Кавитация насоса что это такое

Что такое кавитация?

Термин «Кавитация» происходит от латинского — Cavitas (впадина, углубление, полость).
Данным термином принято обозначать физический процесс, протекающий при ряде условий в жидкостях, и сопровождающийся образованием и схлопыванием большого количества пузырьков (пустот, каверн).

Кавитацию можно условно разделить на два подтипа согласно происхождению: гидродинамическая и акустическая.
В свою очередь, гидродинамическая Кавитация имеет ещё два подкласса — назовем их статический и динамический.

Что собой представляет кавитация как процесс физико-химического свойства?
Воздействие кавитации ускорило осаждение солей из воды, что привело к заклиниванию рабочего колеса насоса НВВ-25.

P (атм.)	T°C
0.01	6.7
0.02	17.2
0.04	28.6
0.1	45.4
0.2	59.7
0.3	68.7
0.4	75.4
0.5	80.9
0.6	85.5
0.7	89.5
0.8	93
0.9	96.2
1	99.1
1.033	100

Вода в природе не является однородной и чистой средой без примесей. Все жидкости являются растворами, в которых достаточно большое количество примесей, в основном атмосферных газов. Из атмосферного воздуха в воде растворяется почти в два раза больше азота, нежели кислорода.

Так, в 1 л воды при температуре 20°С растворяется приблизительно 665 мл углекислого газа, а при 0°С — в три раза
больше, 1995 мл. При температуре 0°С в одном литре H₂O может быть растворено: He — 10 мл, H₂S — 4630 мл.

Повышение давления влечёт за собой увеличение растворимости газов.

Например, при давлении 25атм в 1 л воды растворяется углекислого газа 16,3 л, а при 53 атм — 26,9.Понижение давления даёт, соответственно, обратный эффект. Если оставить ёмкость с водой на ночь, на стенках образуются пузырьки газа. Ещё более наглядно и быстрее это можно увидеть в стакане с газировкой. В процессе кипячения воды мы также видим процесс образования пузырьков с газом и паром.

Кавитация (тепловая) в некотором смысле — тот же процесс кипения, вызванный не только повышением температуры
(хотя и это тоже один из факторов образования кавитации).В сочетании двух факторов, повышенной температуры и пониженного давления над жидкостью, происходит процесс кавитации, при котором жидкость переходит в газо-водяную смесь.

Откачивая вакуумным насосом воздух из стеклянной бутылки — Получаем процесс кавитационного «кипения» при комнатной температуре.

Видеодемонстрация описанного эффекта.

Это особо критично и чаще всего встречается в насосных системах, работающих на всасывание. Рабочее колесо или винт создают во всасывающей магистрали разряжение, которое в случае недостатка жидкости на входе (заужение прохода, излишнее количество поворотов трубопровода и т.д.), создают условия для кавитационного закипания жидкости.

Очень часто клиенты обращаются с вопросом — почему нельзя всасывать жидкости с высокой температурой? Ответ лежит на поверхности – при понижении давления во всасывающем патрубке большая часть воды переходит в следующее агрегатное состояние, т. н. водно-газовую смесь (проще говоря, кавитационный кипяток), поднять который обычным насосом для воды уже нельзя в принципе.
Раствор жидкости с газом находится в обычных условиях в равновесии, т.е. давление в жидкости больше давления насыщенных паров газа, и система стабильна. В тех случаях, когда в системе нарушается данное равновесие, и происходит образование кавитационных пузырьков.
Рассмотрим случай образования Кавитации в статичной системе.

Чаще всего кавитация образуется в зоне, расположенной на напорной магистрали насоса, в случае её сужения.
Т.е. давление жидкости после сужения падает (согласно закону Бернулли), т.к. увеличиваются потери и кинетическая энергия.
Давление насыщенных паров становится больше внутреннего давления в жидкости с образованием пузырьков/каверн. После прохождения узкой части (это может быть приоткрытый затвор, местное сужение, и т. п.) скорость потока падает, давление возрастает и пузырьки газов и паров схлопываются. Причём энергия, высвобождаемая при этом, весьма и весьма велика, в результате чего (особенно если это происходит в пузырьках, находящихся на стенках) происходят микро-гидроудары, влекущие за собой повреждения стенок. При этом, если не принять мер, то процесс дойдёт и до полного разрушения стенок насосной части. Вибрация и повышенный шум в насосе и трубах — первейшие признаки кавитации.

Основные слабые места в гидросистемах — места сужения, резкого изменения скорости потока жидкости (клапаны, краны, задвижки) и рабочие колёса насосов. Более уязвимыми они становятся при увеличении шероховатости поверхности.

Но кавитация имеет помимо негативных последствий ещё и позитивные. Её воздействие может полировать детали, очищать трубы. Всё же чаще всего есть необходимость избежать кавитационных явлений. Способ первый, основной, но не единственный – учёт кавитационного запаса насоса на стадии проектирования системы.

