Кавитация насоса, чем грозит и как бороться
Простыми словами, кавитация насоса – это кипение перекачиваемой жидкости, которое приводит к механическим повреждениям проточной части насоса. При понижении давления на входе в насос жидкость начинает активно испаряться в потоке с образованием пузырьков. Эти пузырьки начинают конденсироваться и происходит моментальное схлопывание, которое приводит гидравлическими ударами с высвобождением энергии.
Как мы знаем, температура кипения чистой воды около 100 С, но при понижении давления, температура кипения также понижается, поэтому явление кавитации грозит не только насосному оборудованию, предназначенному для «горячей воды».
При проектировании насосов, производитель всегда учитывает это неприятное явление. Большая часть насосного оборудования имеет так называемый «кавитационный запас» – минимальное давление жидкости на входе в насос, при котором насос не будет кавитировать. Однако неправильная установка насоса и трубопроводов, а также неверная эксплуатация, могут привести к появлению кавитации и соответственно поломке насосного оборудования. Подобного рода поломки не являются гарантийным случаем.
Кавитационный запас насоса — это высота столба жидкости, который насос может удерживать, перекачивавая продукт через себя. Данные по кавитационному запасу насоса в той или иной рабочей точке необходимо получить на заводе-изготовителе.
Источник
Кавитация насоса и пути ее устранения
Физически это явление объясняется тем, что в жидкости всегда присутствует какое-то количество растворенного газа.
Физически это явление объясняется тем, что в жидкости всегда присутствует какое-то количество растворенного газа.
При движении жидкости в ней могут возникать зоны разрежения. В результате выделяются пузыри.
Попадая с потоком в зону более высоких давлений, пузыри схлопываются, выделяя энергию, которая разрушает поверхность рабочих колес насоса, улиток и т.д.
Эта энергия также создает ударные волны, вызывающие вибрацию, распространяющуюся на рабочее колесо насоса, вал, уплотнения, подшипники, повышая их износ.
Возникновение кавитации в насосе обусловлено разными причинами ( Любой вид кавитации связан с неучетом важных правил гидравлики и гидродинамики).
Кавитация — это главный источник проблем с насосами.
Каждый насос характеризуется величиной кавитационного запаса ∆hтр, обозначаемой западными насосными фирмами NPSHR. Это то минимальное давление, в пределах которого у жидкости, попадающей в насос, сохраняется состояние собственно жидкости. Величину ∆hтр в номинале и кривую зависимости ∆hтр от подачи/напора обязан предоставлять производитель насоса.
Насос в станцию необходимо подбирать, устанавливать и обвязывать так, чтобы он располагал в зоне своей работы (определяется наложением характеристик насосов и системы водоводов) тем допустимым кавитационным запасом ∆hдоп (или NPSHA), величина которого была бы выше ∆hтр (NPSHA > NPSHR).
Иными словами ∆hдоп – есть потенциальная энергия жидкости у всасывающего отверстия насоса ∆hдоп = Ha + Hs – Hvp -Hf -Hi, где Ha – атмосферное давление (10 м водного столба на уровне моря); Hs – статический напор (положительный или отрицательный), определяемый как разность уровней между свободной поверхностью жидкости и осью насоса, м; Hvp – давление паров перекачиваемой жидкости, зависящее от температуры, м; Hf – потери на трение во всасывающей линии, м; Hi – потери в пространстве между горловиной и головкой рабочего колеса насоса (если неизвестны, можно принять равными 0,6 м).
Пример. Нужно определить геометрическую высоту всасывания Но для насоса с ∆hтр = 7,0 м.
Расчетом из таблиц получаем потери: на входе в насос Hi = 0,6 м; на трение во всасывающей линии Hf = 0,3 м; на задвижке Нv = 0,1 м; на конфузоре Нк = 0,1 м; давление насыщенных паров Hvp = 0,2 м. Величина Но равна Hs со знаком минус.
Для получения искомой Но применим систему из трех уравнений.
∆hдоп = 1,1 ∆hтр, где 1,1 – коэффициент запаса, принимаемый в зависимости от условий работы насоса 1,1 – 1,5 .
Но = – Hs,(4.2) так как уровень воды отрицательный по отношению к оси насоса.
