10.1.7. Процесс всасывания и явление кавитации в центробежном насосе

Рассмотрим наиболее распространенный случай работы центробежного насоса, когда он установлен выше уровня жидкости, находящейся под атмосферным давлением (рис. 10.13).

Рис. 10.13

Расстояние по вертикали от поверхности жидкости до оси насоса называют высотой всасывания h_вс.

Составив уравнение Бернулли для сечения 1-1, взятого по поверхности жидкости, и сечения 2-2 на входе, где установится давление ниже атмосферного, относительно плоскости сравнения 0-0, совпадающего с сечением 1-1.

Расчетная форма уравнения Бернулли для потока реальной жидкости, как известно, имеет вид

.

После его анализа для выбранных сечений это уравнение можно записать в виде

,

где ζ – суммарный коэффициент местных потерь (обратный клапан, сетка, различные повороты и т.д.).

Выполним элементарное преобразование:

. (10.8)

Когда абсолютное давление на входе в насос становится меньше или равным давлению насыщенного пара (р_{2 абс} ≤ ) перекачиваемой жидкости, что соответствует предельно допустимому вакууму (), жидкость мгновенно вскипает, т.е. превращается в пузырьки пара. Перемещаясь далее в межлопастном пространстве к периферии рабочего колеса, они конденсируются ввиду повышения давления. Процесс образования пузырьков и их конденсации называется кавитацией (от латинского «каверна», что означает «пустота»). В рассматриваемом случае кавитация будет гидродинамической. Скоростной киносъемкой (2 млн 250 тыс. кадров в секунду) установлено, что в течение 1 с на площади лопасти 1 см² образуется порядка 30·10⁶ пузырьков.

В момент конденсации пузырька происходит местное повышение давления (до 3500 атмосфер) и температуры (1000-1200º С), и если пузырек задерживается на лопасти, произойдет ее разрушение. В разрушении участвует один из 30·10³ образовавшихся пузырьков. Материалов, сопротивляющихся разрушению, практически не существует. В меньшей степени сопротивляются чугун и обыкновенные стали, в большей – титановые сплавы, высоколегированные стали. Причиной столь разрушительного действия лопнувшего пузырька является то, что в момент конденсации (время составляет 0,001 с) образуется кумулятивная микроструйка.

Кавитация сопровождается характерным шумом и треском внутри насоса, понижением к.п.д. насоса, напора и может вызвать вибрацию агрегата. Поэтому кавитация при работе насосов недопустима.

Перепишем выражение (10.8) для критического случая, когда Н_вак = :

. (10.9)

Из выражения (10.9) можем определить максимально возможную высоту установки насоса над поверхностью жидкости, т.е. высоту всасывания

(10.10)

Значение берется из характеристик насоса (рис. 10.10) в зависимости от подачиQ.

Так как зависимость построена для нормального атмосферного давления (соответствующего уровню Балтийского моря) и температуры воды при 20^оС, то в выражении (10.10) необходимо сделать соответствующие поправки: иh_t.

Таким образом

, (10.11)

где - отметка в метрах над уровнем моря;h_t – поправка на род жидкости и ее температуру.

Кавитация в насосе может наступать, если будет превышен допустимый вакуум по причине колебания уровня жидкости (например, воды в водоемах). В этом случае насосную станцию устанавливают на понтонах, т.е. делают плавучей. При перекачивании нагретых жидкостей, насос располагают ниже поверхности жидкости, т.е. делают перед входом в насос подпор.