Кавитация — распространенная проблема при работе центробежных насосов, которая может вызвать увеличение вибрации и шума насоса, снижение производительности и серьезное повреждение компонентов.
В этой статье не исследуются профессиональные теоретические знания о кавитации, а лишь делается попытка использовать относительно простой язык для подробного ознакомления с несколькими распространенными типами кавитации в центробежных насосах, опасностями кавитации и широко используемыми мерами по улучшению кавитации на месте.
1. Виды кавитации
По месту возникновения кавитацию можно разделить на кавитацию лопаток, кавитацию зазора, грубую кавитацию, кавитацию полости и кавитацию противотока.
(1) Лиственная кавитация
Когда возникает кавитация, образование и взрыв пузырьков в основном происходит на передней и задней части лопастей, также известное как кавитация профиля, которая является основной формой кавитации в центробежных насосах. Если насос установлен слишком высоко, даже если насос работает в расчетных условиях, на задней стороне впускного и выпускного отверстия лопасти может возникнуть область низкого-давления:
1) Когда насос работает в условиях высокого расхода, на передней кромке лопастей возникают разделение потока и завихрения, создавая отрицательное давление, которое может вызвать кавитацию на передней части лопастей.
2) Когда насос работает в условиях низкого расхода, на задней стороне лопастей возникают вихри, создающие зону низкого-давления и вызывающие кавитацию на задней части лопастей.
(2) Зазорная кавитация
Речь идет о кавитации, образующейся при прохождении жидкости через узкий канал или зазор, вызывающей локальное увеличение скорости потока и снижение давления до давления испарения компонентов потока.
В зазоре между износостойким-кольцом корпуса центробежного насоса и внешней кромкой (крышкой) рабочего колеса под действием перепада давления (особенно большого перепада давления) с обеих сторон входа и выхода рабочего колеса жидкость на стороне выхода с высокой скоростью течет обратно, вызывая локальный перепад давления и кавитацию.
В небольшом зазоре между внешней кромкой лопаток осевого насоса и корпусом насоса под действием разницы давлений между передней и задней частью лопаток высокая скорость обратного потока жидкости в зазоре также может вызвать локальный перепад давления, что приводит к кавитации на соответствующей внешней кромке лопаток в корпусе насоса и образованию сотовой и шероховатой поверхностной зоны кавитации на внешней кромке рабочего колеса и лопаток.
(3) Грубая кавитация
Под грубой кавитацией понимают образование вихрей за выступами, когда жидкость течет через неровную поверхность неровных компонентов потока внутри корпуса насоса, вызывая локальное падение давления и приводя к кавитации.
Во время литья и обработки компонентов потока насоса неровности поверхности, песчаные отверстия, воздушные отверстия и т. д. могут вызвать внезапные изменения местного состояния потока и привести к кавитации.
(4) Кавитация полости
Под кавитацией в каверне понимается образование спиральной вихревой полосы во всасывающей камере на входе в насос из-за плохих условий входа воды или недостаточной глубины погружения. При уменьшении центрального давления вихревого пояса до давления испарения также возникает кавитация, сопровождающаяся сильной вибрацией.
(5) Рефлюкс-кавитация
Вообще говоря, предпосылкой кавитации является НПШа.
Когда скорость перекачиваемого потока слишком низкая или давление на входе слишком высокое, возникает обратный поток. Когда скорость перекачиваемого потока слишком мала, на входе в рабочее колесо возникает внутренний рефлюкс; Когда давление на входе насоса слишком высокое, на выходе из рабочего колеса возникает внутренний рефлюкс. Внутренний рефлюкс вызывает увеличение скорости потока жидкости до тех пор, пока в результате испарения не образуются пузырьки, которые затем разрываются под более высоким окружающим давлением. Когда во всасывающем отверстии возникает внутренний обратный поток, вокруг всасывающего отверстия насоса раздается нерегулярный потрескивающий шум, сопровождаемый высокоинтенсивным-звуком детонации.
Кавитацию рефлюкса обычно можно улучшить с помощью следующих методов:
1) Увеличьте производительность насоса.