Учёт кавитационного запаса насоса на стадии проектирования системы.

Для расчёта достаточного кавитационного запаса системы надо посчитать
H – максимально возможную для данных условий, для данного насоса и его производительности, высоту всасывания.
H= Pb*10.2 – NPSH – Hf – Hv – Hs,где
Hf — потери во всасывающей магистрали (м.в.ст.) в метрах водяного столба,
Hv — давление насыщенных паров жидкости при рабочей температуре (м),
Hs — запас надёжности, принимаемый проектировщиками – 0,5 м.в.ст.,
Pb — давление над жидкостью — в открытой системе это атмосферное давление, приблизительно равное 10,2 м.в.ст. (Pb*10.2)
Характеристика насоса NPSH (Net Positive Suction Head) означает высоту всасывания, измеренную на всасывающем входе в насос, с поправкой на давление насыщенных паров конкретной перекачиваемой жидкости,на максимальной производительности насоса.

Т.е. физический смысл формулы H= Pb*10.2 – NPSH – Hf – Hv – Hs состоит в том, чтобы на максимальных рабочих параметрах насоса разряжение в его всасывающем патрубке не превышало бы давление насыщенных паров жидкости при рабочей температуре, т.е. система имела бы требуемый для бескавитационной работы подпор.

Совершенно очевидны отсюда и остальные пути снижения вероятности появления кавитации:
— изменить диаметр на всасывании на больший – уменьшить потери (Hf),
— переместить насос ближе к месту забора жидкости – уменьшить потери (Hf),
— поставить более гладкую трубу, уменьшить число поворотов, задвижек, клапанов– уменьшить потери (Hf),
— понизить разряжение на всасывании изменением высоты установки насоса или использованием бустерного насосного оборудования – повысить (Pb),
— снизить температуру жидкости — уменьшить (Hv),
— уменьшить производительность насоса, снизить число оборотов – понизить (NPSH).
Все эти меры направлены на уменьшение возможности возникновения кавитации в насосе и ведут к долговременной и безопасной работе насосов.

Кавитация: основные понятия, причины возникновения и ее следствия

» style=»margin: 0px; padding: 0px; border-color: rgb(157, 185, 218); line-height: 1.385em; word-wrap: break-word; font-family: Tahoma; font-size: 13px;»>

Кавитация: основные понятия, причины возникновения и ее следствия

Нарушение сплошности потока жидкости, обусловленное появлением в ней пузырьков или полостей, заполненных паром и выделившимся из жидкости газом, называется кавитацией. Кавитация возникает в области пониженного давления, где возникают растягивающие напряжения, которые приводят к разрыву жидкости и образующие полости — каверны заполняются парами жидкости и выделившимся из нее растворенным газом. Попадая в область высоких давлений паровые пузырьки (каверны) «захлопываются». Захлопывание каверн вызывает местный гидравлический удар, который может привести к разрушению (эрозии) стенок каналов. Действительно, давление в пузырьках остается постоянным и равным давлению упругости насыщенного пара, в то время как давление жидкости по каналу рабочего колеса повышается при течении жидкости от входа к выходу. Попадая в область высокого давления, пузыри схлопываются под действием высокого давления. Это схлопывание сопровождается местным повышением давления в несколько тысяч атмосфер. Если оно происходит на поверхности лопаток или других элементах насоса, то с их поверхности выбиваются частицы материала, из которого они сделаны. Это явление называется эрозией. Этот процесс можно определить по потрескивающим звукам, которые усиливаются с увеличением кавитации.

Возникновение и развитие кавитации в жидкости связано с наличием так называемых ядер кавитации. В технических жидкостях всегда имеются ядра кавитации. Они являются теми слабыми точками, в которых нарушается сплошность жидкости, и возникают кавитационные явления. Наиболее вероятно, ядра кавитации представляют собой нерастворенные газовые включения, в том числе в порах и трещинах, а также микрочастицы, взвешенные в жидкости.

Если в жидкости присутствуют свободные или растворенные газовые включения, то кавитация будет протекать более интенсивно, с большим шумом и вибрациями.

Кавитация приводит к трем основным отрицательным последствиям:

1. К срыву подачи, напора, мощности и к.п.д.
2. К эрозионному износу элементов насоса: рабочего колеса, вала и т.д.
3. К звуковым явлениям: шуму, вибрации установки, а также к низкочастотным

автоколебаниям давления в трубопроводах.

В насосах кавитация возникает при давлении перед входом в насос существенно превышающем давление парообразования при данной температуре жидкости. Это означает, что область минимального давления располагается внутри проточной части насоса. Падение давления внутри проточной части насоса (по сравнению с входным давлением Рвх) связано с обтеканием лопаток. При обтекании лопаток, как при обтекании любого тела, образуется область пониженного давления Рmin.

