Кавитация проблема работы насосной системы

Кавитация – явление, несущее негативные последствия для эксплуатации и продолжительности службы жидкостного насоса. Под влияние этого явления попадают практически все внутренние детали помпы, но чаще всего серьёзным дефектам подвергается крыльчатка (рабочее колесо). Эрозия крыльчатки практически нового жидкостного насоса оказывается настолько сильной, что ремонт аппарата невозможен, в принципе.

Причины образования явления кавитация

Кавитация образуется, как правило, в результате перехода жидкой среды в парообразное состояние. Такой переход происходит по причине недостаточного давления на линии всасывания насоса (так называемого — положительного напора нетто).

Фактор кавитации характеризуется низким давлением, способствующим формированию пузырьков воздуха в составе жидкостного потока. При таких условиях, когда жидкость проталкивается крыльчаткой насоса от стороны всасывания к стороне нагнетания, присутствующие в потоке воздушные пузырьки разрываются.

Эффектом разрыва пузырей воздуха образуется ударная волна, воздействующая на тело крыльчатки насоса. Результатом отмечается появление вибрации, что ведёт к механическим повреждениям. Соответственно, уже по истечению относительно короткого срока эксплуатации, водяной насос выходит из строя.

Нередко обслуживающий персонал видит причиной кавитации непосредственно конструкцию насоса. Однако в большинстве случаев такие представления ложны. Фактически, кавитация появляется не из-за конструктивных недостатков самого насоса, а по причинам плохо спроектированной системы в целом и отсутствия соответствующего технического обслуживания.

Рассмотрим причины и последствия явления кавитация более подробно, а также процесс, которому необходимо следовать на этапе проектирования насосных систем.

Эффект кипения жидкости и давление пара

Определённые значения давления и температуры, как правило, отличающиеся применительно к разным типам жидкостей, приводят к эффекту кипения. Простой пример – кастрюля, наполненная водой под воздействием системы подогрева.

При достижении температуры 100°C, на дне кастрюли под действием атмосферного давления образуются пузырьки воздуха, стремящиеся к поверхности, где лопаются – образуют пар. То есть определённое давление и температура, в данном случае, способствуют кипению воды и процессу парообразования.

Давление пара определяется значением, при котором молекулы жидкости переходят в молекулы пара. Следует отметить — давление паровой фазы всех жидкостей напрямую зависит от температуры. Это явно взаимосвязанные явления.

К примеру, если обычную бутылку наполовину заполнить водой и довести внутреннее давление до вакуума, вода закипит без нагрева.

Свойства воды при разных температурах

Регулировкой значения давления, при котором вода подвергается температурному воздействию, допустимо изменять давление пара. Тем самым несложно добиться эффекта, когда вода закипит при комнатной температуре. Ниже представлена таблица диапазона температур 5°C — 100°C, значения давления пара, плотности, удельного веса воды.

Таблица зависимостей рабочих параметров и кавитация:

Судя по представленной таблице, температуре 5ºC соответствует значение плотности 999,9 кг/м³. Удельный вес равен 0,9999 (1). Для температуры 100ºC плотность меняется примерно до значения 958 кг/м³, что является существенным, но не таким значительным в плане больших изменений. Если посмотреть на удельный вес, этот параметр меняется от 1 примерно до значения 0,96.

По давлению пара изменения проявляется несколько иначе. Температуре 5ºC соответствует давление водяного пара 871,9 Н/м². Однако для температуры 100ºC цифра увеличивается до 101325 Н/м², что видится серьёзным изменением.

При любой комбинации давления и температуры, указанной в таблице выше, вода переходит в пар. Например, вода в стакане, подвергнутая давлению на уровне 2337 Н/м², закипит при температуре 20ºC.

Явление кавитация сопровождается абсолютным давлением, но не манометрическим. Регулируя температуру и давление, допустимо получить кипение воды в разных точках. Состояние других видов жидкостей отмечается аналогичными диаграммами, но, соответственно, значения параметров будут уже другими.

Влияние атмосферного давления на парообразование

Очевидный момент для атмосферы Земли – здесь вода кипит при атмосферном давлении 1 кг/см² и температуре 100ºC – параметрах, имеющих место на уровне моря. Другие жидкости:

• гексан,
• четырёххлористый углерод,
• пентан,
• бутан,

сильно отличаются характеристиками одна от другой и кипят при более низких температурах, чем вода. Тот же бутан, например, кипит в условиях отрицательной температуры.