2) Установите байпас между входом и выходом насоса (этот метод трудно использовать на практике).
3) Оптимизировать конструкцию рабочего колеса (уменьшить входную площадь рабочего колеса).
2. Опасность кавитации
(1) Ухудшение производительности, повреждение трубопровода
Кавитация может существенно снизить производительность насоса. Обычно для центробежных насосов при определенном падении давления на входе их производительность резко снижается, что также известно как кавитационный разрушение. Кавитация также может вызвать нестабильность внутри жидкости, что может привести к колебаниям расхода и давления. С помощью этих колебаний возможно повреждение насоса и его впускных и выпускных трубопроводов.
(2) Серьезное повреждение компонентов насоса, отвечающих за сверхтоки.
Кавитация может привести к повреждению поверхности компонентов. Когда пузырьки лопаются, окружающая жидкость создает чрезвычайно высокое ударное давление (пиковое давление) до 49 МПа. Когда гидравлическая прочность кавитации превышает способность материала противостоять этому воздействию, это может привести к локальному усталостному разрушению материала стены и отслоению материала поверхности. Кавитация возникает одновременно с химической и электрохимической коррозией. Размер ямок, образующихся в результате коррозии и пластической деформации материалов на ранней стадии кавитации, составляет от 10 до 50 мкм, особенно для некоторых материалов с плохой коррозионной стойкостью, которые могут проявлять сотообразную структуру при длительной -кавитации.
(3) Создавать вибрацию и шум.
В момент, когда пузырек конденсируется, сжимается и разрывается, жидкость вокруг пузырька с большой скоростью заполняет пустоту (образующуюся в результате конденсации и разрыва пузырька), создавая пульсации давления и тем самым вызывая вибрацию и шум. Частота кавитационного шума обычно составляет от 10 до 100 кГц, тогда как частота кавитационного шума, вызванного рефлюксом и пульсацией давления, составляет около нескольких сотен Гц, что делает человеческое ухо особенно чувствительным. В то же время кавитация также может стимулировать вибрацию, а основная частота вибрации, создаваемой кавитацией, обычно составляет около 1 кГц.
Кавитация характеризуется не только высоким уровнем шума, но и такими показателями вибрации, как недостаточная жесткость основания насоса и плохая опора трубопровода, что может вызвать структурный резонанс; После установки насоса основание заливается бетоном, при этом жесткость опоры трубопровода достаточна, что, как правило, не вызывает сильных вибрационных явлений. Однако при измерении вибрации на корпусе насоса высокочастотная составляющая частоты вибрации, генерируемая кавитацией, является доминирующей, а значение ускорения вибрации превышает вибрационное смещение и вибрационную скорость.
3. Общие меры по улучшению характеристик кавитации.
(1) Меры по улучшению антикавитационных характеристик самих центробежных насосов.
1) Улучшите конструкцию всасывающего отверстия насоса.
За счет шлифовки рабочего колеса можно увеличить проходное сечение;
Увеличьте радиус кривизны входной секции крышки рабочего колеса, чтобы уменьшить быстрое ускорение и падение давления потока жидкости;
Соответствующим образом уменьшите толщину входа лопасти и скруглите входное отверстие лопасти (отполируйте головку лопасти, заточите ее, чтобы уменьшить ударные потери на входном отверстии и уменьшить чувствительность угла входного отверстия, а необходимый припуск на кавитацию можно уменьшить примерно на 0,5 метра), придав ему форму, близкую к обтекаемой, а также уменьшив ускорение и падение давления вокруг головки лопасти;
Улучшите гладкость поверхности рабочего колеса и входа лопасти, чтобы уменьшить потери сопротивления;
Выдвиньте входную кромку лопасти в сторону входа в рабочее колесо, чтобы позволить потоку жидкости заранее принять работу и увеличить давление.
2) Добавьте переднее индукционное колесо.
Заранее заставить поток жидкости совершить работу в переднем индукционном колесе по увеличению давления потока жидкости (данная схема требует конструктивных изменений и перекалибровки различных конструктивных параметров).
3) Использование рабочего колеса двойного всасывания.
