Кавитационный режим работы насоса это

При определенных условиях в насосе возникает явление кавитации. Оно негативно влияет на работу аппарата, неизбежно приводит к его повреждению. Некоторые меры способны минимизировать кавитационный эффект.

Оглавление:

Причины появления

Последствия кавитации

Как минимизировать данное явление?

Кавитация это простыми словами гидродинамическое явление, возникающее в насосном оборудовании центробежного типа. Оно зависит от физических свойств перекачиваемой жидкости и начинается, когда значение давления становится равным либо меньше давления насыщенного пара. Из-за этого в потоке рабочей среды образуются полости, заполненные паром и растворенными газами.

Физически кавитацию можно объяснить тем, что в любой жидкости неизбежно содержится определенный объем растворенного газа.

Кавитация также обусловлена гидродинамическими характеристиками рабочих органов насосного аппарата, например линии тока могут отклоняться от стандартных траекторий, увеличивается частота вращения либо сжатия потока. При этом явление может возникнуть и на движущихся, и на неподвижных зонах проточной части оборудования. Кавитация является очень распространенной причиной поломки оборудования (она занимает второе место, на первом же находится неправильная центровка вала).

Причины появления кавитационного эффекта

Более подробно причину кавитации можно объяснить следующим образом. Гидравлический насос имеет сторону всасывания рабочей среды и сторону нагнетания. Когда на первой из них давление падает до давления насыщения паров (может стать гораздо меньше атмосферного), в жидкости образуются пузырьки пара, она начинает «кипеть». Чем ниже показатель давления, тем, соответственно, пузырьков будет больше.

После этого жидкость поступает в зону нагнетания. Давление там уже будет выше атмосферного. В результате пузырьки «схлопываются», образуя ударную волну. Порой при таком местном гидроударе давление превышает 10 тысяч бар. Кинетическая энергия частиц трансформируется в энергию упругой деформации. Насосные агрегаты не рассчитаны на подобные нагрузки, поэтому неизбежно возникают повреждения.

Выделяют 3 кавитационные стадии:

1) Начальная. На данном этапе кавитационная область еще отсутствует;

2) Развитая. Имеются кавитационные пустоты (каверны);

3) Суперкавитация. Обтекаемый элемент полностью располагается в области кавитационной каверны.

Последствия кавитации в насосном оборудовании

Кавитация очень сильно влияет на исправность работы насосного устройства. Данное явление недопустимо даже в небольших масштабах в силу своего разрушительного влияния. Так, при схлопывании кавитационных пустот возникает шум (или характерное потрескивание в области входа в рабочее колесо), а также вибрация, причем чем больше габариты насоса, тем эти показатели будут больше.

Снижение характеристик насосного агрегата при развитой степени кавитации будет отличаться у насосов различной степени быстроходности. Причем параметры будут резко уменьшаться в случае низкой быстроходности и постепенно — при высокой. Если же кавитационная область полностью занимает сечение канала, подача насосного аппарата прекращается.

При продолжительной работе аппарата в условиях кавитации разрушаются материалы, из которых он изготовлен, что называется кавитационный износ. Это явление называется питтинг, или точечное разрушение. Оно случается даже на начальном этапе кавитации.

Нужно различать разрушение по причине кавитации от коррозийного и эрозийного разрушения. Например, коррозия — последствие химического либо электролитического воздействия рабочей среды на металл, из которого изготовлен насос. Эрозия же случается из-за отрыва металлических частиц твердыми веществами, которые содержатся в перекачиваемой жидкости (к примеру, песок).

Как минимизировать данное явление

Явление кавитации в насосном оборудовании возможно предупредить. С этой целью разработаны специальные формулы. Согласно им кавитация менее вероятна, когда увеличивается высота подпора (то есть снижается высота всасывания), возрастает давление на поверхности жидкой среды.

Важно знать, что есть такое понятие, как кавитационный запас насоса. Также вероятность возникновения кавитации возрастает вместе с плотностью жидкости.

Важно знать, что эффект кавитации увеличивает потери напора на всасывающей линии. Поэтому, чтобы минимизировать явление, нужно обеспечивать «сплошной поток».

Интересно, что на сегодняшний день не существует материалов, абсолютно стойких к кавитационному эффекту. Все они из-за него разрушаются, только одни медленнее, а другие быстрее. Есть материалы более стойкие, одновременно с механической прочностью они обладают химической устойчивостью. Примером является бронза. А вот углеродистая сталь, чугун очень подвержены кавитационному разрушению (у чугуна это происходит за счет быстрого разрушения включений графита в его составе). Использование кавитационно стойких материалов обеспечивает непродолжительную работу насосного устройства при частичной кавитации. Это целесообразно, например, если аппарат испытывает кратковременную перегрузку.

