Кавитация в насосах

Обычныетребования к насосным установкам заставляют их комплектовать не менее, чем двумя агрегатами. Это позволяет уменьшить аварийный резерв установки и обеспечить эффективность эксплуатации с точки зрения энергетических затрат. При параллельном включении насосов для определения режима работы системы необходимо построить суммарную характеристику насосной установки и найти рабочую точку системы А_Σ как пересечение с ГХС (рис. 12.1).

 

H (Q)

		Рис. 12.1.

 

Насосы 1 и 2 через общий напорный коллектор 3 перекачивают жидкость из расходного резервуара 4 в напорный бак 5. Напорная характеристика сформированной таким образом насосной установки H _НУ получена сложением характеристик насосов по абсциссам (подачам). Напоры насосов при этом одинаковы, поскольку оба они подключены к одному и тому же коллектору. Параллельная работа насосов применяется в многопетлевых контурах циркуляции первичного теплоносителя ЯЭУ.

На рис. 12.2 представлена схема последовательно включенных насосов 1 и 2 при подаче конденсата ПТУ из расходного резервуара конденсатоочистки 3 через последовательно включенные подогреватели низкого (ПНД) и высокого (ПВД) давления в напорный трубопровод – 4. Подобная схема питания парогенератора ПГ конденсатом главного конденсатора ГК реализуется в регенеративном цикле Ренкина. Постановка и ПНД и ПВД под высокое давление нерациональна, поскольку для ПНД не требуется высокого давления конденсата, что позволяет иметь облегченную конструкцию аппаратов. Насос 1 увеличивает давление от близкого к атмосферному давления Р _К до величины Р ₁, позволяющей осуществить подогрев питательной воды без вскипания, а затем насос 2 поднимает давление до величины Р ₂, равном потребному давлению питательной воды.

При последовательном соединении насосов (рис. 12.2) графическое решение задачи аналогично рис. 12.1, но суммарная характеристика насосной установки строится по ординатам (напорам), поскольку подача каждого насоса одна и та же.

 

 

 

 

При построении графиков вместо давления использовались понятия соответствующих напоров.

Если в процессе движения перекачиваемой жидкости через проточную часть насоса ее гидростатическое давление понижается до давления насыщения, то в результате вскипания часть живого сечения потока заполняется парогазовыми пузырями. Возникшие пузыри, переносимые по ходу движения в МЛП, поступают в область повышенного давления и конденсируются. Это явление, называемое кавитацией, в лопастных насосах обычно возникает на лопасти РК вблизи ее входной кромки – там, где относительная скорость течения W_МАХ максимальна. Увеличение относительной скорости в точке входа в МЛП - W ₁ при отсутствии затеснения живого сечения:

 

W ₁ = С ₁/ Sin β ₁ = Q рк /2π R ₁ b ₁ Sin β ₁, (12.1)

 

до величины W_МАХ > W ₁ в сечении, несколько бó льшем, чем R ₁ обусловлено количеством и толщиной лопастей РК. При этом выполняется уравнение энергии потока:

 

P ₁ + 0, 5ρ W ²₁ = P _МИН + 0, 5ρ W _МАКС , (12.2)

 

откуда величина:

 

P _МИН = P ₁ - 0, 5ρ W² ₁ (W ² _Л/ W² ₁ –1) = P ₁ - 0, 5λ ρ W² ₁, (12.3)

 

где: λ - зависящий от геометрии РК коэффициент кавитации, ρ плотность жидкости.

Кавитация при известной температуре перекачиваемой жидкости Т соответствует величине P _МИН, равной давлению насыщения Ps (Т), т.е. определяется:

-конструкцией входного участка проточной части насоса (λ),

-величиной подачи (W ₁ пропорциональна Q),

-давлением на входе в РК.

Давление P ₁ есть статическое давление в том сечении трассы циркуляции, где насос размещен. Например, в схеме на рис. 12.2 насос 1 расположен над расходным резервуаром на высоте h _ВС. Для этого случая, при гидравлических потерях всасывающего трубопровода - Δ Η _ВС, величина P ₁ будет равна:

 

P ₁ = Р _К - ρ g h _ВС - Δ Η _ВС. (12.4)

 

Подстановка 12.4 в 12.3 и замена P _МИН на Ps дает условие безкавитационной работы насосной установки перекачивающей жидкость с температурой Т:

 

Ps (Т) = Р _К - ρ g h _ВС - Δ Η _ВС - 0, 5λ ρ W² ₁. (12.5)

 

Соотношение 12.5 позволяет для конкретной насосной установки (λ) решить вопросы по размещению насоса (h _ВС), геометрии всасывающего трубопровода (Δ Η _ВС), при заданных режимных параметрах (Т, Q). Выпускаемые насосы в качестве паспортной характеристики содержат величину допустимой высоты всасывания [ h _ВС], определяемую при специальных испытаниях.

Переход насоса в режим кавитации принято считать трехстадийным. В начальной стадии зона кавитации внутри МЛП относительно невелика, плотность перекачиваемой среды уменьшается незначительно и внешних изменений в работе насоса не наблюдается. Обнаружить режим начальной (скрытой) кавитации можно: визуализацей течения, анализом спектра шумов или с помощью нанесенных на поражаемую кавитацией поверхность индикаторов (лакокрасочных покрытий). Во второй стадии в кавитирующем потоке формируются достаточно крупные скопления пузырей пара, плотность среды падает, что приводит к увеличению гидравлических потерь внутри РК и уменьшению напора насоса. Начало критического режима приводит к заметному падению Н и Q, сопровождается шумом и повышенным уровнем вибрации. Третья стадия – срывной кавитационный режим или суперкавитация проявляет себя неустойчивостью работы, резким падением Н, Q и мощности насоса, мощной вибрацией и ударами в проточной части, что обусловлено переменным во времени частичным или полным заполнением МЛП и отводов развитой паровой каверной.

Для конденсации пузырьков характерна высокая скорость движения жидкости к центру, что создает кратковременное повышение давления в точке схлопывания до величин порядка 10 МПа. Если пузырек находится вблизи твердой стенки, то нарушение симметрии процесса схлопывания приводит к формированию высокоскоростных струек жидкости по направлению к стенке и локальным разрушениям последней. При длительном воздействии местное разрушение металла, называемое питтингом, может привести к нарушению прочности и выходу РК из строя. Внешние проявления кавитационных рарушений определяются величиной n_s и материалом РК. Плохо противостоят кавитации хрупкие материалы типа чугуна, пластиков или фарфора.

Если проточная часть РК выполнена из кавитационно-стойких материалов, хромоникелевых нержавеющих сталей, например, то работа насоса в начальной стадии кавитации нежелательна, но допустима. Недопустима эксплуатация насосов в режимах развитой и суперкавитации, особенно в случае совместной работы двух и более машин на одну сеть.

Средства борьбы с кавитацией с очевидностью вытекают из анализа соотношения 12.5 и сводятся к мероприятиям, увеличивающим его правую часть. Улучшению кавитационных качеств центробежных насосов способствует уменьшение скоростей на входе в РК, т.е. увеличение его входного диаметра и ширины. В некоторых случаях бывает необходимой установка на входе в РК предвключенного колеса осевого насоса.