Давление зависит и от высоты над уровнем моря. Маловероятной, конечно, видится эксплуатация насосов на вершинах гор. Тем не менее, нельзя исключать применение такого оборудования в похожих условиях по всему миру.

Например, в городе Йоханнесбург (Южная Африка). Этот населённый пункт расположен на высоте 1700 метров над уровнем моря. Для эксплуатации насосного оборудования в таких местах важным моментом видится определение изменения давления пара.

Воздействие кавитации и способы защиты

Кавитация вызывает снижение производительности жидкостного насоса, механическое повреждение, шум и вибрации. Все отмеченные явления, в конечном итоге, способны привести к отказу помпы. Вибрация — частый симптом кавитации, как правило, считается первым признаком появления такой проблемы. Вибрация негативно влияет на многие компоненты насоса, включая:

• приводной вал,
• подшипники,
• уплотнения.

На картинке ниже показано повреждение крыльчатки, вызванное процессом кавитации.

При отсутствии изменений условий всасывания или свойств жидкости непосредственно в процессе работы насоса, защита от кавитации создаётся на этапе проектирования насосной системы. Ключевым моментом здесь является понимание параметра — чистый положительный напор на всасывании (NPSH — Net Positive Suction Head). Этот параметр следует учитывать в процессе проектирования.

Положительный напор нетто на всасывании

Аббревиатуру NPSH, определяющую чистый положительный напор на всасывании насоса, логично разбить на отдельные составляющие для лучшего понимания:

• Net – суммарное давление после всех вычетов.
• Positive – положительное.
• Suction Head — высота всасывания (давление на входном фланце насоса).

Параметр NPSH определяется как разница между давлением на входе в насос и давлением пара жидкости. Давление пара различно для разных жидкостей и зависит от давления и температуры.

Давление на входе насоса (Suction Head) — значение после учёта потерь на трение, потери скоростного напора, а также потерь на входе и выходе во всасывающем трубопроводе насосной системы.

По этой причине на этапе проектирования необходимо рассчитать эти потери и потери технологической установки во всасывающем трубопроводе. Затем, эти потери вычитывают из доступной для насоса высоты всасывания.

Доступный чистый положительный напор на всасывании (NPSHa — Net Positive Suction Head available) не имеет ничего общего с конструкцией насоса. Здесь исключительно техническое значение, специфичное для рассматриваемой системы. Характеристика NPSHa — напор, доступный на соединении трубопровода всасывающего фланца насоса для рассматриваемой насосной системы.

Это фактическая разница между давлением на входном фланце насоса и давлением пара жидкости для насосной установки в целом. Такая разница определяется:

• конструкцией,
• конфигурацией,
• относительными уровнями,
• для стороны всасывания конкретной насосной системы.

NPSHa = давление на входе насоса — давление пара, (м);

Требуемый чистый положительный напор на всасывании (NPSHr — Net Positive Suction Head required) – также характеристика насоса, не связанная с насосной системой. У всех насосов характеристики NPSHr разные. Это значение можно получить у производителя конкретного аппарата.

Чем же вызывается кавитация внутри насоса?

Кавитация возникает внутри корпуса насоса, когда температура и давление жидкости на всасывании рабочего колеса соответствуют состоянию образования пара. Такому состоянию предшествует низкое давление при нормальных рабочих температурах. То есть имеет место локальный переход из жидкого состояния к состоянию парообразному, с последующим созданием очень высоких температур и давлений, нередко достигающих значений:

T = 10000°К

P = 1 ГН/м²

Характеристика NPSHr определяется как разница между давлением на входе в насос и давлением пара, требуемым для данного насоса. Это значение не следует рассматривать как достаточное для предотвращения кавитации, поскольку это значение измеряется в начальный момент кавитации. Начало кавитации определяется как точка, где напор насоса падает на 3%.