Чтобы уменьшить физические последствия кавитации, производители применяют разного рода твердые напыления, а также закалку самых уязвимых элементов насоса. Однако это практикуется не так часто, поскольку данные методы не очень эффективные и при этом дорогостоящие.

#ФОРМА#

Содержание

Определение кавитации в насосах

Кавитация насоса: причина возникновения и способы устранения

Явление кавитации в центробежных насосах

Использование кавитации для нагревания

Коротко о главном

Из множества типов насосов, используемых для перекачивания жидкостей с различной степенью химической активности, наиболее распространенными являются центробежные. Центробежные насосы и агрегаты на их основе находят применение во всех отраслях тяжелой и девкой промышленности и востребованы в бытовом секторе.
Срок службы лопастных насосов может составлять от 20 до 30 лет при условии соблюдения правил эксплуатации. Но игнорирование мероприятий по обслуживанию и капитальному ремонту значительно сокращает этот срок. Причины преждевременного износа насоса могут быть разные, одной их них является кавитация.

Определение кавитации

Кавитация – это возникновение в рабочей жидкости пузырьков газа и моментальное их схлопывание. Явление кавитации рождается внутри насоса, где происходит понижение давления ниже допустимого уровня – давления парообразования рабочей жидкости, то есть давления, при котором вода начинает закипать.
Кавитация – опасный процесс, который может послужить причиной выхода из строя даже самого качественного насоса. В борьбе с вредным процессом поможет так называемый кавитационный запас. Для этого на всасывающем патрубке должно быть минимальное давление.

Явление кавитации может возникнуть в центробежных насосах в момент, когда давление жидкости со стороны всасывающего патрубка уравнивается или становится ниже давления насыщенных паров. Нарушение термодинамического баланса вызывает «закипание» перекачиваемой среды, из-за чего в ней образуется множество пустот, заполненных паром или газами, которые выделились из жидкости. Действие центробежной силы направляет такую вспененную субстанцию в зону нагнетания насоса, где давление среды значительно превышает атмосферное. Из-за этого пузырьки мгновенно разрушаются, выделяя тепло и создавая множественные гидравлические удары высокой энергии.

Причины возникновения кавитации в насосах

Помимо снижения напора и производительности насоса, кавитация приводит к более серьезным последствиям — эрозионному разрушению рабочих лес, вала и внутренней поверхности корпуса. При этом работа агрегата сопровождается повышенной вибрацией и шумом.

Возникновение кавитации могут вызвать следующие факторы:

• Установка насоса на высоте больше необходимой от поверхности перекачиваемой жидкости
• Повышенное гидравлическое сопротивление во всасывающем трубопроводе, как следствие его большой протяженности или малого диаметра
• Пониженное атмосферное давление на поверхности перекачиваемой среды
• Высокая температура жидкости
• Непрерывное подсасывание воздуха в систему в результате нарушения герметичности соединений сегментов всасывающего трубопровода

Способы борьбы с кавитацией

Для предотвращения возникновения кавитации в насосе и защиты агрегатов от ее разрушающего воздействия, достаточно сделать следующее:

• Опустить насос ближе к поверхности перекачиваемой жидкости, повысив тем самым давление во всасывающем патрубке
• Увеличить диаметр и минимизировать длину всасывающего трубопровода
• Максимально снизить сопротивление на всасывающем трубопроводе, исключив, если это возможно, его прямоугольные изгибы и установку обратных клапанов и фильтров
• Снизить скорость вращения вала насоса, если допустимо небольшое уменьшение напора и производительности

Залогом работы насоса без кавитации является верный расчет высоты его установки относительно поверхности перекачиваемой жидкости. В паспорте насоса или руководстве по эксплуатации насосного агрегата указываются напорные характеристики, в том числе, допустимый кавитационный запас насоса. Это значение обозначается Δhдоп или NPSHr и выражается в метрах водяного столба.

Данная характеристика отображает высоту столба жидкости, который способен удерживать насос во всасывающем трубопроводе при соблюдении параметров в рабочей точке. То есть, если расстояние от оси рабочего колеса насоса до поверхности перекачиваемой жидкости будет больше допустимого, вычисленного по графику напорных характеристики значения, агрегат не сможет работать. В некоторых источниках параметр NPSHr может называться требуемым кавитационным запасом.

