Принципы кавитации
Кавитация представляет собой процесс нарушения сплошности потока жидкости, который происходит в тех участках потока, где местное давление, понижаясь, достигает некоторого критического значения. Этот процесс сопровождается образованием большого количества пузырьков, наполненных преимущественно парами жидкости, а также газами, выделившимися из раствора. Образование пузырьков имеет много общего с кипением жидкости, в связи с чем эти два процесса часто отождествляют; а в качестве критического давления, при котором начинается кавитация, рассматривают давление насыщенных паров жидкости при данной температуре.
Явление кавитации было теоретически предсказано Рейнольдсом [7] задолго до того, как его впервые обнаружили при испытании эскадренного миноносца английского военно-морского флота "Дэринг" в 1893 г. Скорость миноносца оказалась значительно ниже предполагаемой, что было вызвано ухудшением характеристик винта вследствие возникновения пузырьков пара на его лопастях. После неудач с кораблем "Дэринг" началось интенсивное изучение химических, физических и технических аспектов кавитации.
В результате исследований кавитации в насосах [5] было установлено, что наличие кавитации существенно влияет на работу насоса, причем это влияние зависит от степени развития кавитации. Обычно различают начальную, частично развившуюся и полностью развившуюся кавитации. Термин "начальная кавитация" соответствует условиям, при которых появляются первые признаки кавитации: слабое усиление шума, появление небольшого количества кавитационных пузырей, которые образуют неустановившуюся кавитационную зону. На этой стадии внешние характеристики насоса практически не изменяется.
Частично развившаяся кавитация характеризуется наличием установившейся кавитационной зоны. Происходит местное повышение скорости течения, появляются вторичные движения жидкости. Из-за увеличения гидравлических потерь ухудшаются характеристики данной системы. Значительно усиливается шум.
При полностью развившейся кавитации наступает "срыв" работы насоса. Внешние характеристики его становятся совершенно неприемлемыми.
Работа насоса в этом режиме, как правило, не поддается управлению.
На основании испытаний насосов типа ЦНС [9] на шахтах объединений "Донецкуголь", "Артемуголь" были отмечены не вполне удовлетворительные результаты их работы.
Основным недостатком являются частные кавитационные режимы, что снижает производительность насосов на 15 - 20 % и КПД на 5 – 10 %. Кроме того, работа насосов в кавитационных режимах приводит к разрушению деталей насоса вследствие кавитационной эрозии.
Для обеспечения бескавитационной работы насосов на заводах -изготовителях проводятся испытания для каждой серии. Испытания проводятся при разных подачах в рабочей области насоса. В результате строится кривая допускаемой вакуумметрической высоты всасывания. Затем, при конкретном проектировании водоотлива, проверяют каждую насосную установку на отсутствие кавитации.
Однако, это не исключает кавитационных режимов. По материалам преддипломной практики на шахте им. А.Ф. Засядько среди неполадок в работе насосов главного водоотлива, очень часто наблюдаются кавитационные режимы, в результате чего, кроме работы на пониженном КПД и производительности, наблюдался быстрый износ рабочих колес вследствие кавитационной эрозии. Причинами кавитации, возникающей в шахтных насосах, являются: забивание отверстий сетки приемного устройства, залипание приемного клапана и др .
В результате этого анализа очевидно, что необходимо разработать средства контроля и зашиты насосов от кавитационных режимов.
В некоторых случаях при движении жидкости в закрытых руслах происходят явления, связанные с изменением агрегатного состояния жидкости, то есть с превращением её в пар, а также с выделением из жидкости растворенных в ней газов. Например, при течении жидкости через местное сужение трубы, увеличивается скорость и падает давление.
Если абсолютное давление при этом достигает значения, равного давлению насыщенных паров этой жидкости при данной температуре; или давлению, при котором начинается выделение из неё растворенных газов, то в данном месте потока начинается интенсивное парообразование и выделение газов.
Это местное нарушение сплошности течения с образованием паровых и газовых (каверн), обусловленное местным падением давления в потоке называется кавитацией.
Наличие кавитации существенно влияет на работу данной гидравлической системы, причем, это явление зависит от степени развития. Степени развития бывают [1]:
Признаками кавитации являются:
начальной - слабое усиление шума . появление небольшого количества кавитационных пузырей, которые образуют неустановившуюся кавитационную зону.
Частично развившаяся кавитация характеризуется наличием установившейся кавитационной зоны определенных размеров, которая стесняет живое сечение потока. Происходят местные повышения скорости и вторичные движения жидкости. Ухудшаются характеристики.
При полностью развившейся кавитации наступает "срыв" работы данной гидравлической системы.
Медленный, в результате диффузии, рост пузырьков, наполненных газом или воздухом называется "газовой кавитацией",
Внезапное, мгновенное расширение даёт пузырьки, на полненные преимущественно паром. Это - "паровая кавитация".
Различают два типа кавитации:
-
установившаяся поверхностная;-
вихревая отрывная.5
.1.2 Причины появления кавитации в насосеПоявление кавитации является следствием уменьшения абсолютного давления жидкости до какой-то критической величины, которое может происходить в результате общего падения давления в системе, или носить местный характер.
Причинами общего падения давления в системе могут быть:
Причины местного понижения давления: