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 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
Кавитация насосов и пути ее устранения
Пожалуй, главный источник проблем с насосами — кавитация. 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, улиток (рис. 1.) и т.д.
Рис. 1. Кавитация улитки после года работы насоса.
Эта энергия также создает ударные волны, вызывающие вибрацию, распространяющуюся на рабочее колесо, вал, уплотнения, подшипники, повышая их износ. Возникновение кавитации обусловлено разными причинами (табл. 1.) Любой вид кавитации связан с неучетом важных правил гидравлики и гидродинамики.
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 [1] равными 0,6 м).
Пример. Нужно определить геометрическую высоту всасывания Но (рис 2) 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,(4.1), где 1,1 – коэффициент запаса, принимаемый в зависимости от условий работы насоса 1,1 – 1,5 [1].
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. Рассматриваю недавно проект выполненный авторитетной, проектной организацией и обнаруживаю, что насосы с подачей 1400 м 3 /ч оборудованы задвижками (рис. 3) диаметрами 400 мм с напорной и 300 мм со всасывающей стороны (!?) «Вы перепутали диаметры» – говорю – «Не может насос, изготавливаемый солидной европейской фирмой, быть выполнен вопреки классическому правилу: всасывающий патрубок должен быть больше напорного!»
Рис. 3. Пример неверной обвязки насос насоса. Диаметр всасывающего патрубка меньше чем 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 м 3 /ч, Н=26м, ∆hтр(NPSHR)=7.7м. Насосы кавитируют. Реально они работают в точке Q=3900 м 3 /ч, Н=24м, где ∆hтр(NPSHR)=8,6м. Диапазон производительности насосной станции 6 000-10 000 м3/ч.
С помощью формулы (4.3) этого параграфа подсчитываем ∆hдоп(NPSHA)=5.8м. Отсюда ∆hдоп 3 /ч, при котором ∆hтр=3,8м 3 /ч. Строим графики совместной работы трех насосов с тремя клапанами и трубопроводов (рис 4). Три насоса справляются с минимальным притоком 6000 м 3 /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 м 3 /ч, Н=5,5 м, КПД=83%. Строим характеристики работы пары последовательно соединенных насосов (рис. 6) и трех пар последовательно – параллельно соединенных насосов (рис. 7) совместно с водоводом.
Рисунок 4. Графики совместной работы 3-х насосов с регулируемыми клапанами (или одним клапаном на гребенку) и водоводов.
1,2,3-графики одно, двух и трех параллельно работающих насосов соответственно. 4,5,6-графики водоводов с редукционными клапанами (клапаном), поддерживающим давление в системе 3,5 бар при работе одного, 2-х и 3-х насосов соответственно 7-характеристика водовода без дросселирования.
Рис. 5 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.
Рис. 6 Графики работы последовательно соединенных насосов и водовода
1-характеристика насоса сухой установки 2-совместная характеристика последовательно работающих насосов 3-характеристика водовода.
Рабочая точка двух пар параллельно действующих насосов (рис. 7) соответствует Q=7200 м 3 /ч, Н=30м и находится в зоне оптимума обоих агрегатов.
Рис. 7. График параллельной работы трех пар последовательно соединенных насосов и водовода
1,2,3-графики работы одной, 2-х, 3-х пар последовательно соединенных насосов, соответственно 4-характеристика водовода.
Требуемый кавитационный запас существующих насосов сухой установки в этой точке ∆hтр=6м
Подсчитываем располагаемый кавитационный запас формуле (4,3):
∆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.
Список литературы:
[1] Bachus L, Custodio A. Know and Understand Centrifugal Pumps.
Elsevier, Oxford, 2003.
Березин С.Е.
ЗАО «Водоснабжение и водоотведение», Москва, Россия
Источник
