Кавитация в насосах

 

Кавитацией называется комплекс явлений, связанных с образование парогазовых полостей в проточной части какого-либо устройства из-за вскипания жидкости в зоне местного понижения статического давления.

Кавитация может наблюдаться в любом элементе гидравлической системы, но особенно часто она возникает на рабочих колесах насосов, турбин, винтах кораблей, вращающихся в потоке с большой скоростью. В этом случае кавитация сопровождается последующей конденсацией паровых пузырьков на поверхности рабочих колес, что приводит к эррозионному износу их поверхности. Разберем сущность этого явления чуть подробнее.

Над поверхностью воды парциальное давление водяных паров Р_п.п равно давлению насыщенных паров при температуре жидкости Р_н.п. Давление насыщенных паров Р_н.п для любой жидкости является функцией только температуры, причем зависимость сильно нелинейная, как показано на рисунке 10.4.

 

Р_н.п

5 атм.

 

	Рн.п = f(t)

 

 

 

1 атм.

 

0 50 100 150 t,оС

 

 

Рисунок 10.4 – Зависимость давления насыщенных водяных паров

от температуры

 

 

При нагревании воды, например в чайнике, давление паров над поверхностью жидкости растет по мере повышения температуры. Однако вода еще не кипит, так как давление насыщенных паров меньше статического (атмосферного) давления Р_н.п < Р_атм. Даже если внутри объема жидкости возникнет случайно разрыв среды и образуется пузырек пара, он будет сжат внешним статическим давлением, и пар сконденсируется. Местного разрыва сплошности потока произойти не может. И только когда давление насыщенных паров становится равным статическому давлению, при котором находится жидкость, пузырек пара, образовавшийся внутри объема жидкости, не будет конденсироваться, а будет подниматься на поверхность. Именно этот процесс мы обычно называем кипением. Таким образом, условие возникновения режима кипения очень простое

 

Р_н.п = Р_ст (10.7)

 

Обычно режима кипения добиваются именно за счет нагрева жидкости до определенной температуры. При атмосферном давлении вода кипит при 100 ^оС, так как именно при этой температуре Р_н.п = Р_атм = 1 атм. Если нагревать воду на высокой горе, где атмосферное давление меньше 1 атм, то она закипит при более низкой температуре. Наоборот, чтобы получить в паровом котле пар с высокой температурой, например 150 ^оС, давление в котле должно быть значительно больше атмосферного, примерно 5 атм.

Однако условия начала кипения (10.7) можно достичь не только путем нагрева жидкости, но и путем понижения статического давления, при котором находится жидкость. На этом принципе, например, работают испарители холодильных машин. Жидкий хладагент (фреон), попадая в зону пониженного давления, кипит и понижает свою температуру.

Обращаем внимание, что процесс кипения не является кавитацией, так как нет зон местного понижения давления. Никакого разрушения поверхности в этом процессе не происходит. Пузырьки образовавшегося пара просто отрываются от нагревающей поверхности и всплывают вверх.

Для разрыва абсолютно чистой жидкости теоретически необходимо приложить к ней растягивающие напряжения порядка нескольких тысяч мегапаскалей. В специальных экспериментах удавалось нагревать при атмосферном давлении очень чистую воду значительно выше 100 °С. Однако такое перегретое состояние оказывается крайне неустойчивым – достаточно малейшего возмущения, при котором образуются местные зоны пониженного давления (например, легкого встряхивания), и жидкость вскипает. После начала кипения сами пузырьки пара при своем движении создают вихри и зоны местного понижения давления.

Для реальных жидкостей растягивающие напряжения значительно меньше, так как дополнительным условием образования пузырька пара, кроме определенного значения статического давления, является наличие центров активации в жидкости, в качестве которых выступают мельчайшие газовые пузырьки и твердые включения, всегда имеющиеся в обычной воде. Именно на них происходят начальные разрывы потока и образование парогазовых полостей. Это явление можно наблюдать, если медленно нагревать воду в стеклянной колбе или мензурке, доведя ее до начала кипения. В колбу предварительно надо насыпать немного песчинок, имеющих острые грани. Когда вода будет нагрета почти до кипения, воду в колбе следует привести во вращение, чтобы песчинки немного поднялись над поверхностью дна и кружились вместе с потоком. Будет хорошо видно, что образование пузырьков пара происходит не на гладкой поверхности стеклянного дна, имеющего самую высокую температуру, а на острых гранях летящих в потоке песчинок (рисунок 10.5).