Следует помнить, что насос работает во взаимодействии с системой трубопроводов и запорной арматуры, для которых допустимый кавитационный запас обозначается NPSHa и вычисляется по формуле:
NPSHa=Hs+(Pa-Pv)/p*g-Hп, где:
Hs — высота от оси вала насоса до зеркала перекачиваемой жидкости (при расположении насоса ниже уровня жидкости, значение будет отрицательным)
Pa — атмосферное давление
Pv — давление насыщенных паров перекачиваемой среды
p — плотность жидкости
g — ускорение свободного падения
Hn — потери напора в трубопроводе

Расчет может производиться по другим формулам, но результат — значение NPSHa, должен превышать допустимый квитанционный запас насоса. Выполнение этого условия является залогом долгой и надежной работы агрегата и всей системы.

Оставить заявку или получить обратную связь вы можете написав нам на info@industriation.ru или позвонив по бесплатному номеру 8 800 550-72-52. Специалисты отдела продаж подберут оборудование, проконсультируют по возникшим вопросам и проконтролируют поставку.

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.

Признаки возникновения кавитации в насосе

• Шумная работа и видимая вибрация
• Снижение производительности насоса 
• Видимое повреждение компонентов насоса после демонтажа
• Утечки в насосе из-за повреждения уплотнений
• Увеличение потребления электроэнергии

Способы предотвращения кавитации

• Снижение оборотов двигателя (об / мин)
• Работа насоса около номинального значения
• Снижение температуры перекачиваемой среды
• Планирование систем с использованием как можно меньшего количества элементов, вызывающих потери давления, таких как колена, тройники и т.д.
• Требуется избегать резких изменений в сечении трубопровода
• Использование трубопровода с гладкой внутренней поверхностью, например, ПВХ

Кавитация в центробежных насосах

Кавитация в центробежных насосах — это гидродинамическое явление, которое зависит от гидродинамических качеств рабочих органов машины и физических свойств жидкости. Кавитация в насосоах обычно начинается при падении давления до значения, равного или меньшего давления упругости насыщенного пара и сопровождается нарушением сплошности потока с образованием полостей, насыщенных паром и растворенными в жидкости газами.

Она возникает также при снижении местного давления по разным причинам динамического характера: увеличение скорости жидкости из-за увеличения частоты вращения, отрыва или сжатия потока, отклонения линий тока от их нормальных траекторий.

Кавитация в насосах может возникнуть как на движущихся, так и на неподвижных элементах проточной части.

Причины возникновения кавитации.

Явление кавитации в насосах происходит следующим образом — зарождение кавитации во многих случаях начинается с образования отдельных микроскопических пузырьков на участках пограничного слоя обтекаемого тела. После достижения определенного размера эти пузырьки поступают в зону видимой кавитации.

Полости или так называемые, каверны постоянного и устойчивого типов образуются без предварительного роста пузырьков в тех случаях, когда давление окружающей среды довольно низкое или соответственно высокая скорость потока.

Явление кавитации в насосах сопровождается вскипанием жидкости и является термодинамическим процессом, определяемым свойствами жидкости: давлением, температурой, скрытой теплотой парообразования, теплоемкостью.

При вскипании жидкости в местах с минимумом давления образуются полости, заполненные паром и частично выделившимися из раствора газами. Возникшие пузырьки пара увлекаются потоком и попадают в область с более высоким давлением, где они вновь конденсируются. Так как кипение связано с затратой тепла на парообразование, которое должно быть получено из окружающей среды путем теплообмена, то процесс вскипания происходит с некоторым запаздыванием, т.е. минимальное давление в потоке достигает значения несколько меньшего давления парообразования и вскипание жидкости происходит из перегретого состояния. Конденсация пузырьков пара в области повышенного давления происходит также с некоторым запаздыванием в условиях относительного переохлаждения. В связи с отмеченными процессами вскипание и конденсация происходят с достаточно большой скоростью.

Частицы жидкости, заполняющие полость конденсирующегося пузырька, движутся к центру со значительными скоростями. В момент завершения конденсации частицы жидкости внезапно останавливаются, и происходит местный гидравлический удар. При этом кинетическая энергия частиц переходит в энергию упругой деформации. Так как деформация жидкости весьма незначительна, то давление повышается на довольно большую величину. Следом за повышением давления возникает обратная волна давления, сопровождающаяся резким падением его и, возможно, повторным вскипанием, а затем снова конденсацией.

