Явление, называемое кавитацией, сопровождает поток жидкости через различные устройства, такие как клапаны или насосы. Кавитация связана с локальным образованием пузырьков паров жидкости, а затем - в результате повышения давления - повторным сжижением.
Чтобы понять явление кавитации, хорошо вернуться к школьной скамье и вспомнить диаграмму баланса жидкости и пара (рис. 1).
Чтобы провести жидкость в состоянии пара, у нас есть два варианта: либо повысить температуру до превышения границы, либо уменьшить давление. В этом случае мы также пересечем границу между жидкой и паровой фазами. Понижение давления воды в насосе, приводящее к появлению пара, является просто кавитацией. Факторами, ответственными за кавитацию, являются давление притока и температура перекачиваемой воды. В этом дуэте температура определяет давление водяного пара и, помимо других факторов, определяет необходимое минимальное давление перед насосом.
В случае вихревых насосов явление кавитации происходит в той части насоса, где давление является самым низким. Это место называется проушиной ротора и расположено на входе воды в ротор.
Рисунок 2 иллюстрирует изменения давления в насосе от впускного отверстия до выпускного отверстия. Если при прохождении воды через насос давление не падает ниже давления испарения воды при определенной температуре, то явления кавитации не будет. Однако часто случается, что падение давления в секции от всасывающего сопла до проушины ротора достаточно велико, а давление на входе достаточно низкое, чтобы снизить его ниже давления испарения. Тогда мы имеем дело с кавитацией.
Проблема образования пузырьков пара в насосе, к сожалению, только начало неприятностей. Давление воды, протекающей через рабочее колесо, увеличивается. В результате пузырьки пара, подвергшиеся воздействию высокого давления, взрываются и становятся жидкими. Это явление сопровождается выделением огромной энергии, разрушительной для элементов конструкции насоса, в частности, для ротора, что вызывает значительные потери материала - рисунок 3. Места образования и исчезновения пузырьков пара показаны на рисунке 4.
Потеря материала ротора - не единственное негативное влияние кавитации. Другой - снижение параметров насоса (изменение характеристик насоса), чрезмерные вибрации, вызывающие повреждение подшипников и уплотнения вала, и, наконец, повышенный уровень шума во время работы.
Чтобы защитить от негативного воздействия кавитации, в первую очередь необходимо обеспечить минимальное давление на всасывающем отверстии насоса, обеспечив, чтобы давление в корпусе насоса не опускалось ниже давления водяного пара при определенной температуре. Расчет минимально необходимого относительного давления (измеряется манометром) требует простой формулы:
Hs = NPSHR - Ha + Hvp + Hm [мH2O],
Hs - минимальное давление на входе [мH2O],
Хм - запас прочности - мин. 0,5 мH2O,
Hvp - давление испарения для данной температуры воды,
Ha - атмосферное давление [mH2O] (около 10,2 мH2O),
NPSHR - необходим чистый положительный напор всасывания. [M H2O].
Значение NPSHR указано производителем насоса в форме графика. NPSH определяется как перепад давления в насосе от впускного отверстия до проушины ротора, стоит отметить, что значение NPSH увеличивается с увеличением расхода (рисунок 5). Чем выше значение NPSHR, тем выше давление притока, которое мы должны обеспечить.
В свою очередь, давление водяного пара для данной температуры можно прочитать из опубликованных номограмм. Например, давление испарения воды при 90oC составляет 0,7011 бар, то есть около 7 мH2O.
После расчета необходимого давления на входе мы можем прочитать фактическое давление на всасывающем отверстии насоса. Оно должно быть больше или равно расчетному требуемому давлению.
В случае циркуляционных насосов без сальника очень часто производители указывают требуемое давление всасывания в зависимости от нескольких выбранных температур.
Концепция дизайна также использует концепцию имеющегося избытка антикавитации - NPSHA ( доступна чистая положительная головка всасывания ). NPSHA - это расчетное значение давления на всасывающем отверстии насоса, которое доступно для конкретной установки. NPSHA учитывает геометрическую высоту притока, потери в линии всасывания и давление испарения при температуре перекачиваемой воды. Расчетное значение NPSHA должно быть больше или равно значению NPSHR.
Проблемы с кавитацией возникают чаще всего в случае перекачивания горячей воды. Требуемое давление на входе должно быть определено. Если выясняется, что фактическое давление всасывания насоса ниже требуемого, у нас есть следующие варианты:
* понизить температуру перекачиваемой воды,
* увеличить давление в системе или геометрическую высоту притока,
* уменьшить поток через насос, тем самым снижая NPSHR,
* выберите насос с более низким NPSHR.
Работа кавитирующего насоса приведет к его серьезному повреждению и приведет к снижению высоты подъема и производительности насоса, что не приведет к достижению требуемых параметров.
Рышард Гавронек
