит от конструкции насоса и определяется как минимально допустимая разность между удельной энергией потока на входе в рабочее колесо при данной подаче и энергией, соответствующей давлению парообразования жидкости. Вычисляют А/гтр по формуле (2.53). Действительный кавитационный запас А/гд зависит от конкретной системы, на которую работает насос.
Рассмотрим систему, изображенную на схеме (рис. 2.42). На основании уравнения Бернулли для сечений I—I и II—II можно записать:
откуда
где
Из (2.54) геометрическая высота всасывания будет
Принимая во внимание (2.53) и (2.55), установим связь между кавитационным запасом А/i и геометрической высотой всасывания:
Выражение для действительного кавитационного запаса будет
Действительный и требуемый кавитационные запасы АЛД и Д/гтр изменяются в зависимости от подачи.
Обращаясь к выражениям для действительного и требуемого кавитационных запасов, нужно отметить, что при заданной геометрической высоте всасывания действительный кавитационный запас Д/гд с увеличением подачи уменьшается из-за роста гидравлических потерь (2.57). Требуемый же кавитационный запас Д/гтр, зависящий от скорости на входе в рабочее колесо (2.53) с увеличением подачи растет (рис. 2.43). Во избежание кавитации необходимо, чтобы на заданном режиме действительный кавитационный запас А/гд был больше требуемого Д/гтр, в крайнем случае равнялся бы ему.
Кавитационные характеристики и критерии кавитации. Кавитационный запас, необходимый для заданных условий работы, определяют путем обработки данных кавитационных испытаний, для которых можно воспользоваться схемой, изображенной на рис. 2.44. Вычисление Д/г производят по формуле (2.53).
Испытания проводят при постоянной частоте вращения. Насос устанавливается на вполне определенный режим с помощью вентиля 1. Этому режиму соответствуют определенные значения Q, Н, п, N и т]. Изменение Д/г осуществляют путем уменьшения давления на свободную поверхность жидкости. В замкнутой системе снижение давления р} приводит к уменьшению давления во всей системе без нарушения режима работы насоса.
До определенного значения Д/г подача, напор и к. п. д. остаются постоянными (рис. 2.45), после чего Q, Н и ц начинают снижаться, в насосе появляется шум, что свидетельствует о наличии кавитации. При дальнейшем уменьшении A/i наступает резкое снижение Q, Н и т], насос срывает. Для получения кавитационных характеристик снимают показания для 6—8 режимов.
За критическую величину кавитационного запаса А/гкр принимается такая, при которой кончаются горизонтальные участки значений Q, Н и -р.
Допустимый кавитационный запас должен быть больше критического. Его находят по формуле
где k — коэффициент запаса, обычно равный 1,2—1,3.
Так как кавитация, ее возникновение и равзитие зависят от конструктивных элементов машины (площадь входа в рабочее колесо, число лопастей и т. д.), а последние определяют коэффициент быстроходности ns, то надо полагать, что и кавитационные характеристики будут тесно связаны с ns.
Кавитационные характеристики позволяют установить начало влияния кавитации на энергетические характеристики машины, однако они не дают возможность уловить зарождение кавитации, а следовательно, и установить начальный момент эрозионного разрушения элементов машины. Практика подтверждает, что эрозия начинается задолго до снижения энергетических характеристик. Перспективным методом, с помощью которого можно установить момент зарождения кавитации, а следовательно, и начало эрозионного разрушения материала, является виброакустический метод. В этом случае с помощью шумовых спектров можно с достаточной достоверностью определить начало процесса кавитации, его развитие и связанные с ним разрушения [22].
Критерий кавитации С. С. Руднева. Профессор С. С. Руднев в 1935 г., обобщая опытные данные и базируясь на теории подобия (исходя из оптимального диаметра входа в рабочее колесо), получил формулу для определения минимального кавитационного запаса
Величина С постоянна для геометрически подобных машин и лежит в пределах С = 800—1200, а для специальных насосов может доходить до нескольких тысяч *.
Решая (2.58) относительно С, получим
Формула (2.59) по своему виду напоминает выражение для коэффициента быстроходности ns и поэтому С принято называть кавитационным коэффициентом быстроходности. Преобразуя уравнение (2.59), найдем
Формула (2.60) позволяет установить допустимую частоту вращения проектируемого насоса независимо от его размеров. Для определения минимального кавитационного запаса можно пользоваться формулой, предложенной Всесоюзным институтом гидромашиностроения,
Ориентировочные значения указанных коэффициентов при безударном входе а — 1,0—1,2; Ь = 0,3—0,4. Так как относительная скорость в 2—2,5 раза больше скорости с0, то основное влияние на A/imin оказывает именно скорость йУх.