Различают три стадии кавитации: начальную, развитую и суперкавитацию. При начальной стадии кавитационная область отсутствует. Развитая стадия отличается наличием значительных кавитационных каверн на обтекаемом теле. В условиях суперкавитации весь обтекаемый элемент находится в зоне кавитационной каверны.

Последствия кавитации в насосах

Последствия кавитации в насосах сопровождается признаками, отрицательно сказывающимися на работе насоса.

Шум и вибрация возникают при разрушении кавитационных пузырьков в зоне повышенного давления. Уровень шума зависит от размеров насоса. Кавитационный шум проявляется в виде характерного потрескивания в зоне выхода в рабочее колесо.

Снижение параметров насоса при наличии развитой кавитации по-разному сказывается для насосов с разными коэффициентами быстроходности и зависит от значения и влияния кавитационной зоны. При низкой быстроходности параметры снижаются резко. Для насосов с высоким коэффициентом быстроходности характерно постепенное снижение параметров. Если кавитационная зона занимает все сечение канала, то происходит срыв(прекращение) подачи насоса.

Кавитационное разрушение материалов (питтинг) происходит при длительной работе насоса в условиях кавитации в местах захлопывания пузырьков. Питтинг имеет место как при начальной, так и при развитой кавитации.

Эксплуатация насосов с подачей большей расчетной также иногда приводит к кавитационным повреждениям элементов рабочих колес и корпусных делатей. Считается, что кавитационное разрушение материала происходит из-за механического воздействия кавитирующего потока на материал.

Следует различать разрушение, вызванное кавитацией, коррозией и эрозией. Коррозия является следствием химического и электролитического воздействия сред на металл, а эрозия происходит в результате отрыва частиц металла твердыми телами, транспортируемыми перекачиваемой жидкостью(например, песком).

Наличие материалов, стойких против кавитационных разрушений, неизвестно. Все материалы быстрее или медленнее разрушаются. Более стойкими являются материалы, которые наряду с механической прочностью обладают химической стойкостью, как, например, бронза. Сильно подвержены кавитационному разрушению чугун и углеродистая сталь. Наиболее кавитационно устойчивой считается нержавеющая сталь.
Применение кавитационно стойких материалов может обеспечить непродолжительную работу насоса без заметного разрушения в условиях частичной кавитации. Такая возможность представляет значительные преимущества, например в условиях кратковременной перегрузки насоса.

Влияние кавитации на характеристики насоса

Кавитация в центробежных насосах сопровождается нарушением неразрывности потока в насосе и отражается на его нормальных характеристиках. Последствяи кавитации в насосах оказывают непосредственное влияние на характеристики насоса. Начальная стадия кавитации, ограниченная небольшой областью (местная кавитация), не сказывается заметно на подаче и напоре насоса и проявляется характерным потрескиванием в области всасывания, обусловленным гидравлическими ударами. Местная кавитация в насосах может сопровождаться разрушением материала колеса или корпуса насоса. Кавитация более развитая приводит к уменьшению подачи, напора и КПД насоса, а затем и к полному срыву его работы. На этом рисунке показано влияние кавитации на характеристики насоса, пунктиром отмечен нормальный ход характеристик без кавитации.

Кавитация является одним из основных факторов нарушающих нормальную работу насоса. К другим факторам влияющим на выдаваемую насосом характеристику относят гидравлическое сопротивление.

Видео по теме

Кавитация в насосах является фактором, сильнейшим образом влияющим на надежность работы насоса. Длительная работа насоса в области даже незначительных кавитационных явлений совершенно недопустима в силу разрушающего действия кавитации.

Вместе со статьей «Кавитация в насосах» читают:

Причины кавитации насоса

Краткое содержание материала:

— Определение кавитации насоса

— Типы кавитации насоса

— Признаки кавитации насоса

— Причины кавитации насоса

— Последствия кавитации насоса

Кавитация насоса — это образование множества паровых пузырьков, из — за резкого перепада парциального давления перекачиваемой жидкости. Пузырьки образуются областях относительно низкого давления в улитке насоса, вокруг оси рабочего колеса насоса (крыльчатки). Пузырьки, при перемещении от оси к краю рабочего колеса, под влиянием на них высокого давления, лопаются внутри улитки насоса, производя мини — взрывную волну с высокой кинетической энергией,  движущуюся со скоростью звука (или близкой к ней), таких мини — взрывов происходит множество. Кавитация может возникнуть в жидкости практически с любой вязкостью.

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.