Как только давление станет ниже давления насыщенного пара, то образуется кавитация. В потоке жидкости такое падение давления происходит обычно в области повышенных скоростей и при перекачивании горячих жидкостей в условиях, когда происходит интенсивное парообразование в жидкости, находящейся в насосе. Пузырьки пара попадают вместе с жидкостью в область более высоких давлений, где мгновенно конденсируются. Жидкость стремительно заполняет полости, в которых находился сконденсировавшийся пар, что сопровождается гидравлическими ударами, шумом и сотрясением насоса. Кавитация приводит к быстрому разрушению насоса за счёт гидравлических ударов и усиления коррозии в период парообразования. При кавитации производительность и напор насоса резко снижаются.

Зависимость напора насоса от давления на входе при постоянном расходе и постоянной частоте вращения называется кавитационной характеристикой. Такие характеристики снимаются на специальных стендах.

Уменьшение давления перед насосом Рвх достигается вакуумированием воздушной подушки в резервуаре. Во время испытаний насоса при постоянном значении расхода Q и постоянных числах оборотов определяют значения давлений на входе, при которых появляются кавитационные явления.

По результатам испытаний строятся кавитационные характеристики.

При давлении на входе равного Р нач в насосе возникает кавитация, которая сказывается в появлении мелких пузырьков и шума от их схлопывания. Дальнейшее уменьшение давления от Рнач до Ркрит, несмотря на развитие кавитации (увеличивается количество и объем пузырьков), не приводит к изменению напора и к.п.д. насоса, но при этом могут усиливаться эрозионные и колебательные явления.

При давлении Ркрит, напор начинает снижаться (одновременно с напором снижается к.п.д. насоса). Это критический режим.

При давлении на входе насоса равного Рсрв напор и расход резко падают. Это — срывной кавитационный режим.

На кавитационной характеристике насоса можно выделить несколько областей:

а) режим начальной кавитации (или скрытая кавитация) насоса, когда Ркрит

б) критический режим Рсрв

в) режим Pвх Pсрв, при котором наблюдается срыв всех основных параметров насоса. При этом вся проточная часть насоса практически занята паровой или газовой каверной.

Для насосов длительного использования, например, для отопления или водоснабжения, важно избежать даже начальной стадии кавитации.

В этом случае, давление на входе Рв должно быть больше давления Р нач. Это позволит избежать появления кавитационного шума и эрозионного износа элементов насоса.

Для того чтобы избежать кавитации можно предпринять следующие шаги:

• повысить давление во всасывающем патрубке (опустить насос, или увеличить

давление в приемном резервуаре). Производительность от этого не измениться.

• Использовать насосы, имеющими меньшие числа оборотов.
• Снизить расход жидкости через насос или температуру перекачиваемой жидкости, что соответствует уменьшению давления пара.

Кавитация насосов и пути ее устранения

Пожалуй, главный источник проблем с насосами — кавитация. Физически это явление объясняется тем, что в жидкости всегда присутствует какое-то количество растворенного газа. При движении жидкости в ней могут возникать зоны разрежения. В результате выделяются пузыри. Попадая с потоком в зону более высоких давлений, пузыри схлопываются, выделяя энергию, которая разрушает поверхность рабочих колес, улиток (рис. 1.) и т.д.
Рис. 1. Кавитация улитки после года работы насоса.
Эта энергия также создает ударные волны, вызывающие вибрацию, распространяющуюся на рабочее колесо, вал, уплотнения, подшипники, повышая их износ. Возникновение кавитации обусловлено разными причинами (табл. 1.) Любой вид кавитации связан с неучетом важных правил гидравлики и гидродинамики.

Каждый насос характеризуется величиной кавитационного запаса ∆h_тр, обозначаемой западными насосными фирмами NPSHR. Это то минимальное давление, в пределах которого у жидкости, попадающей в насос, сохраняется состояние собственно жидкости. Величину ∆h_тр в номинале и кривую зависимости ∆h_тр от подачи/напора обязан предоставлять производитель насоса.

Насос в станцию необходимо подбирать, устанавливать и обвязывать так, чтобы он располагал в зоне своей работы (определяется наложением характеристик насосов и системы водоводов) тем допустимым кавитационным запасом ∆h_доп (или NPSHA), величина которого была бы выше ∆h_тр (NPSHA > NPSHR).

Иными словами ∆h_доп – есть потенциальная энергия жидкости у всасывающего отверстия насоса ∆h_доп = H_a + H_s – H_vp -H_f -H_i, где H_a — атмосферное давление (10 м водного столба на уровне моря); H_s — статический напор (положительный или отрицательный), определяемый как разность уровней между свободной поверхностью жидкости и осью насоса, м; H_vp — давление паров перекачиваемой жидкости, зависящее от температуры, м; H_f — потери на трение во всасывающей линии, м; H_i — потери в пространстве между горловиной и головкой рабочего колеса насоса (если неизвестны, можно принять [1] равными 0,6 м).

