Что такое кавитация насоса способы устранения кавитации

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.

Содержание статьи

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.

Источник

Кавитация в насосах. Причины, последствия и как её избежать.

В этой статье я хотел бы снова коснуться такой важной темы при работе насосного оборудования, как кавитация. Однажды мы уже рассматривали вопрос кавитации и способ борьбы с ней, который предложил производитель Blackmer. Вы можете посмотреть эту статью здесь https://tehnogrupp.com/blog/kavitatsiya-v-nasosnykh-ustanovkakh

В этой же статье мы рассмотрим вопрос кавитации более полно, не привязываясь к конкретному производителю. В процессе работы мы очень часто сталкиваемся со следующими вопросами наших Покупателей: «Насос работает на жидкости без абразива и твердых включений (в некоторых случаях перекачивает очищенную питьевую воду), но насос почему-то щелкает, трещит, как будто перекачивает камни, а при разборе насоса у него такое состояние, что складывается впечатление, что он правда камни перекачивал. В чем причина?» Фото разобранного насоса представлено ниже:

А причина здесь в таком физическом явлении, как кавитация. Удивительно, но многие пользователи насосного оборудования вообще не слышали о таком явлении, хотя насосов оно отправило на свалку не мало. И всегда находилось какое-то оправдание данной поломке. То фильтр не тот установили, то качество насоса плохое, то жидкость не ту перекачивали. Хотя, пожалуй, после неправильной центровки вала это следующая по распространённости причина поломки насосов.

В чем причина возникновения кавитации и как она «ломает» насос?

0,3 бар и вода начинает закипать уже при температуре около 70С. Так и на стороне всасывания насоса давление может быть значительно ниже атмосферного. В итоге жидкость начинает «закипать» с образованием пузырьков пара. Затем жидкость перемещается в область нагнетания насоса, где давление выше атмосферного и пузырьки «схлапываются» с образованием ударной волны. В некоторых случаях давление при таком гидроударе может превышать 10000 бар. Естественно, что насосное оборудование не рассчитано на такие нагрузки и возникают повреждения, которые мы уже видели на фото выше.

Как бороться с кавитацией?

Стоит отметить, что чугун, из которого производится большая часть насосов, справляется с кавитацией плохо из-за быстрого разрушения графитных включений. Из относительно доступных материалов кавитации некоторое время может противостоять нержавеющая сталь. Также для уменьшения физических последствий кавитации используют различные твердые напыления и закалку наиболее уязвимых частей насоса, чтобы повысить сопротивление деформации верхнего слоя металла. Стоит отметить, что в производстве насосов данные методы используются нечасто, т.к. они дороги и неэффективны. Даже самый прочный материал не способен долго противостоять кавитации, а использование более стойких материалов, в большинстве случаев, нужно лишь для того, чтобы минимизировать ущерб насосу, если по той или иной причине он начал «кавитировать».

К счастью, кавитацию в насосе можно предупредить и для этого существуют специальные формулы. Кроме того, каждый насос имеет заявленный производителем кавитационный запас (NPSH: Net Positive Suction Head — чистый гидравлический напор). Различают NPSHа и NPSHr, где первое реальное значение подпора на всасывающем патрубке, а второе – требуемое давление подпора для работы насоса с кавитационным запасом. Мы определяем NPSHа по следующей формуле:

Из данной формулы видно, что кавитация будет менее вероятна, если будет увеличена высота подпора (или снижена высота всасывания, для самовсасывающих насосов), будет увеличено давление на поверхности жидкости (например, если ёмкость герметична, то можно повысить давление в емкости). Чем плотнее жидкость, тем выше вероятность кавитации. Также чем выше давление насыщенного пара, тем вероятность кавитации выше. Также кавитацию повышают потери напора на линии всасывания. Обобщая все вышесказанное, чтобы избежать кавитации, необходимо обеспечить «сплошной поток». Фото ниже наглядно демонстрирует, как при снижении давления на линии всасывания увеличивается ударная волна вследствие кавитации.

Для более полного понимания расчета кавитации приведу пример задачи:

Оцените NPSHa для насосной системы, которая рассчитана на откачку 200 м3/ч воды. Водный поток идет из бака, который находится при атмосферном давлении и температуре 250C. Минимальный уровень воды в баке над всасывающим патрубком насоса составляет 3 метра. Линия всасывания имеет диаметр 6 дюймов (

150 мм) и длину 10 метров. Насос должен перекачивать воду в другой бак с верхним соединением для впуска воды. Максимальная высота нагнетательного трубопровода (от также имеет диаметр 6 дюймов) над нагнетательным патрубком насоса составляет 12 метров. Разгрузочный бак работает под давлением 3 бара. В линии нагнетания нет регулирующего клапана. Предполагается, что линия нагнетания имеет длину 100 м, учитывая все фитинги и клапаны.

Решение:

1. Сначала определим физические показатели системы. 1.1 Плотность воды при 250C составляет

994,72 кг/м3 1.2 Давление паров при 250C = 0,032 бар (Эти данные можно взять из различных справочников)

2. Вторым этапом расчета NPSHA является определение потери давления в результате трения в линии всасывания. В данном случае перепад давления на всасывающей и нагнетательной линиях 6 дюймов составляет около 5 бар/км. Для линии всасывания 10 м перепад давления составляет 0,05 бар. Для расчета потери давления на линии всасывания можно использовать различные программы подбора насосного оборудования. Практически каждый производитель предоставляет такую программу расчета. В этом примере падение давления в сетчатом фильтре составляет около 0,09 бар. В случае установки нового фильтра, производитель фильтра должен дать значение для максимально возможного падения давления на фильтре. Это значение можно использовать для расчета расчета NPSH.

3. Подставим цифровые значения в обозначенную выше формулу. Где HL — потеря напора, P0 — давление на поверхности воды, PV — давление пара для жидкости при определенной температуре (в нашем случае 250C), Z -высота столба жидкости, ρ — плотность жидкости, а g — гравитационное ускорение. NPSHA = (1,013 — 0,032) × 10 5 /( 994,72 × 9,81) + 3,0 — 0,5124 = 12,54 м

Т.е. для обеспечение работы без кавитации подойдет насос с кавитационным запасом NPSHr меньше 12,54 м

Москва,
проспект Андропова, 22, оф. 1815
Санкт-Петербург,
Новочеркасский пр-т, 58, оф. 511

Источник

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