∆hдоп = Ha + Hs – Hvp – Нк – Нv – Hf -Hi (4.3)
Отсюда Но = -(1,1 ∆hтр – Ha + Hvp + Нк + Нv + Hf +Hi ) или
Но = -(1,1 * 7,0 – 10 + 0,2 +0,1 + 0,1 + 0,3 + 0,6) = -(-1,0) = 1 м.
Требуемый кавитационный запас ΔhTP обычно вычисляют по характеристике, представляемой производителем насоса. Кривая ΔhTP начинается с точки нулевой подачи и медленно растет с увеличением. Когда подача превышает точку наибольшего КПД насоса кривая ΔhTP резко возрастает, по экспоненте. Зона справа от точки максимального КПД обычно является кавитационно опасной. Кавитационный запас не поддается контролю с точки зрения механики, и оператор насосной станции (особенно если он не ознакомлен с характеристиками насосов ) улавливает по металлическому шуму и щелчкам уже развитую кавитацию. К сожалению, на рынке слишком мало приборов, позволяющих наблюдать и предотвращать кавитацию. Хотя датчик давления всасывающей стороне насоса, подающий сигнал тревоги при падении давления ниже допустимого для конкретного агрегата, мог бы и должен бы применяться повсеместно.
Многие операторы знают, что звук пропадает после прикрытия задвижки. Но, снижая тем самым подачу и кавитацию, можно не достичь технологических параметров производственного процесса или водоснабжения / водоотведения. Для того, чтобы правильно устранить кавитацию нужно использовать принцип – на входе в насос должно всегда быть жидкости больше, чем на выходе. Вот несколько простых способов как этого достичь:
— замените диаметр всасывающего патрубка на больший;
— переместите насос ближе к питающему резервуару, но не ближе 5-10 диаметров всасывающей трубы;
— понизьте сопротивление во всасывающей трубе, заменой ее материала на менее шероховатый, задвижки на шиберную, характеризующуюся меньшими местными потерями, удалением обратного клапана;
— если всасывающая труба имеет повороты, уменьшите их количество и (или) замените отводы малых на большие радиусы поворота, сориентировав их в одной плоскости (иногда правильно заменить жесткую трубу гибкой);
— увеличьте давление на всасывающей стороне насоса повышением уровня в питающем резервуаре либо снижением оси установки насоса, либо использованием бустерного насоса.
Изложенные способы просты и понятны любому специалисту, но далеко не всегда этим руководствуются.
Простой пример. Рассматрим проект, выполненный авторитетной проектной организацией. Насосы с подачей 1400 м3/ч оборудованы задвижками диаметрами 400 мм с напорной и 300 мм со всасывающей стороны . Это неверно. Всасывающий патрубок должен быть больше напорного!
Оказалось, что патрубки имеют одинаковые диаметры по 300мм. Чем руководствуется насосная фирма догадаться не трудно. С подходящим под данную подачу всасывающим патрубком Ø400 или Ø500 возросли бы размер улитки и цена. Но, если бы проектировщик подсчитал получаемые скорости на входе в насос 5,5 м/с, а за насосом 3,1 м/с, то смог бы убедить заказчика отказаться от насоса, способного кавитировать, хотя и менее дорогого.
В насосной станции смонтированы агрегаты сухой горизонтальной установки выше уровня воды в приемном резервуаре на 2,8м.
Их номинальные параметры: Q=3500 м3/ч, Н=26м, ∆hтр(NPSHR)=7.7м. Насосы кавитируют. Реально они работают в точке Q=3900 м3/ч, Н=24м, где ∆hтр(NPSHR)=8,6м. Диапазон производительности насосной станции 6 000-10 000 м3/ч.
С помощью формулы этого параграфа подсчитываем ∆hдоп(NPSHA)=5.8м. Отсюда ∆hдоп 1,1∆hтр=6,6м
Угрозы кавитации нет.
Энергетические затраты по вариантам показывают явное преимущество в использовании бустерных насосов, а денежная разность их (2081 272 руб) сравнима с закупочной ценой за агрегат.
Кроме того установка редукционного клапана не исключит проблем:
Наличие воздуха во всасывающем трубопроводе, следовательно, неустойчивой работы насосов;
Уменьшения ресурса работы подшипниковых узлов и уплотнений (при подаче 2000 м3/чач насос работает на границе ограничения по Qmin, с повышенными осевыми и радиальными силами)
Таким образом, можно оценить целесообразность и эффективность мероприятий по устранению кавитации.