Пример. Нужно определить геометрическую высоту всасывания Н_о (рис 2) для насоса с ∆h_тр = 7,0 м.

Расчетом из таблиц получаем потери: на входе в насос H_i = 0,6 м; на трение во всасывающей линии H_f = 0,3 м; на задвижке Н_v = 0,1 м; на конфузоре Н_к = 0,1 м; давление насыщенных паров H_vp = 0,2 м. Величина Н_о равна H_s со знаком минус.

Для получения искомой Н_о применим систему из трех уравнений.
∆h_доп = 1,1 ∆h_тр,(4.1), где 1,1 – коэффициент запаса, принимаемый в зависимости от условий работы насоса 1,1 – 1,5 [1].
Н_о = — H_s,(4.2) так как уровень воды отрицательный по отношению к оси насоса.
∆h_доп = H_a + H_s — H_vp — Н_к — Н_v — H_f -H_i (4.3)
Отсюда Н_о = -(1,1 ∆h_тр — H_a + H_vp + Н_к + Н_v + H_f +H_i ) или
Н_о = -(1,1 * 7,0 – 10 + 0,2 +0,1 + 0,1 + 0,3 + 0,6) = -(-1,0) = 1 м.

Требуемый кавитационный запас Δh_TP обычно вычисляют по характеристике, представляемой производителем насоса. Кривая Δh_TP начинается с точки нулевой подачи и медленно растет с увеличением. Когда подача превышает точку наибольшего КПД насоса кривая Δh_TP резко возрастает, по экспоненте. Зона справа от точки максимального КПД обычно является кавитационно опасной. Кавитационный запас не поддается контролю с точки зрения механики, и оператор насосной станции (особенно если он не ознакомлен с характеристиками насосов) улавливает по металлическому шуму и щелчкам уже развитую кавитацию. К сожалению, на рынке слишком мало приборов, позволяющих наблюдать и предотвращать кавитацию. Хотя датчик давления всасывающей стороне насоса, подающий сигнал тревоги при падении давления ниже допустимого для конкретного агрегата, мог бы и должен бы применяться повсеместно.

Многие операторы знают, что звук пропадает после прикрытия задвижки. Но, снижая тем самым подачу и кавитацию, можно не достичь технологических параметров производственного процесса или водоснабжения/водоотведения. Для того, чтобы правильно устранить кавитацию нужно использовать принцип – на входе в насос должно всегда быть жидкости больше, чем на выходе. Вот несколько простых способов как этого достичь:
— замените диаметр всасывающего патрубка на больший;
— переместите насос ближе к питающему резервуару, но не ближе 5-10 диаметров всасывающей трубы;
— понизьте сопротивление во всасывающей трубе, заменой ее материала на менее шероховатый, задвижки на шиберную, характеризующуюся меньшими местными потерями, удалением обратного клапана;
— если всасывающая труба имеет повороты, уменьшите их количество и (или) замените отводы малых на большие радиусы поворота, сориентировав их в одной плоскости (иногда правильно заменить жесткую трубу гибкой);
— увеличьте давление на всасывающей стороне насоса повышением уровня в питающем резервуаре либо снижением оси установки насоса, либо использованием бустерного насоса.

Изложенные способы просты и понятны любому специалисту, но. Рассматриваю недавно проект выполненный авторитетной, проектной организацией и обнаруживаю, что насосы с подачей 1400 м 3 /ч оборудованы задвижками (рис. 3) диаметрами 400 мм с напорной и 300 мм со всасывающей стороны (!?) «Вы перепутали диаметры» – говорю – «Не может насос, изготавливаемый солидной европейской фирмой, быть выполнен вопреки классическому правилу: всасывающий патрубок должен быть больше напорного!»

Рис. 3. Пример неверной обвязки насос насоса. Диаметр всасывающего патрубка меньше чем напорного.

Оказалось, что патрубки имеют одинаковые диаметры по 300мм. Чем руководствуется насосная фирма догадаться не трудно. С подходящим под данную подачу всасывающим патрубком Ø400 или Ø500 возросли бы размер улитки и цена. Но, если бы проектировщик подсчитал получаемые скорости на входе в насос 5,5 м/с, а за насосом 3,1 м/с, то смог бы убедить заказчика отказаться от насоса, способного кавитировать, хотя и менее дорогого.

В насосной станции смонтированы агрегаты сухой горизонтальной установки выше уровня воды в приемном резервуаре на 2,8м. Их номинальные параметры: Q=3500 м 3 /ч, Н=26м, ∆hтр(NPSHR)=7.7м. Насосы кавитируют. Реально они работают в точке Q=3900 м 3 /ч, Н=24м, где ∆hтр(NPSHR)=8,6м. Диапазон производительности насосной станции 6 000-10 000 м3/ч.

