Кавітація: основні поняття, причини виникнення та її наслідки
Порушення суцільності потоку рідини, обумовлене появою в ній бульбашок або порожнин, заповнених паром і виділився з рідини газом, називається кавітацією. Кавітація виникає в області зниженого тиску, де виникають напруження розтягу, які призводять до розриву рідини і утворюють порожнини - каверни заповнюються парами рідини і виділився з неї розчиненим газом. Потрапляючи в область високого тиску парові бульбашки (каверни) «закриваються». Закриття каверн викликає місцевий гідравлічний удар, який може привести до руйнування (ерозії) стінок каналів. Дійсно, тиск в бульбашках залишається постійним і рівним тиску пружності насиченої пари, в той час як тиск рідини по каналу робочого колеса підвищується при перебігу рідини від входу до виходу. Потрапляючи в область високого тиску, бульбашки схлопиваются під дією високого тиску. Це схлопування супроводжується місцевим підвищенням тиску в кілька тисяч атмосфер. Якщо воно відбувається на поверхні лопаток або інших елементах насоса, то з їх поверхні вибиваються частинки матеріалу, з якого вони зроблені. Це явище називається ерозією. Цей процес можна визначити по потріскують звукам, які посилюються зі збільшенням кавітації.
Виникнення і розвиток кавітації в рідині пов'язано з наявністю так званих ядер кавітації. У технічних рідинах завжди є ядра кавітації. Вони є тими слабкими точками, в яких порушується суцільність рідини, і виникають кавитационні явища. Найбільш ймовірно, ядра кавітації є нерозчинені газові включення, в тому числі в порах і тріщинах, а також мікрочастинки, зважені в рідині.
Якщо в рідині присутні вільні або розчинені газові включення, то кавітація буде протікати більш інтенсивно, з великим шумом і вібраціями.
Кавітація приводить до трьох основних негативних наслідків:
- До зриву подачі, напору, потужності і к.к.д.
- До ерозійного зносу елементів насоса: робочого колеса, вала і т.д.
- До звуковим явищам: шуму, вібрації установки, а також до низькочастотних
автоколебаниям тиску в трубопроводах.
У насосах кавітація виникає при тиску перед входом в насос істотно перевищує тиск пароутворення при даній температурі рідини. Це означає, що область мінімального тиску розташовується всередині проточної частини насоса. Падіння тиску всередині проточної частини насоса (в порівнянні з вхідним тиском Рвх) пов'язано з обтіканням лопаток. При обтіканні лопаток, як при обтіканні будь-якого тіла, утворюється область зниженого тиску Рmin.
Як тільки тиск стане нижче тиску насиченої пари, то утворюється кавітація. У потоці рідини таке падіння тиску відбувається зазвичай в області підвищених швидкостей і при перекачуванні гарячих рідин в умовах, коли відбувається інтенсивне пароутворення в рідини, що знаходиться в насосі. Бульбашки пара потрапляють разом з рідиною в область більш високих тисків, де миттєво конденсуються. Рідина стрімко заповнює порожнини, в яких знаходився сконденсувалася пар, що супроводжується гідравлічними ударами, шумом і струсом насоса. Кавітація приводить до швидкого руйнування насоса за рахунок гідравлічних ударів і посилення корозії в період пароутворення. При кавітації продуктивність і напір насоса різко знижуються.
Залежність напору насоса від тиску на вході при постійній витраті і постійній частоті обертання називається кавитационной характеристикою. Такі характеристики знімаються на спеціальних стендах.
Зменшення тиску перед насосом Рвх досягається вакуумированием повітряної подушки в резервуарі. Під час випробувань насоса при постійному значенні витрати Q і постійних числах оборотів визначають значення тисків на вході, при яких з'являються кавитационні явища.
За результатами випробувань будуються кавитационні характеристики.
При тиску на вході рівного Рнач в насосі виникає кавітація, яка позначається в появі дрібних бульбашок і шуму від їх схлопування. Подальше зменшення тиску від Рнач до Ркріт, незважаючи на розвиток кавітації (збільшується кількість та обсяг бульбашок), не призводить до зміни напору і ККД насоса, але при цьому можуть посилюватися ерозійні і коливальні явища.
При тиску Ркріт, натиск починає знижуватися (одночасно з напором знижується к.к.д. насоса). Це критичний режим.
При тиску на вході насоса рівного Рсрв натиск і витрату різко падають. Це - сривной кавітаційний режим.
На кавитационной характеристиці насоса можна виділити кілька областей:
а) режим початкової кавітації (або прихована кавітація) насоса, коли Ркріт <Рвх <Рнач,
б) критичний режим Рсрв <Рвх <Ркр, при котором заметен излом напорной характеристики. При этом зона распространения кавитационных полостей в насосе невелика.
в) режим Pвх Для насосів тривалого використання, наприклад, для опалення чи водопостачання, важливо уникнути навіть початкової стадії кавітації. В цьому випадку, тиск на вході Рм має бути більше тиску Рнач. Це дозволить уникнути появи кавітації шуму і ерозійного зносу елементів насоса. Для того щоб уникнути кавітації можна зробити наступні кроки: тиск в приймальному резервуарі). Продуктивність від цього не зміниться. Джерело: Хаустов А.І, лекції по квітці
Схожі статті