Кавитация насоса: причины возникновения и способы устранения

Кавитация в насосах: определение, причины и последствия

Что такое кавитация?

Кавитация — это процесс образования пузырьков газа (или пара) в рабочей жидкости, который происходит, когда давление в насосе падает ниже уровня давления насыщенных паров этой жидкости. Эти пузырьки газа мгновенно схлопываются при повышении давления в насосе, что приводит к образованию гидравлических ударов и выделению тепла. Это явление может вызвать значительный ущерб внутренним частям насоса, таким как рабочие колеса, корпус, вал и другие элементы.

Кавитация может привести к следующим последствиям:

• Снижение производительности: Рабочий насос теряет свою эффективность из-за нарушения нормальной работы жидкости внутри системы.
• Повышенные вибрации и шум: Кавитация вызывает нестабильную работу насоса, что проявляется в виде повышенных вибраций и шума.
• Эрозия и повреждения: Механическое разрушение материалов рабочих колес и других внутренних частей насоса вследствие сильных гидравлических ударов.
• Повреждение рабочих поверхностей: Из-за высокоэнергетических ударов пузырьков газа, рабочие поверхности насоса подвергаются интенсивному износу, что ускоряет их деградацию.

Как происходит кавитация?

1. Образование пузырьков: Когда давление на всасывающем патрубке насоса становится слишком низким (ниже давления насыщенного пара рабочей жидкости), жидкость начинает «кипеть» и образовывать пузырьки газа или пара.
2. Движение пузырьков: Эти пузырьки с потоком жидкости перемещаются в зону нагнетания насоса, где давление резко возрастает.
3. Схлопывание пузырьков: Когда пузырьки газа достигают зоны с высоким давлением, они быстро схлопываются, высвобождая теплоту и создавая гидравлические удары с огромной энергией.
4. Эрозия: Постоянное воздействие этих ударов на внутренние части насоса (особенно на рабочие колеса) вызывает их износ и разрушение.

Основные причины возникновения кавитации

1. Высокая высота установки насоса:

• Если насос установлен слишком высоко относительно уровня жидкости, давление в его всасывающем патрубке может стать слишком низким, что способствует образованию пузырьков. Это особенно критично для насосов, подающих жидкость из источников, расположенных ниже уровня насосного оборудования.

1. Гидравлическое сопротивление во всасывающем трубопроводе:

• Если трубопровод имеет большую протяженность или малый диаметр, это увеличивает сопротивление потоку жидкости, что также приводит к снижению давления на всасывающем патрубке насоса. Это создает условия для образования пузырьков.

1. Пониженное атмосферное давление:

• В районах с низким атмосферным давлением (например, на больших высотах или при изменении погодных условий) давление на поверхности жидкости может быть недостаточно высоким для предотвращения кавитации.

1. Высокая температура жидкости:

• Температура жидкости напрямую влияет на давление насыщенного пара. При повышении температуры давление паров увеличивается, что может привести к кавитации при более низком давлении на всасывающем патрубке.

1. Нарушение герметичности всасывающего трубопровода:

• Если соединения трубопровода не герметичны, в систему может попадать воздух. Это снижает давление в системе, что также способствует образованию пузырьков газа и кавитации.

Меры по предотвращению кавитации

1. Правильная установка насоса:

• Насос должен быть установлен так, чтобы всасывающая линия имела минимальное сопротивление и давление на всасывающем патрубке оставалось достаточным для предотвращения кавитации. Также важно, чтобы высота подъема насоса не превышала рекомендованных норм.

1. Использование трубопроводов подходящего диаметра:

• Чтобы уменьшить гидравлическое сопротивление, необходимо выбирать трубопроводы с соответствующим диаметром и минимизировать их длину.

1. Обеспечение герметичности системы:

• Все соединения и уплотнения должны быть проверены на герметичность. Даже небольшие утечки воздуха могут вызвать кавитацию.