Признаки возникновения кавитации в насосе

• Шумная работа и видимая вибрация
• Снижение производительности насоса 
• Видимое повреждение компонентов насоса после демонтажа
• Утечки в насосе из-за повреждения уплотнений
• Увеличение потребления электроэнергии

Способы предотвращения кавитации

• Снижение оборотов двигателя (об / мин)
• Работа насоса около номинального значения
• Снижение температуры перекачиваемой среды
• Планирование систем с использованием как можно меньшего количества элементов, вызывающих потери давления, таких как колена, тройники и т.д.
• Требуется избегать резких изменений в сечении трубопровода
• Использование трубопровода с гладкой внутренней поверхностью, например, ПВХ

Кавитация в центробежных насосах

Кавитация в центробежных насосах — это гидродинамическое явление, которое зависит от гидродинамических качеств рабочих органов машины и физических свойств жидкости. Кавитация в насосоах обычно начинается при падении давления до значения, равного или меньшего давления упругости насыщенного пара и сопровождается нарушением сплошности потока с образованием полостей, насыщенных паром и растворенными в жидкости газами.

Она возникает также при снижении местного давления по разным причинам динамического характера: увеличение скорости жидкости из-за увеличения частоты вращения, отрыва или сжатия потока, отклонения линий тока от их нормальных траекторий.

Кавитация в насосах может возникнуть как на движущихся, так и на неподвижных элементах проточной части.

Причины возникновения кавитации.

Явление кавитации в насосах происходит следующим образом — зарождение кавитации во многих случаях начинается с образования отдельных микроскопических пузырьков на участках пограничного слоя обтекаемого тела. После достижения определенного размера эти пузырьки поступают в зону видимой кавитации.

Полости или так называемые, каверны постоянного и устойчивого типов образуются без предварительного роста пузырьков в тех случаях, когда давление окружающей среды довольно низкое или соответственно высокая скорость потока.

Явление кавитации в насосах сопровождается вскипанием жидкости и является термодинамическим процессом, определяемым свойствами жидкости: давлением, температурой, скрытой теплотой парообразования, теплоемкостью.

При вскипании жидкости в местах с минимумом давления образуются полости, заполненные паром и частично выделившимися из раствора газами. Возникшие пузырьки пара увлекаются потоком и попадают в область с более высоким давлением, где они вновь конденсируются. Так как кипение связано с затратой тепла на парообразование, которое должно быть получено из окружающей среды путем теплообмена, то процесс вскипания происходит с некоторым запаздыванием, т.е. минимальное давление в потоке достигает значения несколько меньшего давления парообразования и вскипание жидкости происходит из перегретого состояния. Конденсация пузырьков пара в области повышенного давления происходит также с некоторым запаздыванием в условиях относительного переохлаждения. В связи с отмеченными процессами вскипание и конденсация происходят с достаточно большой скоростью.

Частицы жидкости, заполняющие полость конденсирующегося пузырька, движутся к центру со значительными скоростями. В момент завершения конденсации частицы жидкости внезапно останавливаются, и происходит местный гидравлический удар. При этом кинетическая энергия частиц переходит в энергию упругой деформации. Так как деформация жидкости весьма незначительна, то давление повышается на довольно большую величину. Следом за повышением давления возникает обратная волна давления, сопровождающаяся резким падением его и, возможно, повторным вскипанием, а затем снова конденсацией.

Различают три стадии кавитации: начальную, развитую и суперкавитацию. При начальной стадии кавитационная область отсутствует. Развитая стадия отличается наличием значительных кавитационных каверн на обтекаемом теле. В условиях суперкавитации весь обтекаемый элемент находится в зоне кавитационной каверны.

Последствия кавитации в насосах

Последствия кавитации в насосах сопровождается признаками, отрицательно сказывающимися на работе насоса.

Шум и вибрация возникают при разрушении кавитационных пузырьков в зоне повышенного давления. Уровень шума зависит от размеров насоса. Кавитационный шум проявляется в виде характерного потрескивания в зоне выхода в рабочее колесо.

Снижение параметров насоса при наличии развитой кавитации по-разному сказывается для насосов с разными коэффициентами быстроходности и зависит от значения и влияния кавитационной зоны. При низкой быстроходности параметры снижаются резко. Для насосов с высоким коэффициентом быстроходности характерно постепенное снижение параметров. Если кавитационная зона занимает все сечение канала, то происходит срыв(прекращение) подачи насоса.

Кавитационное разрушение материалов (питтинг) происходит при длительной работе насоса в условиях кавитации в местах захлопывания пузырьков. Питтинг имеет место как при начальной, так и при развитой кавитации.

