Кавитационные характеристики

Кавитация в движущейся жидкости — появление в сплошном потоке жидкости полостей, заполненных выделяющимися парами жидкости и газами, растворенными в ней. Кавитация возникает при уменьшении давления в данном месте потока до давления, близкого к давлению насыщенных паров (см. табл. 1).

сильному ускорению коррозии. Пассивные металлы, такие как титан, нержавеющие стали, имеют тенденцию к повышению коррозионной стойкости при повышении скорости движения воды, однако в морской воде пассивное состояние, как правило, не наступает. С движением морской воды связаны особые формы коррозионного разрушения металлов, например эрозионная коррозия, вызываемая быстрым потоком воды, особенно в присутствии взвешенных твердых частичек, ударная коррозия в турбулентном потоке, кавитация. Кавитация возникает при больших скоростях течения воды и резком изменении направления потока, в результате которых происходят перепады давления. При падении давления до давления паров морской воды начинается ее вскипание, образуются пузырьки пара, которые в другой точке потока могут сужаться, "захлопываться", что сопровождается ударами струи воды о поверхность металла. Под ударами струи происходит отрыв чешуек металла и обнажение ювенильной поверхности, что часто приводит к коррозионному разрушению. Таким образом, кавитация в морской воде сопровождается потерями металла за счет как механического, так и коррозионного разрушения.

Кавитация в движущейся жидкости — появление в сплошном потоке жидкости полостей, заполненных выделяющимися парами жидкости и газами, растворенными в ней. Кавитация возникает при уменьшении давления в данном месте потока до давления, близкого к давлению насыщенных паров (см. табл. 1).

Кавитация возникает в определенных условиях в среде потока жидкости.. Она часто появляется на судовых болтах, винтах мешалок, лопатках водяных-турбин и т.' д. Причиной кавитации является образование и исчезновение пузырьков, иногда микроскопических, газовых паров в потоке жидкости. При падении-давления ниже уровня давления паров жидкости образуются пузырьки, десорб-

Обычно различают два типа кавитации: поверхностную и отрывную. Поверхностная кавитация возникает на поверхности, направляющей поток, или в непосредственной близости от нее. Только что описанные нами кавитационные явления в сопле Вентури и в рабочем колесе центробежного насоса являются примерами поверхностной кавитации. Отрывная кавитация возникает на расстоянии от поверхности и является результатом турбулентного перемешивания, которое обычно имеет место в потоке за различными выступающими элементами, рабочими колесами некоторых гидравлических

Щелевая кавитация возникает также в зазорах между торцами лопастей поворотно-лопастных гидротурбин и стенками камеры рабочего колеса.

В центробежных насосах с рабочими колесами полуоткрытого типа щелевая кавитация возникает в зазорах между торцами лопастей и передней крышкой кожуха. В осевых насосах также как и в поворотнолопастных турбинах, интенсивная щелевая кавитация имеет место в зазорах между лопастями и стенками камеры рабочего колеса.

В активных гидротурбинах кавитация, вызываемая, как правило, шероховатостью поверхности, распространяется на поверхностях сопла и иглы затвора. При больших скоростях истечения струи из сопла (порядка 50—100 м/сек) даже небольшая шероховатость представляет опасность возникновения кавитации, В рабочих колесах активных гидротурбин кавитация возникает на внутренних поверхностях ковшей, за их лезвиями.

Как уже говорилось ранее, щелевая кавитация возникает вследствие резкого повышения скорости потока в различного рода щелях и зазорах. Наиболее типичным примером эрозии, вызванной щелевой кавитацией, является разрушение стенок колесных камер и периферийных торцов лопастей рабочих колес поворотнолопастных гидротурбин и осевых насосов.

При другом методе, принципиально не отличающемся от первого, образец материала помещается в рабочую камеру гидродинамической трубы (рис. 25, б). Кавитация возникает за специальным элементом, чаще всего круглой формы, помещенным перед образцом материала перпендикулярно его поверхности. Износ образца вследствие кавитации в установках данного типа имеет форму факела, вызванную условиями обтекания ка: витирующего элемента (рис. 26, а и б).

Кавитация возникает в цилиндре вследствие образования в нем вакуума, который появляется по причине перекрытия входного отверстия цилиндра перемычкой при продолжающемся движении поршня.