Следовательно, необходимо убедиться, что параметр NPSHa больше, чем параметр NPSHr, и для этого в уравнение необходимо предусмотреть запас напора:

NPSHa ≥ NPSHr + запас напора

Золотым правилом проектирования насосной системы следует считать обеспечение достаточного запаса напора для предотвращения кавитации. Величина запаса, как правило, указывается профессиональными консультантами-проектировщиками. Также производители насосов должны консультировать по данному вопросу.

Обычно достаточно запаса напора примерно в 1,5 метра. NPSHa — это характеристика конструкции системы, которой можно управлять. На этапе проектирования необходимо приложить все усилия, чтобы обеспечить достаточное количество NPSHa в системе. В противном случае последствия могут оказаться дорогостоящими и разрушительными.

Понимание процесса кавитации внутри насоса

Учитывая, что жидкость течёт через насос, охватывая положения потока 1–5 (картинка ниже), очевидно, что такое течение эквивалентно системе непрерывного потока в трубопроводе. Расход в каждом положении от 1-го до 5-го должен оставаться постоянным.

По определению позиция 1 даёт большое поперечное сечение, переходящее к очень малой площади поперечного сечения. Соответственно, скорость на проушине крыльчатки значительно выше, чем во всасывающей трубе.

По мере увеличения скорости в системе трубопроводов давление уменьшается, тогда как по мере уменьшения скорости, напротив, увеличивается. Причина очевидна — более высокая скорость создаёт напор, что рассматривается расточительством энергии. Идеально получать давление, а не скоростной напор.

Эффект напоминает принудительное сдавливание садового поливного шланга. Скорость потока воды одна, но эту скорость допустимо увеличить сжатием концевой части шланга. Вода, выходящая из шланга, получает высокий напор, но находится под атмосферным давлением.

Давление через рабочее колесо падает, после чего восстанавливается на выходе из насоса. Этот момент связан с тем, что диаметр проушины рабочего колеса несоизмеримо мал по сравнению с диаметром всасывающего патрубка. Рабочее колесо насоса добавляет энергию жидкости, тем самым увеличивая давление.

 

Предотвращение явления кавитации внутри насоса

Как отмечалось выше, крайне важным видится обеспечение наличия достаточного параметра NPSHa. Тем самым давление жидкости останется выше давления пара. В ходе испытания оборудования на кавитацию, производителем, как правило, определяется значение NPSHr. На этапе проектирования насосной системы характеристика NPSHr видится обязательной к применению.

Нет альтернативы правильной конструкции насосной системы в части избежать кавитации. При проектировании легко определить значение NPSHa (которое не зависит от типа выбранного насоса). Затем полученное значение NPSHa сравнивают с параметром NPSHr применительно к типам насосов. При недостаточном значении NPSHa проще внести изменения в конструкцию системы, чем менять что-то после строительства и монтажа.

Настоятельно рекомендуется вносить любые необходимые изменения на этапе проектирования, так как любые дополнительные расходы окажутся существенно ниже по сравнению с затратами на устранение проблем установки с кавитацией. В случае если кавитация насоса является проблемой на существующей системе, есть только два пути решения проблемы.

1. Увеличить значение NPSHa насоса или уменьшить значение NPSHr. Доступные варианты зависят от природы рассматриваемой системы. Например, увеличение силы на всасывающем конце насоса или снижение потерь на трение в трубопроводе, чтобы тем самым увеличить силу действия на единицу площади.

Повышение силы подачи достигается за счёт увеличения статического напора подачи, приложения давления к резервуару подачи или использования подкачивающего насоса. Или же уменьшением потерь на трение в трубопроводе за счёт использования труб большего диаметра, меньшего количества компонентов и фитингов.

Сила, действующая на единицу площади, на рабочей ёмкости наращивается подкачивающим насосом. Однако это редко практикуемый вариант для существующей установки и почти всегда непрактичный из-за проблем с пространством, стоимости и возможных сбоев. Также редкой видится целесообразность замены трубопровода системы всасывания на трубопровод большего диаметра.

2. Замена поврежденного насоса на другой аппарат, обладающий более низким параметром NPSHr. Или же организовать параллельную откачку несколькими насосами. Во многих случаях указанные выше варианты могут оказаться нежизнеспособными, могут привести к значительным затратам и сбоям. Хорошая конструкция системы, позволяющая избежать кавитации — всегда остаётся лучшим вариантом.

---

При помощи информации: Xylem