Эксплуатация насосов с подачей большей расчетной также иногда приводит к кавитационным повреждениям элементов рабочих колес и корпусных делатей. Считается, что кавитационное разрушение материала происходит из-за механического воздействия кавитирующего потока на материал.

Следует различать разрушение, вызванное кавитацией, коррозией и эрозией. Коррозия является следствием химического и электролитического воздействия сред на металл, а эрозия происходит в результате отрыва частиц металла твердыми телами, транспортируемыми перекачиваемой жидкостью(например, песком).

Наличие материалов, стойких против кавитационных разрушений, неизвестно. Все материалы быстрее или медленнее разрушаются. Более стойкими являются материалы, которые наряду с механической прочностью обладают химической стойкостью, как, например, бронза. Сильно подвержены кавитационному разрушению чугун и углеродистая сталь. Наиболее кавитационно устойчивой считается нержавеющая сталь.
Применение кавитационно стойких материалов может обеспечить непродолжительную работу насоса без заметного разрушения в условиях частичной кавитации. Такая возможность представляет значительные преимущества, например в условиях кратковременной перегрузки насоса.

Влияние кавитации на характеристики насоса

Кавитация в центробежных насосах сопровождается нарушением неразрывности потока в насосе и отражается на его нормальных характеристиках. Последствяи кавитации в насосах оказывают непосредственное влияние на характеристики насоса. Начальная стадия кавитации, ограниченная небольшой областью (местная кавитация), не сказывается заметно на подаче и напоре насоса и проявляется характерным потрескиванием в области всасывания, обусловленным гидравлическими ударами. Местная кавитация в насосах может сопровождаться разрушением материала колеса или корпуса насоса. Кавитация более развитая приводит к уменьшению подачи, напора и КПД насоса, а затем и к полному срыву его работы. На этом рисунке показано влияние кавитации на характеристики насоса, пунктиром отмечен нормальный ход характеристик без кавитации.

Кавитация является одним из основных факторов нарушающих нормальную работу насоса. К другим факторам влияющим на выдаваемую насосом характеристику относят гидравлическое сопротивление.

Видео по теме

Кавитация в насосах является фактором, сильнейшим образом влияющим на надежность работы насоса. Длительная работа насоса в области даже незначительных кавитационных явлений совершенно недопустима в силу разрушающего действия кавитации.

Вместе со статьей «Кавитация в насосах» читают:

Причины кавитации насоса

Краткое содержание материала:

— Определение кавитации насоса

— Типы кавитации насоса

— Признаки кавитации насоса

— Причины кавитации насоса

— Последствия кавитации насоса

Кавитация насоса — это образование множества паровых пузырьков, из — за резкого перепада парциального давления перекачиваемой жидкости. Пузырьки образуются областях относительно низкого давления в улитке насоса, вокруг оси рабочего колеса насоса (крыльчатки). Пузырьки, при перемещении от оси к краю рабочего колеса, под влиянием на них высокого давления, лопаются внутри улитки насоса, производя мини — взрывную волну с высокой кинетической энергией,  движущуюся со скоростью звука (или близкой к ней), таких мини — взрывов происходит множество. Кавитация может возникнуть в жидкости практически с любой вязкостью.

С точки a  до пунктирой линии давление падает ниже давления пара;

в точке b давление повышается;

а участке b — c жидкость поступает на подачу насоса, пузырьки подвергаются избыточному давлению и взрываются.

При кавитации на всасывания взрыв происходит ближе к точке b, при кавитации на нагнетании, взрыв происходит ближе к точке с.

(!) Чем выше температура жидкости на входе в насос и ниже давление, тем ближе к точке d произойдет взрыв пузырьков, для снижения риска вскипания жидкости и образования паровых пузырьков, можно повысить давление на входе в насос и (или) снизить температуру входящей жидкости.

Типы кавитации насоса

Существует несколько основных типов кавитации с позиции практики и с точки зрения физики возникновения процесса:

1. Кавитация всасывания;

2. Кавитация нагнетания;

3. Кавитация испарения (т.н. классическая кавитация);

4. Кавитация аспирации;

5. Кавитация турбулентности;

Типы кавитации  и их особенности подробно будут рассмотрены ниже, под заголовками «Причины кавитации насоса».

(!) Различные типы кавитаций могут сочетаться. Например, паровая кавитация нагнетания или аспирационная кавитация на всасывании, смешанная кавитация — паровая и аспирационная на всасывании и т.п.