Форма всасывающей трубы у турбины определяет также и её кавитационные характеристики. Если известен критический коэфи-циент кавитации акр для турбины с какой-либо

Кавитационные характеристики...... 264

Напорная характеристика представляет графическую зависимость параметров насоса от напора Нн или давления нагнетания рн. В качестве примера на рис. 2.3 приведена напорная характеристика пластинчатого насоса Г12-23 с подачей С}ф. н = 35 л/мин, снятая на масле индустриальное 20 при температуре 49 — 50° С (напорные характеристики снимаются обычно при минимальной вязкости рабочей жидкости и номинальном числе оборотов). Кавитационная характеристика представляет графическую зависимость подачи Qff,.H и объемного к. п. д. Ц0,н от вакуумметрической высоты всасывания Нв. На рис. 2.4 приведена кавитационная характеристика пластинчатого насоса БГ12-25А с наибольшей подачей Q^. „ = = 120 л/мин при числах оборотов в минуту вала 1500; 1000; 750 на масле индустриальное 20 при температуре 24 — 26° С. Кавитационные характеристики снимаются обычно при максимальной вязкости рабочей жидкости, соответствующей минимально возможной рабочей температуре. Кавитационная характеристика позволяет установить, при каком разрежении во всасывающей полости насоса наступает кавитация, под которой в данном случае понимается выделение в виде пузырьков растворенного в рабочей жидкости воздуха, происходящее при понижении давления. Начало

• Для того чтобы в эксплуатации не допускать критических перепадов давлений, при которых возникает кавитация, необходимо знать кавитационные характеристики дросселей. Эксперименты показывают, что шаровой затвор более устойчив к кавитации по сравнению с задвижками и поворотными дисковыми затворами. Основной причиной этой устойчивости является то, что, как показали исследования, после шарового затвора происходит быстрое восстановление давления.

В зависимости от конструктивного выполнения дроссели с шаровым затвором имеют различные кавитационные характеристики. Опыт эксплуатации показывает, что кавитационная характеристика шаровых затворов определяется следующими основными конструктивными факторами:

Увеличение радиуса шара R при заданном диаметре d оказывает двустороннее влияние на характеристики затвора: увеличивается расстояние между двумя дросселирующими сечениями затвора, что влияет на условия их взаимодействия; одновременно улучшаются кавитационные характеристики затвора, так что в некоторых случаях большему шару целесообразней отдавать предпочтение. Следует учесть, что с увеличением R/d уменьшается активный угол регулирования затвора.

Кавитационные характеристики центробежного насоса улучшаются с уменьшением размеров втулки рабочего колеса. По данным опытов [93], уменьшение диаметра втулки со 115 до 78 мм привело к увеличению площади сечения потока на входе примерно на 8%. Это небольшое увеличение площади в значительной степени улучшило кавитационные качества насоса. При одном и том же давлении на входе подача насоса увеличилась в среднем на 12%. По тем же причинам целесообразным, с точки зрения ослабления кавитации и ее последствий, является уменьшение диаметра проходного вала у центробежных насосов с рабочими колесами двухстороннего входа.

Форма лопастей на входе и выходе, кривизна и толщина в определенной мере влияют на кавитационные качества насоса. Так, например, по данным опытов [94], уменьшение толщины лопасти рабочего колеса с 6 до 3 мм значительно улучшило кавитационные качества насоса. Дополнительные сведения о влиянии формы лопасти на кавитационные характеристики можно получить из литературы [22, 29, 33].

Кавитационные испытания насосов, проведенные во ВНИИГидромаше [57], показали, что при больших размерах разгрузочных отверстий рабочего колеса всасывающая способность достигает значений, соответствующих неразгруженному колесу. Кавитационные характеристики насоса значительно ухудшаются при малых размерах разгрузочных отверстий.

В ряде экспериментальных исследований, в том числе и проводившихся в МИСИ им. В. В. Куйбышева, было отмечено улучшение энергетических показателей модельных гидротурбин в оптимальном режиме при небольшой положительной закрутке потока за рабочим колесом. Этот вывод в известной мере про<-тиворечит теоретической оценке, предполагающей в оптимальном режиме работы осевой поток. Влияние этого фактора на кавитационные характеристики турбины в расчетном режиме работы к сожалению не изучалось.

Этим, в частности, пользуются при конструировании многоступенчатых, насосов. Так, например, рабочее колесо первой ступени многоступенчатого насоса для перекачки горячих нефтепродуктов рассчитывают на производительность, равную 1,2—1,5 производительности колес последующих ступеней, благодаря чему кавитационные характеристики насоса значительно улучшаются.