 

 

Рисунок 10.5 – Образование пузырьков пара на гранях песчинок

 

 

В трубопроводных системах зоны пониженного давления могут создаваться в различных участках трубопроводной системы, однако наиболее вероятно вскипание воды там, где статическое давление наиболее низкое — на входе в рабочее колесо нагнетателя. Причем именно в рабочем колесе создаются условия, когда образовавшиеся пузырьки пара не уносятся потоком, а конденсируются на поверхности лопаточного колеса, подвергая его интенсивному эррозионному износу. Общая схема этого процесса показана на рисунке 10.6.

При возникновении кавитации в рабочем колесе центробежного нагнетателя образование парового пузырька происходит у входной кромки на задней стороне той лопатки, которая в данный момент находится вверху, так как именно в этой точке наблюдается минимальное статическое давление. Пузырек образуется непосредственно на поверхности лопатки и имеет форму полусферы. При вращении рабочего колеса лопатка перемещается вниз, статическое давление на ее поверхности растет, и условие кипения (10.7) перестает выполняться — паровой пузырек должен сконденсироваться. Его конденсация происходит почти мгновенно (этот процесс называется схлопыванием пузырька), и жидкость устремляется в освободившийся объем по нормалям к внешней поверхности пузырька. Скорость движения фронта жидкости достигает скорости звука в воде. Так как пузырек имел форму полусферы, все нормали направлены в одну точку — к центру полусферы. В результате в этой точке развивается огромное давление (более 1000 МПа), материал лопатки разрушается, и на поверхности образуется маленькая выщербинка. Именно она при следующем обороте рабочего колеса, когда лопатка снова перейдет в верхнюю зону, будет являться дополнительным фактором возникновения завихрения при обтекании острой кромки. В глубине выщербинки образуется зона пониженного давления, и именно здесь опять произойдет образование и конденсация парового пузырька. В результате многократного повторения этого процесса все лопатки нагнетателя подвергаются интенсивному эррозионному износу, при этом колесо нагнетателя может прийти в полную негодность в течение несколько суток.

 

 

 

Рисунок 10.6 – Схема кавитации в рабочем колесе насоса

 

 

Главным фактором кавитационной эррозии является механическое усталостное разрушение материала рабочего колеса от воздействия односторонних циклов сжатия. Кроме того, в зоне возникновения парового пузырька имеют место дополнительные химические и электрохимические процессы, что повышает интенсивность разрушения поверхности Жидкость, находящаяся на грани кипения, не может содержать растворенных газов, поэтому при образовании пузырька здесь же происходит выделение кислорода и других газов, что ведет к повышенному окислению материала.

Материалов, абсолютно устойчивых против кавитационного износа, не существует. В таблице 10.1 приведена сравнительная характеристика материалов по их стойкости к кавитации. Стойкость обычного чугунного колеса принята за единицу.

 

Таблица 10.1 – Относительная кавитационная стойкость различных

материалов

 

Материал	Относительная кавитационная стойкость
Алюминиевая бронза	40 – 70
Коррозионно-стойкая сталь	11 – 40
Нейлон
Феноловая смола на тканевой основе	8,6
Резина, нанесенная распылением на стальную поверхность	6,8
Марганцевая бронза	2,8
Толстолистовая сталь	2,3
Литая сталь	1,9
Алюминий	1,8
Латунь	1,4
Чугун

 

Кроме того, в режиме развитой кавитации большое количество пара начинает перекрывать рабочее сечение лопаточного колеса, и снижает среднюю плотность перемещаемой среды. Это приводит к снижению подачи и напора насоса, то есть насос ухудшает свои рабочие параметры. Гидравлические удары приводят к образованию шума и вибрации насоса. Таким образом, работа насоса в режиме кавитации недопустима.