Лекция 6. Кавитация в насосах и способы её учёта при выполнении расчётов.

Кавитацией в насосах обычно называют процессы, сопровождающие вскипание жидкости в области входа в насос. Вскипание связано с падением давления в этой области и в зависимости от величины падения давления может проявляться при самых различных температурах, обычно имеющих место при перекачке воды. Вскипание может проявляться в начальной стадии, и тогда в потоке возникают отдельные области, заполненные пузырьками. На такой стадии (так называемая начальная стадия кавитации) при работе насоса возникает характерный шум, отличный от обычного. Создаётся впечатление, что вместе с водой по трубопроводу перекачиваются какие-то твёрдые частицы. Напор насоса и его КПД несколько снижаются. При длительной работе на таком режиме выходные оконечности лопастей насоса покрываются кавернами, которые вначале нарушают чистоту и форму поверхностей в этих областях, а затем приводят к их полному разрушению.

Если вскипание воды в области входа приобретает более развитый характер, то происходит разрыв водяного потока паровым включением, после чего происходит срыв подачи насоса (так называемый кавитационный срыв). Возобновление подачи насоса в этом случае возможно только в случае его остановки и последующего запуска с одновременным переводом на иной режим работы, не сопровождающийся кавитацией.

Из физики известно, что вскипание жидкости происходит, когда давление парциальных паров жидкости p п сравняется с давлением, при котором находится сама в жидкость. Давление парциальных паров жидкости p п зависит только от её температуры и физической природы. Установить зависимость p п = f (t w ) можно на основе простого по смыслу эксперимента, для которого нужна установка, принципиальная схема которой изображена на рис.1.

Рис.6.1 Схема установки для определения p п = f (t w )

Устанавливая в баке любое давление, которое может быть на всасывании насоса при его работе, следует определить для него температуру, при которой кипит жидкость в сосуде. Давление по манометру в таком случае будет соответствовать p п , а термометр будет показывать температуру жидкости, функцией которой является установленное таким образом парциальное давление.

Как уже было сказано, кавитация возникает в области входа в насос. Чтобы точнее определить место её возникновения, рассмотрим график изменения давления в жидкости по длине водяного тракта насоса (рис.6.2).

.

Рис.6.2. К возникновению кавитации в центробежном насосе: (а – схема насоса; (б – график изменения давления по длине водяного тракта

Как это следует из представленного рисунка, давление на срезе всасывающего патрубка насоса p в остаётся практически постоянным до самого входа на лопасть (радиус R 1 , точка 1). Далее давление возрастает до p А в лобовой точке профиля А, после чего график изменения давления делится на два: для лобовой стороны лопасти и для тыльной стороны лопасти. На лобовой поверхности лопасти давление вначале падает в области точки С, после чего интенсивно растёт до своего конечного значения p 2 на радиусе R 2 . На тыльной поверхности лопасти характер изменения давления сходный, но там, на длине примерно 1/3 длины профиля лопасти, имеет место наиболее интенсивное падение давления до величины p В , которое будет минимальным давлением для всего водяного тракта насоса. Далее давление на тыльной поверхности лопасти растёт и на наружном радиусе колеса сравнивается с давлением на лобовой поверхности лопасти. Из рассмотренного очевидно, что местом возникновения (очагом) вскипания жидкости будет район точки В на тыльной поверхности лопасти приблизительно на длине 1/3 длины профиля лопасти. Ситуация начала кавитации соответствует условию:

Существует целый ряд причин, которые могут вызвать кавитацию в насосах. Условно их можно разделить на две группы: причины, связанные с особенностями использования насоса на объекте применения и причины, связанные с конструкцией насоса и режимом его работы.

К причинам первой группы следует отнести изменение высоты установки насоса над уровнем жидкости в приёмном баке (высоты всасывания), давление над уровнем жидкости в приёмном баке, температуру жидкости на всасывании, физическую природу жидкости, сопротивление приёмного трубопровода.

К причинам второй группы следует отнести скорость жидкости на всасывании в колесо насоса, коэффициент сопротивления входного участка в колесо насоса, особенности конструкции входного патрубка, влияющие на вид эпюры скоростей во входном сечении насоса, частоту вращения колеса насоса, коэффициент сопротивления входного участка лопасти.

При проектировании насосов задачей проектанта является определение таких параметров насоса, режима его эксплуатации и таких особенностей использования на объекте, при которых исключается проявление кавитации во всех её видах.

Для оценки степени проявления кавитационных явлений при проектировании насоса выделяют две стадии: критическую и срывную. При критической или начальной стадии кавитации допускается падение удельной работы насоса не более, чем на 2%. Она сопровождается возникновением характерного шума и сопровождается кавитационной эрозией выходных поверхностей колеса. Этой стадии, в соответствии с уже сказанным, .

