Кавитация: основные понятия, причины возникновения и ее следствия

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 < Рвх < Рнач,

б) критический режим Рсрв < Рвх < Ркр, при котором заметен излом напорной характеристики. При этом зона распространения кавитационных полостей в насосе невелика.

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.