С помощью формулы (4.3) этого параграфа подсчитываем ∆hдоп(NPSHA)=5.8м. Отсюда ∆hдоп 3 /ч, при котором ∆hтр=3,8м 3 /ч. Строим графики совместной работы трех насосов с тремя клапанами и трубопроводов (рис 4). Три насоса справляются с минимальным притоком 6000 м 3 /ч.

Вариант 2 (с бустерным насосом).
Из предыдущих расчетов видно, что недостаток напора на всасывающей стороне насоса составляет 3,7 м. Наиболее просто монтируемыми и подходящими для значительных объемов на небольшую высоту являются насосы с осевыми или диагональными рабочими колесами (рис 4,5). Такие агрегаты устанавливаются непосредственно в нагнетательную колонну (в данном случае открытую). Подбираем насос с номинальными параметрами Q=3000 м 3 /ч, Н=5,5 м, КПД=83%. Строим характеристики работы пары последовательно соединенных насосов (рис. 6) и трех пар последовательно – параллельно соединенных насосов (рис. 7) совместно с водоводом.

Рисунок 4. Графики совместной работы 3-х насосов с регулируемыми клапанами (или одним клапаном на гребенку) и водоводов.

1,2,3-графики одно, двух и трех параллельно работающих насосов соответственно. 4,5,6-графики водоводов с редукционными клапанами (клапаном), поддерживающим давление в системе 3,5 бар при работе одного, 2-х и 3-х насосов соответственно 7-характеристика водовода без дросселирования.

Рис. 5 Погружной осевой насос 1, создающий подпор насосу сухой установки 2.

Пуск существующего насоса осуществляется с задержкой, после того как осевой бустерный агрегат наполнит колонну водой до возможного излива.
Анализ характеристик показывает:
Подача бустерного агрегата (рис. 6) в рабочем диапазоне выше, чем у существующего, что обеспечило стабильный подпор последнему.

Рис. 6 Графики работы последовательно соединенных насосов и водовода

1-характеристика насоса сухой установки 2-совместная характеристика последовательно работающих насосов 3-характеристика водовода.

Рабочая точка двух пар параллельно действующих насосов (рис. 7) соответствует Q=7200 м 3 /ч, Н=30м и находится в зоне оптимума обоих агрегатов.

Рис. 7. График параллельной работы трех пар последовательно соединенных насосов и водовода

1,2,3-графики работы одной, 2-х, 3-х пар последовательно соединенных насосов, соответственно 4-характеристика водовода.
Требуемый кавитационный запас существующих насосов сухой установки в этой точке ∆hтр=6м
Подсчитываем располагаемый кавитационный запас формуле (4,3):
∆hдоп=10+2,0-0,2-0,2-0,1-0,3-0,6=10,6 м
Отсюда ∆hдоп=10,6>1,1∆hтр=6,6м
Угрозы кавитации нет.

Энергетические затраты по вариантам показывают явное преимущество в использовании бустерных насосов, а денежная разность их (2081 272 руб) сравнима с закупочной ценой за агрегат.
Кроме того установка редукционного клапана не исключит проблем:
Наличие воздуха во всасывающем трубопроводе, следовательно, неустойчивой работы насосов;
Уменьшения ресурса работы подшипниковых узлов и уплотнений (при подаче 2000 м3/чач насос работает на границе ограничения по Qmin, с повышенными осевыми и радиальными силами)
Таким образом, можно оценить целесообразность и эффективность мероприятий по устранению кавитации.

Список литературы:
[1] Bachus L, Custodio A. Know and Understand Centrifugal Pumps.
Elsevier, Oxford, 2003.

Березин С.Е.
ЗАО «Водоснабжение и водоотведение», Москва, Россия

Кавитация в центробежных насосах

Содержание

Кавитация в центробежных насосах — это гидродинамическое явление, которое зависит от гидродинамических качеств рабочих органов машины и физических свойств жидкости. Кавитация в насосоах обычно начинается при падении давления до значения, равного или меньшего давления упругости насыщенного пара и сопровождается нарушением сплошности потока с образованием полостей, насыщенных паром и растворенными в жидкости газами.

Она возникает также при снижении местного давления по разным причинам динамического характера: увеличение скорости жидкости из-за увеличения частоты вращения, отрыва или сжатия потока, отклонения линий тока от их нормальных траекторий.

Кавитация в насосах может возникнуть как на движущихся, так и на неподвижных элементах проточной части.

Причины возникновения кавитации.

Явление кавитации в насосах происходит следующим образом — зарождение кавитации во многих случаях начинается с образования отдельных микроскопических пузырьков на участках пограничного слоя обтекаемого тела. После достижения определенного размера эти пузырьки поступают в зону видимой кавитации.

Полости или так называемые, каверны постоянного и устойчивого типов образуются без предварительного роста пузырьков в тех случаях, когда давление окружающей среды довольно низкое или соответственно высокая скорость потока.