Источник
Методы снижения кавитации
Как известно, кавитация (также часто называемая «белым шумом») возникает из-за того, что по той или иной причине повышается скорость среды в трубопроводе и, соответственно, резко падает давление. И здесь нужно заметить вот что: некоторые пытаются решить проблемы с образованием пузырьков газа или пара, увеличивая проходное сечение трубопровода, думая, что таким образом среда будет меньше воздействовать на стенки трубопровода. Однако в действительности расширение диаметра труб приводит лишь к обратному эффекту, и нетрудно понять, почему. Дело в том, что при увеличении сечения давление падает ещё больше, а значит, в этом участке системы количество образующихся каверн будет увеличиваться тем больше, чем больше будет увеличиваться сечение. Поэтому выход заключается не в увеличении диаметра труб или сечения трубопроводной арматуры, а в том, чтобы увеличить обратное давление в трубопроводе.
Известно, что повышение обратного давления всего лишь на 5% в разы сокращает кавитацию, а если его повысить уже на 10%, то кавитационные процессы в 99% случаев останавливаются полностью. Кроме того, нужно обратить внимание и на материал изготовления труб. Если в вашей трубопроводной системе установлены алюминиевые трубы, имеет смысл заменить их на трубы из чугуна или стали — это в разы сократит процессы эрозии. Это же справедливо и для различных видов трубопроводной арматуры — например, предохранительной и регулирующей. Что же касается клапанов с возможностью авторегулировки давления (например, клапанов прямого действия), то воздействие эрозии на них сводится к минимуму, так как функция регулировки давления позволит практически исключить возникновение кавитации. Это, кстати, хороший повод использовать в тех трубопроводных системах, которые подвержены кавитационным процессам, клапаны с авторегулировкой давления.
И надо сказать, что переход на подобные клапаны не представляет сегодня большого труда, поскольку они выполняются по тем же стандартам (габаритные размеры, диаметры сечения, номинальное давление и температура и т.д.). Если же речь идёт о насосном оборудовании, то здесь хотелось бы предостеречь заказчиков от возможного применения выпускных клапанов для снижения кавитации. Выпускные клапаны не решат этой проблемы, так как после блокировки клапана и увеличения давления в насосе затем происходит резкое падение давления в результате срабатывания клапана, а значит создаётся благоприятная возможность для образования кавитации. А вот повышение обратного давления здесь, опять же, представляется оптимальным вариантом. При этом нужно стараться создать такие условия работы трубопроводной арматуры, чтобы перепады давления были минимальны.
Здесь нелишне напомнить читателю о том, что уменьшение давления ведёт к тому, что увеличивается скорость потока и возрастает температура среды (законы сохранения энергии никто не отменял). И понижение давления, допустим, на 100 бар даёт нам прибавку температуры на 7°C. Таким образом, хотим мы того или нет, но нагревание так или иначе будет сопровождаться кавитацией; другое дело, что в нашей власти сделать перепады давления более плавными — желательно в 3 этапа. В этом случае образование пузырьков пара и/или газа будет сведено к минимуму. Особенно это важно делать, если в качестве рабочей среды в трубопроводной системе выступают жидкости с высокими значениями удельной плотности (к которым относится в том числе и вода).
Таким образом, мы выяснили, что наиболее эффективными способами борьбы с кавитацией являются лишь те, которые позволяют снизить или сделать более плавными перепады давления в трубопроводной системе. Подъём обратного давления представляется самым разумным решением там, где нет возможности использовать клапан другого типа (с автоматической регулировкой давления), а что касается основных элементов трубопроводной системы — собственно труб, то лучше использовать трубы из соответствующих материалов — например, стальных или чугунных.
Источник
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:
где m – масса рассматриваемого объекта движущейся жидкости;
j – максимальное ее ускорение.
Для преодоления этой силы на входе во всасывающую камеру насоса должно действовать давление 
, 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
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).
Рис. 21. Расчетная схема эжектора
Расчет эжектора (при q = Q1/Q2 = 0 ÷ 1,5) обычно производят по эмпирической формуле (без учета потерь)
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.;
– скоростной напор эжектируемого потока в мм. рт. ст.;
u1 – скорость эжектируемого потока в м/сек;
– 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
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.
Источник