Теория

Способы борьбы с кавитацией

Основным способом борьбы с кавитацией является максимальное снижение разрежения в зонах возможной кавитации, которое частично может быть достигнуто за счет повышения окружающего давления. В частности, в борьбе с кавитацией во всасывающей камере насосов основным является обеспечение на всасывании такого давления, которое способно было бы преодолеть без разрыва потока жидкости гидравлические потери во всасывающей магистрали и в самой камере всасывания, включая сопротивление, обусловленное инерцией жидкости.

Очевидно, что для того, чтобы жидкость развила в рабочей камере насоса (в цилиндре и пр.) необходимое ускорение, требуемое для предотвращения отрыва ее от всасывающего элемента (поршня и пр.), к ней необходимо приложить соответствующее давление. Сила Р инерции жидкости при этом определится так:

clip_image002

где m – масса рассматриваемого объекта движущейся жидкости;

j – максимальное ее ускорение.

Для преодоления этой силы на входе во всасывающую камеру насоса должно действовать давление clip_image004, где F – сечение потока.

Повышение давления достигается наддувом бака гидросистемы газом (поддавливанием), а также установкой подкачивающих насосов, эжекторов и прочими средствами.

В общем случае условие бескавитационной работы насоса можно выразить уравнением

clip_image006

где Рб – давление в жидкостном баке, питающем насос;

h – разность между уровнем жидкости в баке и выходным штуцером насоса;

Σрn – сумма потерь напора во всасывающей магистрали;

Рi – потеря напора, обусловленная ускорением жидкости во всасывающих каналах насоса и подводящем трубопроводе;

uвх— скорость жидкости во входном окне (канале) насоса;

γ – объемный вес жидкости;

Рк – критическое давление, при котором наступает активное выделение из жидкости пузырьков воздуха; это давление зависит от вязкости жидкости и ее температуры, а также от степени насыщения жидкости воздухом.

Ввиду трудности вычисления величины инерционной потери-напора рi она обычно учитывается запасом ра, значение которого обычно принимается для распространенных насосов и режимов их работы равным 300—400 мм рт. ст.

С целью снижения потерь напора во всасывающем трубопроводе необходимо устанавливать насос как можно ближе к питающему баку и ниже уровня жидкости в нем, а также увеличивать сечение трубопровода и уменьшать количество местных гидравлических сопротивлений на пути течения жидкости от бака к насосу.

Для обеспечения бескавитационных условий работы насосов применяют также различные конструктивные усовершенствования. Одним из радикальных способов борьбы с кавитацией в насосах является повышение давления на входе в насос, достигаемое применением вспомогательных насосов для подкачки или искусственного наддува газом жидкостных резервуаров, а также применением прочих средств, одним из которых является использование энергии потока жидкости в сливной магистрали гидросистемы с помощью эжекторов (рис. 21).

clip_image008Рис. 21. Расчетная схема эжектора

Расчет эжектора (при q = Q1/Q2 = 0 ÷ 1,5) обычно производят по эмпирической формуле (без учета потерь)

clip_image010,

где q = Q2/Q1 – коэффициент смешения жидкостей (Q1 и Q2 – объемный расход эжектирующей и эжектируемой жидкости);

Δh – разность давлений в смесительной камере а и на выходе из диффузора b, в мм рт. ст.;

clip_image012clip_image014— скоростной напор эжектируемого потока в мм. рт. ст.;

u1 – скорость эжектируемого потока в м/сек;

clip_image016 — коэффициент, характеризующий отношение площади F0 сечения смесительного трубопровода к площади F1 сечения сопла нам выходе.

Длина смесительного трубопровода принимается равной (8 ÷ 10)d. При предварительных расчетах пользуются также упрощенной эмпирической формулой

clip_image018

Для уменьшения действия кавитации применяют коррозионно-стойкие материалы (стали с добавкой хрома и никеля) при одновременной тщательной обработке их поверхностей, омываемых кавитируемой жидкостью. Применяют также покрытия деталей материалом, стойким против кавитационного разрушения (бронзой, хромом и пр.).

Как правило, стойкость материалов кавитационному разрушению повышается с увеличением механической и химической (окислительной) стойкости, причем лучшие результаты дают материалы, в которых совмещаются оба эти качества. Наименьшую стойкость имеют чугун и углеродистая сталь и наибольшую стойкость — бронза и нержавеющая сталь. Наиболее стойким из известных материалов является титан.

Увеличение твердости материала повышает, как правило, антикавитационную стойкость. Так, например, увеличение твердости нержавеющей стали от НВ 150 до НВ 400—420 повышает ее антикавитационную стойкость в 10 раз и более. Увеличением твердости можно также несколько повысить антикавитационную стойкость углеродистых сталей, однако детали из этих сталей не могут обеспечить приемлемый ресурс времени при возможных твердостях.

Полностью устранить разрушительное действие кавитации путем применения стойких против коррозии материалов не представляется возможным. Разрушению, хотя и менее интенсивному, подвергаются при известных условиях детали из таких материалов как стекло, золото и пр., что свидетельствует о преобладании в рассматриваемом процессе их разрушения механических факторов.

Пермь Питер Пятигорск