При срывной стадии кавитации (или втором критическом режиме) подача насоса прекращается (срывается), удельная работа падает до нуля. Здесь.

Чтобы выполнить оценку возможности проявления кавитации при проектировании необходимо делать эту оценку в количественных мерах, связывая ей с соответствующими ограничениями параметров при проектировании. Чтобы перейти от описательного характера кавитации к количественным мерам, вводят такой параметр, как кавитационный запас энергии, который и выступает в роли базовой величины при оценке кавитационной ситуации. Кавитационный запас энергии вычисляется по выражению

Этот параметр вводится для оценки близости давления парциальных паров жидкости p п к минимальному давлению в тракте насоса p В . Поскольку место нахождения точки В и действительное давление жидкости в ней можно оценить с позиций качественного описания процесса, вместо достаточно неопределённого давления p В имеет смысл использовать достаточно близкое к нему давление на срезе приёмного патрубка прямо связанную с ним величину полной энергии потока:

Кавитационный запас энергии показывает, насколько эта энергия больше энергии парциальных паров жидкости. Очевидно, что при равенстве его нулю давление в точке В будет ниже p п , поскольку, как это видно из рис. 6.2, . В таком случае будет иметь место срывная стадия кавитации. Очевидно, что для обеспечения необходимо иметь. Очевидно, что при определённом положительном значении Δ l можно обеспечить критическую стадию кавитации.

Условимся, что такое значение Δ l , неизвестное в данный момент, будет называться критическим кавитационным запасом энергии и обозначаться Δ l кр . Примем далее, что для полного исключения кавитации должен быть обеспечен кавитационный запас энергии, превышающий Δ l кр . Назовём его допустимым кавитационным запасом энергии и обозначим Δ l д . Тогда можно записать

где А = 1,15…1,3 – коэффициент запаса, определяемый в зависимости от назначением насоса и рода жидкости.

Установим, какому значению должен быть равен критический кавитационный запас энергии при известных значениях всех параметров, определяющих первую группу причин, обуславливающих возможность появления кавитации. Для этого рассмотрим возможную схему установки насоса на объекте (рис. 6.3). Проведём далее два сечения: через срез приёмного патрубка насоса (в-в ) и через плоскость уровня воды в приёмном баке (а-а ). Запишем уравнение баланса энергий между выделенными сечениями

или

. (6.1)

Если теперь к левой и привой части уравнения прибавить, что не изменит равенства, а затем перегруппировать члены такого уравнения, то придем к следующему:

. (6.2)

Рис.6.3 Схема установки насоса на объекте

Примем во внимание, что z в - z а есть высота всасывания Н вс , что скорость перемещения уровня в приёмном баке с а обычно мала и ей можно пренебречь, и что комплекс в скобках, находящийся в правой части уравнения, соответствует величине кавитационного запаса энергии Δ l . Далее будем считать, что данный насос установлен на расчётной (допустимой) высоте всасывания Н всд . В таком случае расчётной высоте всасывания должен соответствовать допустимый кавитационный запас энергии Δ l д , который равен А Δ l к . С учётом всего сказанного на основании (6.2) можно записать следующие выражения:

(6.3)

(6.4)

Выражение (6.3) можно использовать для определения допустимой высоты всасывания, если известно значение критического запаса кавитационного энергии Δ l к . Выражение (6.4) удобно использовать для определения Δ l к в том случае, если известна расчётная высота всасывания Н всд и прочие параметры, входящие в правую часть уравнения (6.4). Несложно убедиться, что это и будет та первая группа параметров, которые характеризуют использование насоса на возможном объекте применения.

Таким образом, ещё на стадии проектирования, располагая рассмотренной группой параметров, обычно задаваемых проектировщику, можно определить, какая величина Δ l к должна быть обеспечена создаваемым насосом на расчётном режиме.

Определим теперь, какая величина критического запаса кавитационной энергии Δ l к должна обеспечиваться при работе насоса с определёнными конструктивными параметрами в области входа при его работе на режиме с заданными характеристиками. Полученная в этом выводе величина Δ l к должна восприниматься как минимальное превышение энергии потока на всасывании проектируемого насоса над энергией парциальных паров жидкости, при котором возможна бескавитационная работа насоса. Уменьшение этой величины невозможно, поскольку в этом случае произойдёт вскипание жидкости в точке потока с минимальным давлением. Одновременно можно отметить, что насосы, у которых расчётные значения Δ l к будут меньше, имеют лучшие кавитационные качества при прочих равных условиях, поскольку они, в соответствии с (6.3), могут работать без кавитации на большей высоте всасывания.

Для вывода необходимых формул рассмотрим баланс энергий жидкости в потоке для трёх сечений: в-в , 1-1 и В-В. При этом запишем уравнения баланса энергий для сечений в-в и 1-1, а затем для 1-1 и В-В:

, (6.5)

. (6.6)

где l в- 1 и l 1-в есть потери энергии между сечениями, указанными соответствующими подстрочными индексами, а L 1-в – внос (добавка) энергии в поток между сечениями 1-1 и В-В за счёт работы колеса на этом участке.

Примем, что L 1-в есть величина достаточно малая, чтобы ей пренебречь в дальнейших выводах. Кроме того, будем считать, что

Примем также, что разность высот z в – z в также есть величина достаточно малая, чтобы исключить её из дальнейших расчётов. Выполним сложение уравнений (6.5) и (6.6) с учётом принятых условий. В результате будем иметь

Будем далее считать, что насос работает на первом критическом режиме, для которого Δ l = Δ l кр и на котором, в соответствии с приведенными выше рассуждениями, p в = p п . Тогда

или, принимая во внимание, что левая часть записанного выражения соответствует критическому запасу кавитационной энергии, запишем

. (6.7)

В привой части уравнения (6.7) содержится скорость c в , которую следует выразить через иные параметры, просто определяемые при расчётах проектируемого насоса. Для этого рассмотрим уравнение (6.6). В этом уравнении величину

можно рассматривать как потерю энергии потока при обтекании входной кромки лопасти. В соответствии с известным подходом к определению гидравлических потерь, эту величину можно представить как функцию соответствующего коэффициента сопротивления и характерной скорости. В соответствии с предложением В.Б. Шемеля за характерную скорость здесь принимается относительная скорость безударного входа на лопатку w 10 , а коэффициент сопротивления обозначается как λ ш . Тогда можно записать

С учётом записанного, принимая по-прежнему L 1-в = 0, на основании (6.6) получим

Отсюда

Подставив полученное значение в (6.7), получим

. (6.8)

В этом уравнении потери трения l 1-в принято считать на порядок меньшими, чем потери l в -в . Соответственно принимают l 1-в = 0. Потери l в -в считаются на основании обычного подхода к их определению:

где ξ вх – коэффициент сопротивления входного участка насоса, с 10 – характерная скорость для данного участка.

Далее следует принять во внимание, что в (6.8) скорость c 10 является среднерасходной в соответствии с правилами образования исходной системы уравнений теории насосов. В то же время появление кавитации следует связывать не со средней скоростью потока в сечении, а с максимальной скоростью, которая может превышать среднюю в соответствии с особенностями обычных эпюр скоростей жидкости в сечениях (см. рис. 6.3).

Рис. 6.4. К особенности распределения скоростей в потоке

Соответственно скорость c 10 предлагается умножить на поправочный множитель k co , который доводил бы значение этой среднерасходной скорости до максимально возможной в сечении. Если теперь в уравнении (6.8) выполнить оговоренные замены и провести группировку подобных членов, то получим:

. (6.9)

Уравнение (6.9) можно преобразовать далее с учётом возможности замены относительной скорости w 10 на её составляющие из решения входного треугольника скоростей:

А.

После чего получим окончательно

. (6.10)

Для определения λ ш рекомендуется зависимость Шемеля:

, (6.11)

где Δ 1 – толщина лопасти на входе; Δ – толщина лопасти на расстоянии 45мм от входной кромки. Формула (6.11) получена для насосов с n s ≤ 120 в диапазоне изменения характеристики режима 0,40,04 и значений характеристики формы профиля лопасти на входе =0,15…0,90.

При выполнении расчётов по (6.10) рекомендуется принимать λ 1 = 1…1,2. Значения λ ш , вычисляемые по (6.11), могут лежать в пределах 0,1…0,4.

Как следует из полученных выражений, Δ l кр возрастает с увеличением угловой скорости ротора, диаметра входа в колесо и скорости потока на входе. Кроме того, на рост Δ l кр влияет увеличение толщины лопасти на входе. Чем больше значение Δ l кр , полученное по (6.10), тем хуже кавитационные качества насоса, и тем на меньшей высоте всасывания он сможет работать без кавитации при прочих равных условиях. Очевидно также, что при увеличении расхода жидкости через насос при изменении режима его работы величина Δ l кр будет возрастать, а это может привести к возникновению кавитации или кавитационному срыву при работе рассматриваемого насоса.

Чтобы определить, будет кавитировать спроектированный насос или нет, можно подставить Δ l кр , полученное из (6.10), в (6.3). Если полученное H вс окажется больше высоты, на которой установлен насос, то он будет кавитировать. При эксплуатации спроектированного насоса следует учитывать возможность изменения его режима работы и параметров его установки на объекте по сравнению с теми, которые принимались при проектировании в качестве расчётных. Все эти изменения можно оценить с помощью выражений (6.3) и (6.10), чтобы оценить возможности проявления кавитации описанным выше способом.

Уравнения подобия при кавитации и кавитационные коэффициенты подобия.