Влияние температуры, плотности и вязкости жидкости на кавитационные качества насоса. Обращаясь к выражению для А/г (2.53), видим, что возрастание температуры, а следовательно повышение давления парообразования рп, приводит к уменьшению минимального кавитационного запаса. Для того, чтобы оставить А/гтХп, неизменным необходимо увеличить давление на входе рв.
Из формулы для действительного кавитационного запаса конкретной насосной установки
следует, что повышение температуры жидкости, а следовательно, повышение давления паров рп приводит к снижению A/imin. Для предотвращения кавитации, т. е. сохранения АЛпНп неизменным, следует либо повышать давление над свободной поверхностью ра, либо уменьшать геометрическую высоту всасывания, либо уменьшать потери в приемном трубопроводе.
Обращаясь к выражению для давления на входе в насос
видим, что давление рв зависит от плотности жидкости. Увеличение плотности жидкости при прочих равных условиях будет способствовать более раннему наступлению кавитации, т. е. ухудшению кавитационных качеств насоса. С увеличением вязкости вследствие
увеличения потерь на трение следует ожидать ухудшения всасывающей способности насоса.
Меры по предотвращению или ослаблению кавитации. Решающее влияние на возникновение кавитации в насосе оказывают условия входа жидкости в колесо и на лопасти. Насос необходимо спроектировать так, чтобы скорости жидкости на входе, особенно относительная были небольшими, поля скоростей и давлений по сечению равномерными.
С целью создания благоприятных условий входа жидкости все выступающие части насоса на входе в рабочее колесо должны иметь хорошо обтекаемую форму. Условия входа в рабочее колесо определяются диаметром входа в рабочее колесо Do, шириной канала на входе Ьх и входным углом 0Х. Практика показывает, что малые входные углы pt улучшают кавитационные качества насоса и в то же время из-за большого стеснения потока на входе ухудшают гидродинамические качества канала рабочего колеса.
Рассмотрим меры, с помощью которых предотвращается или ослабляется кавитация. Их можно разбить на три категории.
Первая категория мер предполагает пути предотвращения или ослабления кавитации за .счет воздействия на систему, которую обслуживает насос. К ним можно отнести: снижение геометрической высоты всасывания; уменьшение температуры перекачиваемой жидкости; снижение потерь в приемном трубопроводе; повышение давления перед входом в насос путем впуска жидкости во всасывающий патрубок из напорного трубопровода либо установке эжектора в начале приемного трубопровода; впуск воздуха в приемную часть насоса.
Вторая категория предусматривает ослабление кавитации за счет некоторых видоизменений в конструкциях отдельных элементов машины, таких как: применение рабочего колеса с расширенным входом (рис. 2.46); применение для первой ступени многоступенчатого насоса рабочего колеса с большим значением коэффициента быстроходности ns по сравнению с остальными рабочими колесами; исполнение входных кромок рабочего колеса с увеличенной шириной, заостренных и расположенных наклонно к оси колеса; применение подпирающих устройств, расположенных на валу насоса перед первой ступенью, — осевое колесо либо шнек, что позволяет получить насосы с коэффициентом С = 2500—5000 и больше; применение пред-включенных (бустерных) насосов; применение в рабочих колесах суперкавитационных профилей, что позволило бы увеличить частоту вращения п без ухудшения энергетических характеристик; установка в подводящем патрубке выравнивателя — тонкой радиальной пластины, идущей от стенки до оси патрубка; установка лопастей в подводе перед рабочим колесом с целью уменьшения закрутки потока.
Третья категория включает в себя мероприятия, позволяющие ослабить или исключить кавитацию путем изменения рабочих параметров насоса в процессе его эксплуатации. К ним можно отнести: искусственное уменьшение подачи Q при постоянной частоте вращения п, что можно достичь в случае применения насоса с подачей 120—140 % от требуемой; уменьшение частоты вращения п по сравнению с расчетной.
Если же по тем или иным соображениям исключить кавитацию невозможно, то (с целью ослабления разрушающего действия кавитации) детали машин рекомендуется изготовлять из легированных сталей (с присадкой хрома, никеля). Многочисленные опыты подтверждают, что кавитационному разрушению хорошо противостоят антикоррозионные материалы.