Высота всасывания насосов. Кавитация насосов

Рассмотрим насосную установку с центробежным насосом, представленную на рисунке 21. Для того чтобы можно было поднять жидкость с уровня О-О, лежащего ниже оси насоса, насос, как указывалось ранее, должен создавать у входа на лопатки рабочего колеса абсолютное давление , которое меньше атмосферного (разрежение, или вакуум). Тогда под действием атмосферного давления  а точнее за счет разности давлений   и   (именуемой вакуумметрической высотой всасывания Н_вак) и происходит всасывание, то есть подъем жидкости до центра насоса. Жидкость поднимается по всасывающему трубопроводу установки; поэтому естественно, что, кроме преодоления геометрической высоты Н_г-в, необходимо затратить часть Н_вак на создание в нем скорости v_в и на преодоление гидравлических сопротивлений h_wв на пути движения.

Все вышеизложенные рассуждения можно представить в виде следующего уравнения:

           (2 - 24)

Из этого уравнения можно определить высоту установки насоса над наинизшим уровнем жидкости в приемном резервуаре:

                                                  (2 - 25)

Величина H_вак для каждого насоса различна. При расчете геометрической высоты всасывания конкретного насоса эту величину следует принимать по каталогу. Остальные члены уравнения определяются гидравлическими расчетами.

Вакуумметрическую высоту всасывания определяют на заводах опытным путем, она приводится в каталогах при м вод.ст.(техническая атмосфера) и температуре перекачиваемой жидкости t 20° С. Поэтому при работе насоса в других условиях необходимо в ка­таложные данные вводить поправки и определять так называемую допустимую вакуумметрическую высоту всасывания  по формуле:

       (2 - 26)

где:    -  фактическое атмосферное (барометрическое) давление, принимаемое по таблице 1;
- упругость паров жидкости в м вод. ст. при данной температуре, принимаемая для воды по таблице 2.

В таком случае допустимая геометрическая высота всасывания центробежного насоса будет равна

                               (2 - 27)

Таблица 1

                                                                                                                                    Таблица 2

Приведенные выше рассуждения относятся в основном к определению геометрической высоты всасывания центробежных насосов массового выпуска. При использовании поршневых насосов в правую часть формулы (2-27) следует добавить член, определяющий дополнительные потери напора на преодоление сил инерции жидкости (при возвратно-поступательном движении поршня насоса) и на поддержание всасывающего клапана во взвешенном состоянии. Потери напора на преодоление сил инерции жидкости во всасывающем трубопроводе требуют специального расчета и зависят в основном от длины трубы и числа оборотов; поэтому поршневые насосы отличаются малым числом оборотов и короткой длиной всасывающего трубопровода.

При работе лопастных насосов, как указывалось ранее, на их всасывающей стороне, а точнее при входе на лопатки рабочего колеса обычно создается давление , меньшее атмосферного (разрежение). Величина его, как видно из приведенного ниже уравнения:

               (2 - 28)

определяется величиной атмосферного давления, геомет рической высотой всасывания, скоростью потока, а следо­вательно, и гидравлическими сопротивлениями. Кроме того, судя по опытным данным, это понижение давления происходит по сечению потока неравномерно и имеет наибольшую величину в местах его резких поворотов, то есть на переднем диске у входа на лопатки и на выпуклой стороне лопаток.
Если давление при входе на рабочее колесо лопастного насоса   по какой-либо причине упадет до давления, равного упругости пара перекачиваемой жидкости, то в потоке, особенно в отмеченных ранее местах наибольшего снижения давления, будут образовываться разрывы, то есть пустоты, заполняемые парами и газами, выделяющимися из этой жидкости.

Такой процесс нарушения сплошности течения потока, напоминающий бурное кипение жидкости, называется кавитацией.

Образовавшиеся в жидкости паровоздушные пузырьки уносятся потоком в область повышенного давления, где и происходит конденсация пара. До конденсации гидростатическое давление жидкости, окружающей паровоздушный пузырек, уравновешивается внутренним противодавлением его пара и газа. При конденсации занимаемый паром объем мгновенно уменьшается до небольшого объема конденсата и оставшегося разреженного газа; поэтому частицы жидкости, не встречая противодействия, приходят в движение и ускоренно движутся к центру пузырька.

