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
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 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