Для геометрически подобных насосов, работающих в области установившейся кавитации на подобных режимах, можно получить

или

. (6.12)

По уравнению подобия (6.12) можно определить Δ l кр . „ натурного насоса, если известна величина Δ l кр м модельного насоса, работающего на подобном режиме в автомодельной области по числу Рейнольдса. Уравнение подобия при кавитации справедливо при ограниченном геометрическом подобии насосов только в области входа.

Если соблюдать полное геометрическое подобие насосов, то будут справедливы уравнения подобия (6.12) и (5.10). Тогда для автомодельной области по числу Re (η гн = η гм )

и, следовательно, кавитационный коэффициент подобия

(6.13)

для серии геометрически подобных насосов, работающих на подобных режимах, будет постоянной величиной.

Для центробежных насосов удобнее пользоваться кавитационным коэффициентом подобия, который остается постоянным при сохранении геометрического подобия только в области входа. Тогда для потока в этой области на подобных режимах будут постоянными критерии

Относительно приведенных критериев следует отметить, что вывод k Δ l кр ранее не рассматривался, но он близок к критерию k l 1 , вывод которого рассматривался в лекции 5, и с использованием которого его несложно образовать. Критерий k Q и способ его образования рассмотрен в той же лекции.

При делении критериев одного на второй с возведением каждого в такую степень, чтобы при такой операции исключить линейный размер D 1 , получаем

Обозначая постоянную

Находим

Коэффициент С , называемый кавитационным коэффициентом быстроходности, был предложен в 1935г. С. С. Рудневым в виде

где п, об/мин; Q , м 3 /с; Δ l кр , кгс ·м/кгс.

Если перевести входящие в формулу величины в систему СИ, то получим

(6.14)

Подставив в уравнение (2.84) величину Δ l кр , найденную по формуле (6.13),

получим уравнение, связывающее кавитационные критерии подобия С и σ c n s .

(6.15)

Полученный коэффициент принято использовать при оценке кавитационных качеств рассматриваемых насосов. На основании анализа параметров большой группы насосов различного назначения, имеющих высокие КПД, установлены рекомендации по предварительному выбору значения С для проектируемого насоса в зависимости от условий его применения и назначения. Из (6.14) и (6.15) следует, что со снижением Δ l кр коэффициент С должен возрастать. Соответственно насосы с уменьшенными Δ l кр или насосы с повышенным кавитационным качеством должны иметь более высокие значения С. Так, обычные насосы, работающие в обычных условиях, могут иметь средние кавитационные качества. Для них С = 800…900. Насосы с высокими кавитационными качествами должны иметь С = 1200…1500. Насосы с очень высокими кавитационными качествами могут иметь С = 2000…2300. При такой, весьма нестрогой системе оценок, насосы внутреннего контура системы охлаждения ДВС можно отнести ко второй группе и рекомендовать для них С = 1200…1500.

На основании принятого предварительно коэффициента С вычисляют допустимую угловую скорость ротора насоса. Полученное значение затем может корректироваться в зависимости от установленного расчётным путём действительного значения запаса кавитационной энергии насоса, который обычно находят в конце гидравлических расчётов насоса.

Влияние конструкции рабочего колеса на кавитационные качества центробежного насоса.

Для улучшения кавитационных качеств насоса необходимо снижать величину динамического падения давления в насосе. Тогда кавитация в насосе происходит при меньших значениях критического кавитационного запаса энергии.

Снижение Δ l кр , согласно уравнению (2.77), происходит при уменьшении скоростей с 10 и w 10 жидкости и коэффициентов λ ш и λ 1 . Скорости потока с 10 и w 10 и коэффициенты λ ш и λ 1 уменьшаются при увеличении ширины b 1 каналов колеса у входной кромки лопасти и диаметра входа б колесо D o а также при уменьшении диаметра втулки колеса d вт , толщины входной кромки лопасти Δ 1 и угла безударного поступления потока на лопасти колеса β 10 .

Для насосов с высокими кавитационными качествами угол атаки δ = 10…20°. Изменение угла атаки в пределах δ = 0…15° не влияет на КПД. насоса.

Таким образом, для повышения кавитационных качеств тихоходного центробежного насоса (n s < 100) необходимо снижать скорость на входе в рабочее колесо с 0 (k Co ), увеличивать диффузорность входного участка колеса F л / F о , уменьшать стеснение входного сечения колеса втулкой.