Увеличьте входную площадь рабочего колеса и уменьшите скорость потока жидкости на входе (уменьшение скорости потока и увеличение давления).
4) Использование немного большего положительного угла атаки.
Чтобы увеличить угол входа лопасти, уменьшите изгиб на входе лопасти, сведите к минимуму засорение лопасти и, таким образом, увеличьте площадь входа;
Улучшите условия работы в условиях высокого расхода, чтобы уменьшить потери потока. Но положительный угол атаки не должен быть слишком большим, иначе это скажется на эффективности.
5) Использование низкоскоростного-насоса.
Чем ниже скорость вращения, тем меньше NPSHr.
6) Использование антикавитационных материалов.
Практика доказала, что чем выше прочность, твердость и ударная вязкость материала, тем лучше его химическая стабильность и устойчивость к кавитации.
(2) Меры по увеличению припуска на кавитацию устройства
1) Увеличьте давление уровня жидкости в резервуаре для хранения перед насосом, чтобы улучшить эффективный допуск к кавитации.
2) Уменьшите высоту установки насоса во всасывающем устройстве, особенно при подаче горячей воды в качестве среды, и учтите взаимосвязь между высотой всасывания и температурой среды.
3) Замените всасывающее устройство устройством обратного потока.
4) Уменьшите потери потока во всасывающем трубопроводе перед насосом. По возможности укоротите трубопровод в необходимых пределах, используйте соответствующий диаметр всасывающего трубопровода и площадь фильтрующей фильтрации (при его наличии) для уменьшения скорости потока в трубопроводе, уменьшения количества изгибов и задвижек, а также максимального увеличения открытия задвижек.
5) Если кавитация в зазоре сильная, можно использовать метод сверления балансировочных отверстий на рабочем колесе, чтобы уменьшить скорость потока утечки и уменьшить степень кавитации. Балансировочные отверстия на лопатках оказывают разрушающее и мешающее воздействие на поток впрыскиваемой жидкости на входе в рабочее колесо. Площадь балансировочных отверстий не должна быть менее чем в 5 раз больше площади зазора уплотнительного кольца, чтобы уменьшить скорость утечки, тем самым уменьшая влияние на основной поток жидкости и улучшая антикавитационные способности насоса.
6) Опыт показал, что, начиная с механизма кавитации, подача соответствующего количества газа во всасывающее отверстие может нарушить условия для возникновения кавитации. Однако использование пополнения воздуха для предотвращения кавитации в насосе является высокотехнологичным, и только при соответствующем объеме, месте и методе пополнения воздуха можно достичь хороших результатов. В противном случае это вызовет значительное снижение расхода, напора и эффективности насоса и даже приведет к перебою потока и неблагоприятным последствиям в процессе эксплуатации.
Учитывая сложность контроля соответствующего количества подачи воздуха и точных измерений, в сочетании с практикой автора, рекомендуется использовать игольчатый клапан, позволяющий регулировать скорость потока для клапана подачи воздуха. Во время -регулировки на месте можно использовать кавитационный шум, чтобы отличить его: отрегулируйте объем впуска через игольчатый клапан до тех пор, пока кавитационный шум не будет сведен к минимуму (некоторые системы могут полностью устранить шум, но некоторые системы могут только уменьшить кавитационный шум, но не полностью его устранить), затем отрегулировать игольчатый клапан немного назад, чтобы уменьшить объем впуска, наблюдать за работой в течение определенного периода времени, пока не исчезнут отклонения в производительности при различных заданных условиях эксплуатации, а затем заблокировать открытие игольчатого клапана. Этот метод ни в коем случае не должен понижать звук до самого низкого уровня! Если давление на входе положительное, когда насос останавливается, следует установить обратный клапан, чтобы предотвратить утечку.
7) Исследования показали, что если среда содержит летучие газы и твердые частицы, такие как песок, кавитационная производительность насоса снижается. Чтобы в насосе не возникала кавитация, высоту всасывания насоса следует уменьшить как минимум на 4,2 метра от расчетной высоты чистой воды. На это стоит обратить внимание в коммунальной промышленности.