Там они сталкиваются, вызывая мгновенное местное повышение давления. Это повышение особенно велико, если конденсация пузырька происходит на шероховатой и трещиноватой поверхности, когда частички жидкости проникают в углубления и трещины подобно клину. В этом случае повышение давления достигает тысяч атмосфер и сопровождается откалыванием кусочков металла с лопаток или других элементов рабочего колеса и некоторой (иногда даже опасной) вибрацией всего насоса. Описанный механический процесс разрушения рабочих колес носит название эрозии.

Из разнообразного состава атмосферного воздуха наибольшей растворимостью в воде отличается кислород; поэтому газы, выделяющиеся из жидкости в зоне пониженного давления, в основном представлены кислородом. Наличие большой концентрации кислорода, а также непрерывное удаление защитной пленки окислов при механическом разрушении поверхности металла способствуют коррозии. Разрушение гладких поверхностей начинается главным образом с химического разрушения, механическое же начинается позже, когда поверхность станет шероховатой.

Кроме этих явлений, наблюдается также усиление тепловых, электрических и других процессов, которые либо ускоряют химические реакции, либо свидетельствуют о ходе кавитационного процесса. Так, при кавитации возникают специфический шум, потрескивание, отдельные удары и шорох, напоминающий перекатывание гальки в трубе. Интенсивность этих шумов может характеризовать интенсивность самого процесса кавитации.

Треск и отдельные удары, напоминающие слабые выстрелы, объясняются следующим образом. В результате местного повышения давления оставшийся после конденсации пара воздух сильно сжимается и подобно демпферу (пружине) накапливает энергию за счет сработки кинетической энергии окружающей жидкости. В силу этого происходит обратный процесс. Сжатый воздух начинает быстро расширяться. Но быстрое расширение сопровождается взрывом, поэтому и наблюдаются такие специфические звуковые эффекты, как потрескивание и пр.

Из вышеизложенного следует, что кавитация представляет нежелательное, а в отдельных случаях даже опасное явление, приводящее к разрушению рабочих органов насоса, поэтому надо стремиться к предупреждению этого явления.

Для нормальной работы насосов (нормального всасывания) необходимо, чтобы минимальное абсолютное давление в области входных кромок лопаток рабочего коле­са превышало упругость паров жидкости при данной температуре , то есть Для соблюдения этого условия прежде всего требуются правильные расчеты геометрической высоты всасывания и размеров всасывающей линии.

При этом необходимо учитывать возможное увеличение подачи насосов при значительном колебании уровня воды в источнике (например, во время паводка). Опыт показывает, что в таком случае повышается относительная скорость потока в колесе, увеличиваются вихреобразования с отрывом потока от лопаток и в конечном счете происходят кавитационные разрушения.

Не следует также допускать увеличения числа оборотов насоса без должной проверки, так как при этом возрастает его подача, а вместе с ней увеличивается и опасность кавитации.

Наконец, необходимо обращать внимание на правильное конструирование водоприемной части насосных установок. Особенно это касается крупных насосов вертикального исполнения с короткими всасывающими трубами, где малейшее закручивание потока в камере всасывания может привести к усилению неравномерности распределения скоростей и давлений у входа на лопатки колеса и усилению опасности кавитации.

В том случае, если действующая насосная установка работает в условиях кавитации, необходимо прежде всего выяснить причины, порождающие кавитацию, то есть установить причины понижения давления в проточной части рабочего колеса. А затем уже, судя по обстоятельствам, следует принимать то или иное решение. Иногда обстоятельства складываются так, что устранить причину кавитации невозможно. Тогда приходится мириться с кавитацией, а все внимание сосредоточивать на подыскании наиболее стойких в кавитационном отношении материалов для рабочих органов насоса.

В этом отношении наименее стойки алюминий и обработанный на станках чугун. Более стоек необработанный чугун, затем бронза, углеродистая сталь и, наконец, нержавеющая сталь.

Чистая обработка поверхностей металла, их шлифовка также повышают стойкость против кавитационных разрушений.

Иногда удается повысить давление в насосе путем подведения некоторой части жидкости из напорного трубопровода в область входного патрубка насоса по специально устроенной обводной линии. Еще больший успех может быть получен при установке на входе во всасывающую трубу водоструйного аппарата по схеме, представленной на рисунке 5.