Явление кавитации в насосах сопровождается вскипанием жидкости и является термодинамическим процессом, определяемым свойствами жидкости: давлением, температурой, скрытой теплотой парообразования, теплоемкостью.

При вскипании жидкости в местах с минимумом давления образуются полости, заполненные паром и частично выделившимися из раствора газами. Возникшие пузырьки пара увлекаются потоком и попадают в область с более высоким давлением, где они вновь конденсируются. Так как кипение связано с затратой тепла на парообразование, которое должно быть получено из окружающей среды путем теплообмена, то процесс вскипания происходит с некоторым запаздыванием, т.е. минимальное давление в потоке достигает значения несколько меньшего давления парообразования и вскипание жидкости происходит из перегретого состояния. Конденсация пузырьков пара в области повышенного давления происходит также с некоторым запаздыванием в условиях относительного переохлаждения. В связи с отмеченными процессами вскипание и конденсация происходят с достаточно большой скоростью.

Частицы жидкости, заполняющие полость конденсирующегося пузырька, движутся к центру со значительными скоростями. В момент завершения конденсации частицы жидкости внезапно останавливаются, и происходит местный гидравлический удар. При этом кинетическая энергия частиц переходит в энергию упругой деформации. Так как деформация жидкости весьма незначительна, то давление повышается на довольно большую величину. Следом за повышением давления возникает обратная волна давления, сопровождающаяся резким падением его и, возможно, повторным вскипанием, а затем снова конденсацией.

Различают три стадии кавитации: начальную, развитую и суперкавитацию. При начальной стадии кавитационная область отсутствует. Развитая стадия отличается наличием значительных кавитационных каверн на обтекаемом теле. В условиях суперкавитации весь обтекаемый элемент находится в зоне кавитационной каверны.

Последствия кавитации в насосах

Последствия кавитации в насосах сопровождается признаками, отрицательно сказывающимися на работе насоса.

Шум и вибрация возникают при разрушении кавитационных пузырьков в зоне повышенного давления. Уровень шума зависит от размеров насоса. Кавитационный шум проявляется в виде характерного потрескивания в зоне выхода в рабочее колесо.

Снижение параметров насоса при наличии развитой кавитации по-разному сказывается для насосов с разными коэффициентами быстроходности и зависит от значения и влияния кавитационной зоны. При низкой быстроходности параметры снижаются резко. Для насосов с высоким коэффициентом быстроходности характерно постепенное снижение параметров. Если кавитационная зона занимает все сечение канала, то происходит срыв(прекращение) подачи насоса.

Кавитационное разрушение материалов (питтинг) происходит при длительной работе насоса в условиях кавитации в местах захлопывания пузырьков. Питтинг имеет место как при начальной, так и при развитой кавитации.

Эксплуатация насосов с подачей большей расчетной также иногда приводит к кавитационным повреждениям элементов рабочих колес и корпусных делатей. Считается, что кавитационное разрушение материала происходит из-за механического воздействия кавитирующего потока на материал.

Следует различать разрушение, вызванное кавитацией, коррозией и эрозией. Коррозия является следствием химического и электролитического воздействия сред на металл, а эрозия происходит в результате отрыва частиц металла твердыми телами, транспортируемыми перекачиваемой жидкостью(например, песком).

Наличие материалов, стойких против кавитационных разрушений, неизвестно. Все материалы быстрее или медленнее разрушаются. Более стойкими являются материалы, которые наряду с механической прочностью обладают химической стойкостью, как, например, бронза. Сильно подвержены кавитационному разрушению чугун и углеродистая сталь. Наиболее кавитационно устойчивой считается нержавеющая сталь. Применение кавитационно стойких материалов может обеспечить непродолжительную работу насоса без заметного разрушения в условиях частичной кавитации. Такая возможность представляет значительные преимущества, например в условиях кратковременной перегрузки насоса.

Влияние кавитации на характеристики насоса

Кавитация в центробежных насосах сопровождается нарушением неразрывности потока в насосе и отражается на его нормальных характеристиках. Последствяи кавитации в насосах оказывают непосредственное влияние на характеристики насоса. Начальная стадия кавитации, ограниченная небольшой областью (местная кавитация), не сказывается заметно на подаче и напоре насоса и проявляется характерным потрескиванием в области всасывания, обусловленным гидравлическими ударами. Местная кавитация в насосах может сопровождаться разрушением материала колеса или корпуса насоса. Кавитация более развитая приводит к уменьшению подачи, напора и КПД насоса, а затем и к полному срыву его работы. На этом рисунке показано влияние кавитации на характеристики насоса, пунктиром отмечен нормальный ход характеристик без кавитации.

Кавитация является одним из основных факторов нарушающих нормальную работу насоса. К другим факторам влияющим на выдаваемую насосом характеристику относят гидравлическое сопротивление.