Признаки наличия кавитации насоса

1.Повышенная вибрация;

2. Повышенный уровень шума (бульканье, потрескивание, звук сыплющегося гравия, как будто насос перекачивает мелкие камешки);

3. Повышение потребляемой мощности, относительно номинальной;

4. Снижение давления и объемного расхода перекачиваемой жидкости.

(Комментарий) Вращательный момент насоса расходуется не на всасывание жидкости, а на расширение пузырьков в области низкого давления. При перемещении пузырьков в зону высокого давления, вращательный момент двигателя насоса, вместо подачи жидкости из насоса, частично расходуется на сжатие пузырьков.

Причины кавитации насоса

Кавитация всасывания возникает при пониженном давлении всасывания насоса — перед всасывающей полостью улитки насоса. Характерным повреждением, при кавитации на всасывании является выщербленная сталь преимущественно ближе к центру крыльчатки – как бы вокруг центра и крыльчатки насоса.

Причинами пониженного давления всасывания могут быть:

— всасывающий трубопровод меньше требуемого диаметра, согласно номинального объемного расхода для данной модели насоса; 

Замена или дублирование параллельным трубопроводом.

— чрезмерное давление пред всасывающей полостью насоса, превышающее максимально рекомендованное для данной модели насоса (чрезмерный подпор воды на всасывании);

Частично перекрыть задвижку на всасывании.

— заужение перед всасывающей полостью насоса, например — несоразмерный обратный клапан;

Заменить заужающий нормальное проходное сечение элемент.

— загрязненный фильтр или засоренный всасывающий трубопровод;

Почистить, устранить засор.

— недостаточный подпор воды перед всасывающим трубопроводом, если насос несамовсасывающий;

Опустить насос ниже источника воды или заменить насос на самовсасывающий.

— фактическая высота всасывания насоса (подъема жидкости с отрицательной отметки) больше номинальной для данной модели насоса;

Опустить насос ниже к источнику воды, вмонтировать бустерный насос для создания дополнительного подпора воды или заменить насос.

— слишком длинная всасывающая магистраль, превышающая номинальную (рекомендуемую максимальную длину) для данной модели насоса;

Разместить насос ближе к источнику воды, значительно увеличить диаметр всасывающего трубопровода (можно дублировать) или заменить насос.

— неоптимальная конструкция всасывающего трубопровода — много углов, подъемов, петель и проч., с вероятными воздушными пробками.

Переделать плохо сконструированный участок трубопровода.

Кавитация нагнетания возникает при чрезмерно высоком давлении нагнетания. При котором объемный расход очень низкий — менее 5% от номинального. Кавитация нагнетания замедляет подачу жидкости насосом,  вследствие чего жидкость частично рециркулирует между улиткой насоса и крыльчаткой, с очень высокой скоростью, при этом образуется слой вакуума и пузырьки. Характерным повреждением кавитации нагнетания является выщербленная сталь на краях крыльчатки и на улитке насоса. При интенсивных и длительных микровзрывах пузырьков, может повредиться рабочий вал, вплоть до трещины или перелома.

Причинами повышенного давления нагнетания могут быть:

— слишком большая высота подъема жидкости, превышающая номинальную для данной модели насоса;

Поставить повышающий циркуляционный насос. При возможности снижения объемного расхода – поставить байпасный перепускной клапан на подаче насоса или заменить насос.

— нагнетательный трубопровод меньше требуемого диаметра, согласно номинального объемного расхода для данной модели насоса;

Переделать трубопровод или дублировать параллельным трубопроводом через тройники, по возможности снизить обороты двигателя насоса .

— загрязненный фильтр или засоренный нагнетательный трубопровод;

Почистить, устранить засор.

— слишком длинная нагнетательная магистраль, превышающая номинальную (рекомендуемую максимальную длину) для данной модели насоса;

Разместить насос ближе к месту подачи воды, поставить повышающий циркуляционный насос(ы)на подающей магистрали или заменить насос.

(Важно!) Чем выше температура жидкости и ниже давление на входе в насос, тем выше риск появления кавитации. При давлении ниже 0.05 бар, вода вскипит, при +30°С, в этой связи, для прекращения кавитации, повышаем давление на всасывании и (или), если допускает технологический процесс — максимально возможно снижаем температуру.

