6.6. Кавитационный расчёт насоса

Для любого насоса возникновение кавитации во всасывающем патрубке приводит к ухудшению характеристик насоса, в частности, значительному снижению напора и к разрушению рабочих органов насоса. Для предупреждения возникновения кавитации абсолютное давление во входном патрубке насоса должно быть не ниже давления насыщенного пара р_нп. Так как давление р_нп является величиной абсолютной, а давление во входном патрубке ниже атмосферного на величину вакуумметрического давления, можно записать условие, при котором будет обеспечиваться нормальная работа насоса:

, (6.13)

где р_вак – вакуумметрическое давление на входе в насос;

р_нп – давление насыщенного пара при данной температуре.

Рассмотрим насос, расположенный на высоте h_вс от свободной поверхности жидкости (рис. 6.12). Составим уравнение Бернулли для сечений 1 – 1 и 2 – 2 относительно плоскости сравнения 0 – 0, совпадающей со свободной поверхностью жидкости в резервуаре. Уравнение составим для давлений в абсолютной системе отсчёта, течение жидкости будем считать турбулентным (α = 1), скорость на входе в насос в сечении 2 – 2 обозначим как V_вс – скорость потока жидкости во всасывающем патрубке насоса:

,

, (6.14)

где h_вс – высота всасывания;

h_1-2 – потери напора во всасывающем трубопроводе;

L и d – длина и диаметр всасывающего трубопровода.

Рис. 6.12. Схема всасывающего трубопровода

Согласно (6.14), вакуумметрическая высота Н_вак во всасывающем патрубке насоса определяется суммой всасывающей высоты, удельной кинетической энергией (скоростного напора) потока и гидравлических потерь во всасывающем трубопроводе:

. (6.15)

Вакуумметрическое давление р_вак во входном патрубке насоса не должно превышать критического вакуумметрического давления р_вак.кр, при котором возможно возникновение кавитации:

, следовательно

. (6.16)

Выражение назовём критической вакуумметрической высотой Н_кр.вак. Для обеспечения нормальной работы насоса назначают некоторое превышение критической вакуумметрической высоты на величину ∆h:

, (6.17)

где H_{доп.вак} – допустимая вакуумметрическая высота;

∆h – кавитационный запас.

Критическую вакуумметрическую высоту, при которой возникает кавитация в жидкости, определяют по результатам кавитационных испытаний насоса. Кавитационный запас ∆h составляет 20 … 30 % от критической вакуумметрической высоты:

,

.

Взаимосвязь высот Н_кр.вак, Н_{доп.вак} и кавитационного запаса ∆h представлена на рис. 6.13.

Рис. 6.13. Схема к определению высот Н_кр.вак, Н_{доп.вак}, ∆h

Согласно выражению (6.14), вакуумметрическое давление во входном патрубке насоса зависит от высоты всасывания, диаметра трубопровода и гидравлических потерь:

.

Предельная высота всасывания h_вс указывается в паспортных данных насоса. Для гидроприводов автомобильной техники и машиностроительных гидроприводов характерно расположение насоса в баке, или бак располагают таким образом, что уровень жидкости в баке будет выше входного отверстия в насос. На свободной поверхности жидкости в баке может быть создано избыточное давление.

Так как давление р_вак на входе в насос обратно пропорционально диаметру входного патрубка в четвёртой степени, диаметр входного отверстия в насос, как правило, больше выходного отверстия. Увеличение диаметра на входе приводит к снижению скорости течения жидкости и снижению значения вакуумметрического давления.

Для технических гидроприводов характерна малая длина всасывающего трубопровода, поэтому гидравлические потери по длине малы и практически не оказывают влияния на работу гидропривода. Местные сопротивления могут оказывать значительное влияние. В частности, установка фильтра может быть причиной значительного вакуумметрического давления. Поэтому на входе в насос устанавливают, как правило, фильтры грубой очистки.