Рабочие колеса с высокими кавитационными качествами ( n s =<120) обычно выполняют с лопастями, выдвинутыми в область поворота потока из осевого направления в радиальное так, что диаметр средней точки входной кромки лопасти D 1 = (0,75…0,85) D o . При этом лопасти колеса выполняются двоякой кривизны. На рис.6.5 изображены схемы меридианных сечений рабочих колес центробежных насосов, имеющих различные кавитационные качества. Рабочие колеса с повышенными кавитационными качествами, показанные на рис. 6.5, применяют в качестве колес первой ступени конденсатного насоса (С = 2000…2300), колес бустерного насоса и бустерных колес питательного насоса (С= 1200…1500). Для повышения кавитационных качеств центробежных насосов перед центробежным колесом устанавливают осевое колесо, которое повышает давление, создает окружную составляющую скорости при входе потока в центробежное колесо и тем самым улучшает условие его работы. Осевое предвключённое колесо проектируют с минимальным напором и высокими кавитационными качествами. В результате кавитационные качества комбинированной осецентробежной ступени выше, чем центробежной ступени без осевого колеса. Осевые предвключенные колеса, называемые шнеками, выполняют с двумя или тремя лопастями, очерченными по винтовой поверхности постоянного шага.

Рис. 6.5 Схемы меридианных сечений рабочих колес центробежных насосов, имеющих различные кавитационные качества

Конец лекции

Абсолютное давление при входе в рабочее колесо насоса должно быть больше упругости насыщенных паров перекачиваемюй жидкюсти при данной температуре. Если это условие не соблюдено, начинается парообразование, уменьшается производительность насоса; в конце концов происходит разрыв потока жидкости, и насос перестает подавать жидкость.
Работа насоса с момента начала парообразования протекает в тяжелых условиях. При длительной работе насоса в таких условиях рабочее колесо разрушается.

Явления, происходящие в насосе при парообразовании в начальной стадии и вплоть до прекращения (срыва) работы, имеют общее название кавитации .

Кавитация представляет собой сложный комплекс следующих явлений:

Выделение пара и растворенных газов из жидкости в тех областях, где давление жидкости равно или меньше давления насыщенных паров ее.
- местное повышение скорости движения жидкости в том месте, где возникло парообразование, и беспорядочное движение жидкости.
- конденсация пузырьков пара, увлеченных потоком жидкости в область повышенного давления. Конденсация каждого из пузырьков приводит к резкому уменьшению объема и гидравлическому удару в микроскопических зонах; однако «бомбардировка» этими ударами большой площади кавитируемой поверхности приводит и к большим площадям разрушения. Многократно повторяющиеся механические воздействия при конденсации пузырьков вызывают механический процесс разрушения материала колеса, что является наиболее опасным следствием кавитации.
- химическое разрушение металла в зоне кавитации кислородом воздуха, выделившегося из жидкости при прохождении ее в зонах пониженного давления. Этот процесс носит название коррозии. Коррозия, действующая одновременно с цикличными механическими воздействиями, снижает прочность металла.

Кавитация, может происходить не только в рабочем колесе, но и в направляющем аппарате или в спирали, хотя здесь она наблюдается сравнительно редко. Явления кавитации сопровождаются характерным потрескиванием в области всасывания, шумом и вибрацией насоса.

Кавитация уменьшает КПД, напор и производительность насоса. При сильном развитии кавитации центробежный консольный насос полностью прекращает работу (срывает подачу). Длительная работа насоса при наличии даже незначительных кавитационных явлений совершенно недопустима. Особенно сильно при кавитации повреждаются детали насосов, если перекачивается вода, содержит твердые включения.
От действия кавитации поверхности деталей становятся шероховатыми и губчатыми, что способствует быстрому истиранию деталей содержащимися в жидкости включениями. В свою очередь твердые частицы, истирая поверхности деталей, содействуют усилению кавитации.
Особенно сильно кавитационному разрушению подвержены чугун и углеродистая сталь. Наиболее устойчивы в этом отношении насосы из нержавеющей стали и бронзы.

В последнее время в насосостроении, наряду с улучшением качества материалов (использованием выококачественныx сталей), начали применять защитные покрытия деталей, наиболее подверженных действию кавитации и истиранию.

Защитные покрытия могут быть следующих видов:
а) наплавка поверхностей твердыми сплавами;
б) металлизация поверхностей в холодном состоянии;
в) местная поверхностная закалка.

В некоторых установках снижение кавитации былo достигнуто впуском небольшою количества воздуха во всасывающий патрубок насоса. Это, однако, приводит к уменьшению производительности насоса и снижению вакуумметрической высоты всасывания.
Для предупреждения явлений кавитации, не следует располагать насос слишком высоко над поверхностью воды в приемном резервуаре.

Кавитация - это нарушение сплошности жидкости, которое происходит в тех участках потока, где давление понижаясь, достигает некоторого критического значения. Этот процесс сопровождается образованием большого числа пузырьков, наполненных преимущественно парами жидкости, а так же газами, выделившимися из раствора. Находясь в области пониженного давления, пузырьки увеличиваются и превращаются в большие пузыри-каверны. Затем эти пузыри уносятся потоком в область с давлением выше критического, где разрушаются практически бесследно вследствие конденсации заполняющего их пара. Т.о. в потоке создается довольно четко ограниченная кавитационная зона, заполненная движущимися пузырьками.