Кавитация испарения (классическая кавитация) — наиболее часто встречающийся тип кавитации с точки зрения физики возникновения, когда статическое давление в перекачиваемой жидкости, падает ниже давления пара. Вообщем — то, в подавляющем большинстве случаев, когда речь идет о кавитации наоса, имеют в виду именно ее. С практической позиции, она может быть кавитацией испарения, как на всасывании насоса, так и на нагнетании насоса.

Кавитация аспирации, когда воздух всасывается в водяной контур и перекачиваться. Вероятно образование вихрей из воздушных пузырьков. Кавитация аспирации значительно менее разрушительна, чем паровая, по причине того, что при повышении давления, воздух снова диффундирует в жидкость, этот процесс более длительный, чем резкое схлопывание пузырей пара.

Возможные пути попадания воздуха в водяной контур:

— сальниковые уплотнения насоса;

— торцевые уплотнения насоса;

— фланцы, резьбовые соединения;

— воздушные пробки, при плохой конструкции трубопроводов;

— сильно пенящиеся жидкости;

— воздушные пузыри, в том месте, откуда всасывает жидкость насос.

Кавитация турбулентности провоцируется образованием вихрей на всасывании насоса. 

Причины вихрей:

— Грязевые сетчатые — фильтры на линии всасывания, близко к всасывающей полости насоса, особенно неверно подобранные или смонтированные с ошибками;

— Множество загибов и петель на всасывающем трубопроводе;

Последствия кавитации насоса

1. Мини — взрывы разрушают рабочие поверхности улитки и крыльчатки;

2. Увеличиваются зазоры;

3. Снижается производительность;

4. Разбиваются подшипники, клапана и сальники;

5. Разбалансировка, повышение  вибраций;

6. Повышение потребляемой мощности насоса;

Кавитация, чаще всего и наиболее выражено возникает в центробежный насосах. Центробежные насосы широко применяются при производстве чиллеров, в этой связи, инженер – холодильщик обязан знать о кавитации, чтобы при проектировании чиллера исключить вероятность этого явления или суметь диагностировать на уже работающем чиллере.

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.

Решение проблемы:

С помощью формулы этого параграфа подсчитываем ∆hдоп(NPSHA)=5.8м. Отсюда ∆hдоп<1,1∆hтр=8,5м, что недопустимо, В фактической же точке работы, где разность 1,1∆hтр-∆hдоп=1,1х8,6=3,7 –условия еще жестче.

Рассмотрим два варианта вывода насосов из работы в зоне кавитации:

— Дросселирование напорной линии с помощью регулируемого клапана.

— Увеличение давления на всасывающей стороне, установкой в приемном отделении бустерного насоса.

Вариант 1 (с регулируемым клапаном).

Анализируя характеристики Q-H и Q-∆hтр насоса, находим Q=2000 м3/ч, при котором ∆hтр=3,8м<∆hдоп. Подбираем регулирующий клапан, способный поддерживать давление в напорной линии каждого насоса на уровне 3,5 бар, что соответствует единичной подаче 2000 м3/ч. Строим графики совместной работы трех насосов с тремя клапанами и трубопроводов . Три насоса справляются с минимальным притоком 6000 м3/ч.

Вариант 2 (с бустерным насосом).

Из предыдущих расчетов видно, что недостаток напора на всасывающей стороне насоса составляет 3,7 м. Наиболее просто монтируемыми и подходящими для значительных объемов на небольшую высоту являются насосы с осевыми или диагональными рабочими колесами (рис 4,5). Такие агрегаты устанавливаются непосредственно в нагнетательную колонну (в данном случае открытую). Подбираем насос с номинальными параметрами Q=3000 м3/ч, Н=5,5 м, КПД=83%. Строим характеристики работы пары последовательно соединенных насосов и трех пар последовательно – параллельно соединенных насосов совместно с водоводом.

Погружной осевой насос 1, создающий подпор насосу сухой установки 2

Пуск существующего насоса осуществляется с задержкой, после того как осевой бустерный агрегат наполнит колонну водой до возможного излива.

Анализ характеристик показывает:

Подача бустерного агрегата (рис. 6) в рабочем диапазоне выше, чем у существующего, что обеспечило стабильный подпор последнему.

Рабочая точка двух пар параллельно действующих насосов соответствует Q=7200 м3/ч, Н=30м и находится в зоне оптимума обоих агрегатов.

Требуемый кавитационный запас существующих насосов сухой установки в этой точке ∆hтр=6м

Подсчитываем располагаемый кавитационный запас формуле :

∆hдоп=10+2,0-0,2-0,2-0,1-0,3-0,6=10,6 м

Отсюда ∆hдоп=10,6>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.