Видео по теме

Кавитация в насосах является фактором, сильнейшим образом влияющим на надежность работы насоса. Длительная работа насоса в области даже незначительных кавитационных явлений совершенно недопустима в силу разрушающего действия кавитации.

Кавитация в насосах

Понятие кавитации

Явления, происходящие в насосе при парообразовании в начальной стадии и вплоть до прекращения (срыва) работы, имеют общее название кавитации.

Кавитация представляет собой сложный комплекс следующих явлений:

· выделение пара и растворенных газов из жидкости в тех областях, где давление жидкости равно или меньше давления насыщенных паров ее;

· местное повышение скорости движения жидкости в том месте, где возникло парообразование, и беспорядочное движение жидкости;

· конденсация пузырьков пара, увлеченных потоком жидкости в область повышенного давления. Конденсация каждого из пузырьков приводит к резкому уменьшению объема и гидравлическому удару в микроскопических зонах; однако «бомбардировка» этими ударами большой площади кавитируемой поверхности приводит и к большим площадям разрушения. Многократно повторяющиеся механические воздействия при конденсации пузырьков вызывают механический процесс разрушения материала колеса, что является наиболее опасным следствием кавитации;

· химическое разрушение металла в зоне кавитации кислородом воздуха, выделившегося из жидкости при прохождении ее в зонах пониженного давления. Этот процесс носит название коррозии. Коррозия, действующая одновременно с цикличными механическими воздействиями, снижает прочность металла.

Кавитация, может происходить не только в рабочем колесе, но и в направляющем аппарате или в спирали, хотя здесь она наблюдается сравнительно редко. Явления кавитации сопровождаются характерным потрескиванием в области всасывания, шумом и вибрацией насоса.

Рисунок 2 — кавитация в насосе.

Последствия кавитации

Кавитация уменьшает КПД, напор и производительность насоса. При сильном развитии кавитации центробежный консольный насос полностью прекращает работу (срывает подачу). Длительная работа насоса при наличии даже незначительных кавитационных явлений совершенно недопустима. Особенно сильно при кавитации повреждаются детали насосов, если перекачивается вода, содержит твердые включения.

От действия кавитации поверхности деталей становятся шероховатыми и губчатыми, что способствует быстрому истиранию деталей содержащимися в жидкости включениями. В свою очередь твердые частицы, истирая поверхности деталей, содействуют усилению кавитации. Особенно сильно кавитационному разрушению подвержены чугун и углеродистая сталь. Наиболее устойчивы в этом отношении насосы из нержавеющей стали и бронзы.

Рисунок 3 — последствия кавитации.

Пути устранения кавитации

1. Размещение гидробака выше всасывающей камеры насоса.

Как известно из опыта эксплуатации гидрофицированных самоходных машин, объемные насосы на самовсасывании работают крайне неудовлетворительно или не работают вообще, особенно в период пуска машины при низких температурах, когда в десятки и сотни раз повышается вязкость жидкости. Поэтому на всех современных гидрофицированных машинах различного технологического назначения гидробак устанавливают выше насоса так, что свободная поверхность жидкости в гидробаке не менее чем на 0,5 м выше всасывающей камеры насоса. Гидравлическое сопротивление всасывающего трубопровода не позволяет обеспечить полное заполнение рабочих камер насоса, поэтому размещение гидробака выше всасывающей камеры позволяет создать перед насосом давление выше атмосферного на величину h·g·?, где h — высота всасывания; g — ускорение свободного падения; ? — плотность жидкости.

Однако, следует помнить, что размещать гидробак на величину выше 0,5 м над всасывающей камерой нецелесообразно, так как после распределителя на эту же высоту приходится поднимать поток жидкости, что увеличивает давление в сливной гидролинии, снижает полезное усилие на гидродвигателях и ведет к перерасходу топлива двигателя внутреннего сгорания. В конечном итоге снижается общий КПД гидропривода.

2. Увеличение диаметра всасывающего трубопровода.

Позволяет несколько повысить всасывающую способность за счет снижения его гидравлического сопротивления. Расчеты и опыт эксплуатации показывают, что кардинально повысить всасывающую способность насосов за счет увеличения диаметра трубы не удается, тем более существует предел этого увеличения по конструктивным соображениям. Максимальный диаметр всасывающего трубопровода можно получить расчетом, приняв скорость потока жидкости в трубе, равную 0,8 м/с.

3. Уменьшение длины всасывающего трубопровода.

Также позволяет повысить всасывающую способность насосов за счет снижения путевых потерь гидролинии. Протяженность всасывающего трубопровода зависит от места и способа крепления насоса к двигателю внутреннего сгорания и месторасположения гидробака. При проектировании гидропривода следует на стадии компоновки гидрооборудования учитывать требования к минимальной длине трубопровода. По соображениям повышения всасывающей способности насосов в гидроприводе станков последние размещают непосредственно в гидробаке. Применительно к самоходным гидрофицированным машинам такое конструктивное решение выполнить невозможно. На лесозаготовительных машинах протяженность всасывающего трубопровода достигает от 2,5 м (лесоукладчики) до 3,5 м (валочнопакетирующие машины).

