Лекция 10. Кавитация в лопастных насосах и меры борьбы с ней.
Характеристики течений жидкости в гидравлических каналах трубопроводов, элементов, машин и агрегатов существенно зависят от кавитации, которая возникает в высокоскоростных потоках жидкости.
Определение. Кавитацией называется явление, которое наступает в какой– либо области высокоскоростного потока жидкости, при условии, что абсолютное давление в этой области уменьшается по какой – либо причине и становится равным давлению 
насыщенных паров данной жидкости, соответствующему температуре жидкости в данной области потока. Например, для воды, при температуре, равной 
, давление её насыщенных паров (при котором вода закипает при 
), составляет около 
.
При этом происходит очень быстрое превращение жидкости в пар во всём объёме кавитационной области, т.е. происходит кипение жидкости при температуре, равной температуре жидкости в данном потоке. В области кавитации поток жидкости ( от множества образовавшихся в зоне вакуума пузырьков) вскипает и, как-бы– “разрывается “, так как существенно нарушается его сплошность. Если жидкость холодная, например вода при температуре , то в этом случае говорят, что происходит холодное кипение жидкости.
Из–за высокой скорости 
течения ( 
) жидкость настолько быстро проходит область пониженного давления, что растворённые в ней газы, например воздух, не успевают выделиться. В этом случае говорят, что кавитация паровая. В противном случае говорят, что кавитация– парогазовая. При паровой кавитации паровые полости и пузырьки, заполненные паром, переносятся высокоскоростным потоком в область повышенного давления. Здесь пар быстро конденсируется, а полости и пузырьки замыкаются (разрушаются) с огромной скоростью.
Паровые пузырьки, образовавшиеся в области пониженного давления (в зоне вакуума), попадая в область повышенных давлений, резко уменьшаются в размерах до микроскопических величин. При таких размерах пузырьков главную роль в уменьшении их объёма начинают играть не силы давления жидкости, а силы 
её поверхностного натяжения. Действующее на пузырёк дополнительное внешнее давление 
, созданное этими силами, стремится к бесконечности ( 
) при стремлении к нулю радиуса 
пузырька ( 
, согласно формуле:
.
.
Здесь 
– коэффициент поверхностного натяжения жидкости, 
.
Поэтому процессы замыкания пузырьков происходят настолько интенсивно, что в области разрушения пузырьков пара наблюдается свечение.
Кавитационная эрозия.
От действия стремительно увеличивающихся сил поверхностного натяжения, пузырёк резко уменьшается в размерах, теряет устойчивость и разрушается. Во внутрь пузырька с громадной скоростью, около 
, прорывается микроскопическая струйка жидкости, которая, ударяясь о поверхность лопасти, выкрашивает из неё частицы металла любой прочности (см. рис. 18). Отсюда принцип: ” Вода камень точит “.
Определение. Кавитационной эрозией называется процесс кавитационного разрушения поверхностей твёрдых тел, находящихся в области кавитации жидкости.
Процессы появления и разрушения миллиардов микроскопических пузырьков происходят настолько интенсивно, что неправильно спроектированные лопасти винтов высокоскоростных судов разрушались из–за кавитационной эрозии за один рейс.
Рис. 18. Картина кавитационного разрушения парового пузырька и кавитационной эрозии.
Кавитация в лопастных насосах.
В лопастных насосах кавитация возникает при уменьшении абсолютного давления 
в высокоскоростном потоке жидкости на входе в насос.
Согласно закону сохранения и превращения энергии для потока жидкости
( согласно уравнению Д.Бернулли для потока) на участке “ 
” от уровня всасывания “вс” до точки “вх” входа в насос (см. рис.19):
Если считать, что на уровне всасывания “вс” ( на уровне забора жидкости) давление равно атмосферному 
, скорость 
снижения уровня воды в водоёме равна нулю 
, а также 
, то
Здесь 
называют высотой всасывания насоса, м.
Из последнего равенства следует, что уменьшение абсолютного давления на входе в насос происходит:
–при увеличении скорости 
потока на входе в насос;
–при увеличении высоты 
всасывания насоса выше расчётной 
; расчётная высота всасывания насоса указана в паспорте насоса;
–при увеличении потерь 
на участке “ ” от уровня “вс”до точки “вх” входа в насос.
Рис.19. Картина ухудшения характеристик насоса при увеличении высоты
всасывания выше расчётного значения 
( 
).
При кавитации жидкости в лопастном насосе происходит следующее:
–возникает кавитационная эрозия поверхностей лопастей и лопастного колеса;
–происходит коррозия (химическое разрушение) металла кислородом воздуха, выделяющегося из жидкости при движении её через зону вакуума. Коррозия поверхности металла усиливается в результате эрозионного разрушения его защитной окисной плёнки;
–повышается температура в местах схлопывания парогазовых микропузырьков, вследствие высокоскоростного (адиабатного) сжатия пара и ударов микроскопических струй о поверхность металла;
–возникает шум и вибрация насоса, в результате которой нарушается герметичность соединений и уплотнений насоса.
–снижаются подача, напор, уменьшается КПД и мощность насоса (см. рис. 19,20);
Так как кавитация в насосах ведёт разрушению их ответственных элементов, резкому ухудшению эксплуатационных характеристик насосов, нарушению герметичности соединений и уплотнений насоса и другим нежелательным последствиям, то длительная работа насосов на кавитационных режимах не допускается.
,
Рис. 20. Картина срывного кавитационного режима работы лопастного насоса.
Точка “ К “ на рисунке– начало кавитации, которая наступает при увеличении расхода выше расчётного ( 
).