Критическое, с точки зрения возникновения кавитации, давление определяется физическими свойствами жидкости и в зависимости от ее состояния может меняться в довольно значительных пределах. Тем не менее в практических расчетах, связанных с рассмотрением кавитационных режимов работы насосов, в качестве критического давления, при котором начинается кавитация, обычно принимают давление насыщенных паров перекачиваемой жидкости при данной температуре.

Элементы проточной части гидравлических машин вообще и лопастных насосов в частности представляют собой сочетание направляющих поверхностей, предназначенных для управления потоком. Если кавитационная зона возникает на такой поверхности, то она изменяет ее эффективную форму и, следовательно, изменяет путь потока. Такие изменения нежелательны и сопровождаются дополнительными потерями энергии. Снижение энергетических параметров (подача, напор) и уменьшение КПД являются прямым следствием возникновения кавитации в любой гидравлической машине.

Неустойчивость кавитацилнной зоны и вызванные появлением этой зоны вторичные течения жидкости приводят к значительным пульсациям давления в потоке, которые оказывают динамическое воздействие на поверхности, направляющие поток. Результаты многочисленных экспериментальных исследований и опыт эксплуатации различного гидравлического оборудования указывают на появление сильных вибраций при возникновении кавитации.

Разрушение, или как принято говорить, «захлопывание» кавитационных пузырей при переносе их потоком в область давления выше критического происходит чрезвычайно быстро и сопровождается своего рода гидравлическими ударами. Наложение большого числа таких ударов приводит к появлению характерного шипящего звука, который всегда сопутствует кавитации.

И наконец, кавитация в большинстве случаев сопровождается разрушением поверхности, при которой возникают и некоторое время существуют каветационные пузыри. Это разрушение, являющееся одним из самых опасных последствий кавитации, называют кавитационной эрозией. Механическое повреждение рабочих органов гидравлических машин в результате кавитационной эрозии могут за относительно короткий срок достигнуть размеров, затрудняющих нормальную эксплуатацию машин и даже делающих ее практически невозможной.

Возникновение и последующее развитие кавитации в лопастных насосах является следствием уменьшение абсолютного давления в потоке жидкости.

Зная причины общего и местного понижения давления, мы можем предугадать, а в большинстве случаев и предотвратить появление кавитации в тех или иных элементах проточной части насоса. Следует сразу сказать, что правильный выбор высоты всасывания с учетом геодезической отметки расположения насоса и температуры перекачиваемой жидкости является первым и наиболее надежным мероприятием, направленным на ослабление и предотвращение кавитации. Создание некоторого запаса путем уменьшения высоты всасывания или увеличения подпора по сравнению с подсчитанными величинами гарантируют, как правило, надежную безкавитационную работу насоса.

Для нормально безкавитационной работы насоса необходимо, что бы давление Р1 на входе в насос было больше критического, в качестве которого принимают давление Рпар насыщенных паров перекачиваемой жидкости (Р1 >Рпар). В противном случае в местах падения давления ниже Рпар начинается кавитация и работа насоса ухудшается.

КАВИТАЦИЯ В НАСОСАХ

Вращение рабочего колеса отбрасывает жидкость к поверхности корпуса насоса, в результате чего со стороны всасывающей полости рабочего колеса возникает разряжение. Разряжение зависит от разницы между уровнем положения впускного отверстия и поверхности перекачиваемой жидкости, от потерь давления на трение во всасывающем трубопроводе, а также от плотности самой жидкости. Это разряжение ограничено давлением насыщенного пара жидкости при данной температуре, т.е. давлением, при котором будут образовываться пузырьки пара.

Кавитацией называют процессы нарушения сплошности (однородности) потока жидкости, происходящие в тех участках, где местное давление понижается и достигает определённого критического значения. Обычно в качестве критического давления, при котором начинается кавитация, принимают давление насыщенных паров перекачиваемой жидкости при данной температуре. При возникновении кавитации происходят такие процессы.

· В тех местах потока, где давление падает до критического, образуется большое количество пузырьков, заполненных парами жидкости и газами, которые выделяются из жидкости. Находясь в зоне пониженного давления, пузырьки увеличиваются в размерах и перерастают в большие кавитационные каверны.

· В тех зонах, где образовались каверны, изменяется эффективная форма проточной части насоса, что вызывает местное повышение скорости движения жидкости и увеличение потерь напора. Это ухудшает энергетические параметры насоса и снижает его коэффициент полезного действия.

· Нестойкость кавитационной зоны вызывает пульсацию давления в потоке, Под действием этой пульсации может возникать вибрация насоса.

· Кавитационные пузыри захватываются потоком жидкости и переносятся в зону повышенного давления. Там они очень быстро разрушаются. Это приводит до гидравлических микроударов. Наложение большого числа таких ударов приводит к появлению характерного шипящего звука, который всегда сопутствует кавитации.