1. Контроль температуры жидкости:

• Важно контролировать температуру рабочей жидкости, чтобы она не превышала критических значений, способствующих образованию пузырьков пара.

1. Кавитационный запас:

• Для предотвращения кавитации часто используют кавицационный запас, который заключается в том, что на всасывающем патрубке насоса создается минимальное давление, достаточное для предотвращения кавитации. Это может быть достигнуто с помощью специальных устройств или оптимальной установки насоса.

1. Регулировка параметров работы насоса:

• Некоторые насосы оборудованы системами управления, которые могут автоматически регулировать скорость вращения или другие параметры для предотвращения кавитации.

Кавитация — это серьезная проблема, которая может значительно сократить срок службы насосов и вызвать дорогостоящие поломки. Для защиты оборудования важно принимать меры по предотвращению этого явления, начиная от правильного проектирования системы до регулярного технического обслуживания и мониторинга работы насоса.

Борьба с кавитацией в насосах

Кавитация — это явление, возникающее в насосах, когда давление жидкости падает ниже ее парциального давления, что приводит к образованию пузырьков пара. Это может вызвать серьезные повреждения оборудования. Для защиты агрегатов от кавитации применяются следующие меры:

1. Опускание насоса ближе к поверхности жидкости:

• Установка насоса на более низком уровне относительно поверхности перекачиваемой жидкости увеличивает давление во всасывающем патрубке, что помогает предотвратить кавитацию.

1. Увеличение диаметра и сокращение длины всасывающего трубопровода:

• Увеличение диаметра трубопровода снижает скорость потока и, соответственно, потери давления. Сокращение длины трубопровода уменьшает сопротивление, что также помогает поддерживать необходимое давление.

1. Снижение сопротивления на всасывающем трубопроводе:

• Устранение изгибов под прямым углом, установка обратных клапанов и фильтров с низким сопротивлением способствует снижению потерь давления на всасывании.

1. Уменьшение скорости вращения вала:

• Если допустимо незначительное снижение напора и производительности, можно уменьшить скорость вращения вала насоса. Это поможет предотвратить возникновение кавитации за счет снижения требований к напору.

1. Оптимальная установка насоса:

• Насос должен устанавливаться на оптимальной высоте, которая рассчитывается на основе параметров, указанных в паспорте устройства. Это позволяет обеспечить необходимое давление в системе.

Кавитационный запас насоса

В паспорте насоса или руководстве по эксплуатации указываются напорные характеристики, включая кавитационный запас насоса, обозначаемый как Δhдоп или NPSHr (Net Positive Suction Head required). Этот параметр выражается в метрах водяного столба и отражает высоту столба жидкости, которую насос должен удерживать во всасывающем трубопроводе.

Если расстояние от оси рабочего колеса насоса до поверхности перекачиваемой жидкости превышает вычисленное по графику допустимое значение NPSHr, насос не сможет функционировать эффективно и может столкнуться с кавитацией. Поэтому важно следить за соблюдением этих параметров и принимать меры для их оптимизации.

В некоторых источниках параметр NPSHr называется требуемым кавитационным запасом. Насос взаимодействует с системой трубопроводов и запорной арматуры, у которых допустимый кавитационный запас обозначается NPSHa и вычисляется по формуле: NPSHa=Hs+(Pa-Pv)/p*g-Hп, где:

• Hs — высота от оси вала насоса до зеркала перекачиваемой жидкости (при расположении насоса ниже уровня жидкости значение будет отрицательным);
• Pa — атмосферное давление;
• Pv — давление насыщенных паров перекачиваемой среды;
• p — плотность жидкости;
• g — ускорение свободного падения;
• Hn — потери напора в трубопроводе.

Для расчётов используются и другие формулы, но значение NPSHa должно превышать допустимый кавитационный запас насоса. Выполнение данного условия — залог долгой и надёжной работы агрегата и всей системы.