4. Снижение местных сопротивлений.

Также способствует повышению всасывающей способности насосов, причем существенно больше, чем уменьшение длины трубопровода. Это подтверждается данными наших экспериментальных исследований. Во всасывающей гидролинии не должно быть обратных клапанов, фильтров, изгибов под прямым углом, ответвлений и других местных сопротивлений.

5. Увеличение площади и изменение формы всасывающего отверстия.

Позволяет существенно повысить всасывающую способность насосов. Обычно на современных машинах всасывающий патрубок имеет срез под прямым углом. Это упрощает технологию и стоимость изготовления. Однако прямой срез не исключает вихревых явлений жидкости при входе ее во всасывающее отверстие, что создает дополнительное гидравлическое сопротивление и, как следствие, способствует развитию кавитации при более высоком давлении во всасывающей камере, снижает объемный КПД и подачу насосов.

Увеличить площадь всасывающего отверстия при одинаковом диаметре можно за счет применения скошенного под углом 30 — 45 °С патрубка. Такое простое конструктивное решение позволяет в 1,4 — 1.6 раза увеличить площадь всасывающего отверстия, существенно снижает вихревые явления и все отрицательные последствия, с ними связанные.

Однако кардинально повысить всасывающую способность насоса можно за счет применения патрубка коноидальной формы. Такие патрубки позволяют использовать кинетическую энергию потока жидкости, создавать во всасывающей камере насоса избыточное давление и повышать всасывающую способность насоса.

6. Применение гидробаков с давлением выше атмосферного.

Значительно увеличивает всасывающую способность насосов. Для создания избыточного давления в гидробаке чаще всего используют компрессор. Однако это требует введения дополнительного привода от вала отбора мощности к компрессору и создания автономной системы управления. Видимо, это слишком высокая цена для повышения всасывающей способности насосов, поэтому такой способ применяется пока только на одной серийной машине — экскаваторе ЭО-4332А и его модификациях. Такой же эффект можно получить, применив эластичную мембрану или подпружиненный поршень, которые позволяют компенсировать изменение объема жидкости в баке, возникающего при колебании температуры и за счет разницы объема поршневой и штоковой полостей гидроцилиндров. При этом могут возникнуть лишь затруднения с удалением из гидробака выделившейся из жидкости газовой фазы. Более простое конструктивное решение использование эластичной герметичной полости в верхней части гидробака, которая может создавать за счет изменения объема жидкости избыточное давление.

7. Применение эжекции во всасывающем трубопроводе.

Дает возможность повысить всасывающую способность насоса за счет использования кинетической энергии струи жидкости. Направление всего потока жидкости или его части позволяет создать избыточное давление во всасывающей камере насоса. На рис. 1 представлена упрощенная схема использования эжекции для повышения всасывающей способности насоса. Перед фильтром за счет его гидравлического сопротивления давление жидкости составляет не менее 0,35 МПа, а при понижении температуры (повышении вязкости) и засорении фильтроэлемента оно значительно увеличивается. Это давление можно использовать для направления части потока непосредственно во всасывающую линию насоса. Таким образом, такое простое конструктивное решение позволяет практически полностью избежать кавитационного режима работы насоса.

Рисунок 4 — применение эжекции во всасывающем трубопроводе.

8. Оптимизация вязкости рабочей жидкости.

Кардинально решает проблемы работоспособности и эффективности гидравлического привода, в том числе повышает и всасывающую способность насосов. Чем меньше вязкость рабочей жидкости, тем меньше гидравлические сопротивления (местные и путевые) и потери давления во всасывающем трубопроводе. Экспериментально установлено, что вязкость жидкости должна находиться в пределах (10 — 65)·10 6 м?/с для гидроприводов с аксиально-поршневыми насосами, и (50 — 2500)·10 6 м?/с для гидроприводов с шестеренными насосами. Для поддержания вязкости в указанном оптимальном диапазоне гидропривод самоходных машин, эксплуатируемых на открытом воздухе, должен иметь специальные теплообменные устройства.

9. Уменьшение шероховатости внутренней поверхности всасывающего трубопровода.

Также позволяет несколько повысить всасывающую способность насосов, особенно при низких температурах, когда шероховатость оказывает большее влияние на коэффициент трения вязкой жидкости. Изготовление всасывающих трубопроводов из пластмасс практически решает эту проблему.

10. Дегазация рабочей жидкости.

Почти полностью исключает кавитационный режим работы насосов и существенно повышает их всасывающую способность, особенно при оптимальных температурах рабочей жидкости. Однако до настоящего времени дегазация рабочих жидкостей в гидроприводе самоходных машин не применяется. Это объясняется отсутствием достаточно простых устройств дегазации, способных надежно работать в различных климатических условиях.