· Кавитация приводит к разрушению поверхности, на которой она возникает. Это разрушение, являющееся одним из самых опасных последствий кавитации, называют кавитационной эрозией. Очень разрушаются чугун и углеродная сталь. Известны случаи, когда рабочие колеса гидромашин, лопасти гребных винтов из-за кавитации приходили в полную негодность через несколько сотен часов работы.

Предотвратить явление кавитации возможно при условии правильного выбора геометрической высоты всасывания с учетом геодезической отметки расположения насоса и температуры перекачиваемой жидкости.

Наибольшее значение геометрической высоты всасывания при условии Р 1 = Р пар. .

Кавитации в насосе не будет, если вакуумметрическая высота всасывания не превышает допустимого значения Н вак Н в.доп.

Отсюда отсутствие кавитации в насосе определяется условием . Значения () пасп. указываются на характеристиках насосов для нормального атмосферного давления на уровне Балтийского моря и для температуры воды 20 0 С.

Если насосная установка проектируется для местности, где атмосферное давление отличается от нормального и температура воды больше 20 0 С, то паспортную величину () пасп следует уточнить по формуле:

() раб. = () пасп. – 10 + Н атм + 0,24 - (29)

В зависимости от высоты над уровнем моря величину Н атм можно взять из таблицы 1.

Таблица. 1.

В некоторой технической литературе учет изменения атмосферного давление над нормальным определяется приближенно по формуле

Где - абсолютная отметка уровня воды в нижнем бассейне, м (выше уровня моря , ниже - ).

С учетом отметки местности установки насоса и температуры перекачиваемой жидкости, геометрическая высота всасывания определяется по формуле

(30)

Задача. Определить геометрическую высоту всасывания для насоса, если известно: насос планируется установить в местности, которая находится на высоте 1000 м над уровнем моря, температура перекачиваемой жидкости 60 0 С. Потери напора во всасывающем трубопроводе составляют 0,75 м, ск0рость движения воды во всасывающем трубопроводе – 3 м/с.

Решение задачи. Из таблиц 1 и 2 находим, что атмосферное давление на высоте 1000 м над уровнем моря Н атм = 9,2 м. вод. столба, а давление насыщенного пара воды при температуре 60 0 - = 2,02 м. вод. столба.

Н s = 9,2 – 2,02 – 6,5 -0,75 -

Полученный результат показывает, что насос следует расположить ниже уровня воды в заборном резервуаре не менее чем на 0,53м.

Для бескавитационной работы насоса необходимо обеспечить условия, при которых давление при входе в насос P 1 было бы больше критического, т.е. больше давления насыщенных паров перекачиваемой жидкости P ПАР.

Для исключения явления кавитации необходимо, чтобы удельная энергия Э 1 потока во входном патрубке насоса, отнесенная к его оси, должна быть достаточной для обеспечения скоростей и ускорений в потоке при входе в насос и преодоление сопротивлений без падения местного давления до значения, ведущего к образованию кавитации.

(31)

Параметр Dh называется кавитационным запасом или избыточным напором всасывания. Кавитационный запас представляет собой превышение механической энергии в потоке над давлением насыщенного пара.

Используя уравнение, , установим взаимосвязь между кавитационным запасом Dh и геометрической высотой всасывания H S .

.

Учитывая, что :

В замкнутой системе снижение давления Р 1 приводит к уменьшению давления в системе.

Рис. 9. испытательный стенд

До определенного значения Dh , подача, напор и КПД остаются постоянными (рис. 10.), после чего Q, H и начинают снижаться, в насосе появляется шум, что свидетельствует о наличии кавитации.

Рис. 10. Частные кавитационные характеристики

При дальнейшем уменьшении Dh наступает резкое снижение Q, H и , насос срывается. За критическую (минимальную) величину кавитационного запаса Dh кр принимается такая, при которой кончаются горизонтальные участки значений Q, H и .

Допустимый кавитационный запас должен быть больше критического Dh доп. = Dh кр К, (35)

где К коэффициент запаса, обычно равный 1,2…1.5.

Нетрудно заметить, что наименьшему значению соответствует наибольшее критическое значение геометрической высоты всасывания:

H S MAX = . (36)

Для обеспечения надежной работы насоса высота всасывания Н s.доп. должна иметь некоторый запас, что учитывается введением коэффициента запаса:

Н s.доп.= Dh доп - h вс, (37)

Кавитационные характеристики позволяют установить начало влияния кавитации на энергетические характеристики машины, однако они не дают возможность уловить зарождение кавитации. Практика подтверждает, что эрозия начинается задолго до снижения энергетических характеристик. Перспективным методом, с помощью которого можно установить момент зарождения кавитации является виброакустический метод.

Кавитация – одна из самых популярных методик аппаратной косметологии, направленных на безоперационную коррекцию фигуры. Эта методика настолько эффективна, что ее сравнивают с хирургической липосакцией. Она позволяет надолго решить вопрос нежелательных жировых отложений.

Полную информацию о процедуре ультразвуковой кавитации вы найдете . Ниже мы приведем ответы на часто задаваемые вопросы о ней.

В чем суть методики кавитации?

Во время процедуры кавитации на жировую ткань активно воздействуют ультразвуковые волны, под действием которых в жировых клетках образуются каверны или пузырьки, которые постепенно расширяются и в итоге лопаются. При этом повреждается клеточная мембрана и жир вытекает в межклеточное пространство. Оттуда он уже естественным путем выводится через лимфатическую систему.

Как именно выполняется процедура?

Перед проведением процедуры на проблемную зону косметолог наносит специальный гель, который не только уменьшает трение между манипулой и кожей, но и помогает расщеплению жировых отложений. Далее на дисплее аппарата выбирается нужная программа и врач проводит по поверхности кожи прибором необходимое количество раз.

Сколько она длится и сколько требуется сеансов?

Средняя продолжительность одного сеанса кавитации составляет от 20 до 30 минут (в некоторых случаях – до 40 минут). Курс процедур разрабатывается индивидуально для каждого пациента. В среднем назначается 3 – 5 сеансов, промежуток между которыми должен составлять не менее недели, а лучше – 10 дней.

Каковы показания к назначению кавитации?

Кавитация рекомендуется всем, у кого есть выраженные проблемы с жировыми отложениями на животе, боках, бедрах, на ногах и ягодицах. Также показанием к проведению кавитации является выраженный целлюлит на всех указанных местах.

Какие есть противопоказания?

Противопоказаниями к ультразвуковой кавитации являются онкологические и некоторые сердечно-сосудистые заболевания, сахарный диабет, остеопороз, серьезные дерматологические проблемы, онкологические заболевания. Категорически не рекомендуется проводить эту процедуру тем, кто страдает от почечной или печеночной недостаточности, т.к. кавитация дает нагрузку на эти органы. Наличие кардиостимуляторов и любых металлических имплантатов в организме также исключает проведение этой процедуры. Воздержаться от кавитации стоит также беременным и кормящим женщинам. Если на местах предполагаемого воздействия есть ранки, царапины или другие повреждения, а также при обострении хронических заболеваний, лучше отложить посещение косметического салона.

Можно ли совмещать кавитацию и другие аппаратные методики?

Совмещать кавитацию с другими аппаратными методиками для похудения не только можно, но и нужно. Особенно выраженный эффект дает одновременное использование кавитации и или .

Какой эффект дает кавитация?

Благодаря проведению процедуры кавитации, появляется видимый эстетический эффект, уходят лишние объемы на проблемных участках тела (от 1 до 5 см за каждый сеанс!), снижается вес (не настолько значительно), пропадает пресловутая «апельсиновая корка». Кожа на месте воздействия становится более гладкой, упругой и красивой, контуры фигуры приобретают более четкие очертания. Нужно отметить, что эффект от кавитации сохраняется на протяжении двух лет.

Можно ли проходить процедуру мужчинам?

Да, процедура кавитации показана как женщинам, так и мужчинам, страдающим от избыточного веса. Особую осторожность нужно проявлять только в паховой области.

Требуется ли особая подготовка к процедуре кавитации?

Косметологи советуют на протяжении трех дней перед процедурой воздержаться от употребления алкоголя, не нагружать печень и почки чрезмерно жирной и острой пищей, жареными блюдами. Также в течение трех дней до кавитации нужно выпивать по 1,5 – 2 литра жидкости, а за 2 – 3 часа до начала сеанса выпить около литра чистой негазированной воды.

Нужно ли соблюдать особый режим после процедуры?

Для улучшения эффекта от кавитации и ускорения выведения продуктов распада из организма, рекомендуется в ближайшие два – три дня после процедуры выпивать не менее двух литров воды. Также как и до процедуры, в течение трех дней после косметологического воздействия рекомендуется не употреблять алкогольные напитки, а также воздержаться от жирной, острой и жареной пищи.

Как быстро станет заметен эффект от процедуры кавитации?

Уже после первой процедуры кавитации даже невооруженным глазом можно заметить положительные сдвиги, ведь за один сеанс из организма выводится до 15 см 3 жира! Наибольший эффект достигается после 3 – 4 процедуры.

Болезненная ли процедура кавитации?

Данная процедура совершенно безболезненна, можно даже назвать ее приятной. Во время кавитации не повреждается верхний слой кожи, на теле не остается синяков, рубцов и шрамов.

Конечно, это далеко не все вопросы, которые могут возникнуть на этапе выбора способа похудения. Конкретнее о самом процессе, показаниях и особенностях проведения кавитации расскажет опытный косметолог. И только с ним или с врачом нужно принимать решение о проведении этой процедуры.

Рассказать друзьям