Častým problémom pri prevádzke odstredivých čerpadiel je kavitácia, ktorá môže spôsobiť zvýšenie vibrácií a hluku čerpadla, zníženie výkonu a vážne poškodenie komponentov.
Tento článok sa nezaoberá odbornými teoretickými znalosťami kavitácie, ale iba sa pokúša použiť relatívne jednoduchý jazyk na poskytnutie podrobného úvodu do niekoľkých bežných typov kavitácie v odstredivých čerpadlách, nebezpečenstiev kavitácie a bežne používaných opatrení na zlepšenie kavitácie na mieste.
1. Typy kavitácie
Podľa miesta výskytu možno kavitáciu rozdeliť na lopatkovú kavitáciu, medzerovú kavitáciu, drsnú kavitáciu, dutinovú kavitáciu a spätnú kavitáciu.
(1) Listová kavitácia
Keď dôjde ku kavitácii, k tvorbe a prasknutiu bublín dochádza hlavne na prednej a zadnej strane lopatiek, známe tiež ako kavitácia profilu, čo je hlavná forma kavitácie v odstredivých čerpadlách. Keď je čerpadlo nainštalované príliš vysoko, aj keď čerpadlo beží za konštrukčných podmienok, môže sa na zadnej strane vstupu a výstupu lopatky vyskytnúť oblasť nízkeho tlaku-:
1) Keď čerpadlo pracuje za podmienok vysokého prietoku, na prednej hrane lopatiek dochádza k oddeľovaniu toku a vírom, ktoré vytvárajú podtlak, ktorý môže spôsobiť kavitáciu na prednej strane lopatiek.
2) Keď čerpadlo pracuje v podmienkach nízkeho prietoku, na zadnej strane lopatiek sa vytvárajú víry, ktoré vytvárajú zónu nízkeho tlaku- a spôsobujú kavitáciu na zadnej strane lopatiek.
(2) Medzerová kavitácia
Vzťahuje sa na kavitáciu vytvorenú, keď kvapalina prúdi cez úzky kanál alebo medzeru, čo spôsobuje lokálne zvýšenie rýchlosti prúdenia a zníženie tlaku na tlak odparovania zložiek prúdu.
V medzere medzi opotrebením-krúžkom puzdra odstredivého čerpadla a vonkajším okrajom (krycou doskou) obežného kolesa pod rozdielom tlakov (obzvlášť veľkým tlakovým rozdielom) na oboch stranách vstupu a výstupu obežného kolesa prúdi kvapalina na strane výstupu vysokou rýchlosťou späť, čo spôsobuje lokálny pokles tlaku a kavitáciu
V malej medzere medzi vonkajším okrajom lopatiek čerpadla s axiálnym prietokom a telesom čerpadla môže pri pôsobení tlakového rozdielu medzi prednou a zadnou stranou lopatiek vysoká rýchlosť spätného prúdenia kvapaliny v medzere tiež spôsobiť lokálny pokles tlaku, čo má za následok kavitáciu na zodpovedajúcom vonkajšom okraji lopatiek v telese čerpadla a vytvorenie voštiny a drsného povrchu kavitačnej zóny lopatiek.
(3) Hrubá kavitácia
Hrubá kavitácia sa týka vytvárania vírov po prúde výčnelkov, keď kvapalina preteká cez nerovný povrch hrubých prietokových komponentov vo vnútri skrine čerpadla, čo spôsobuje lokálny pokles tlaku a vedie ku kavitácii.
Počas odlievania a spracovania komponentov prietoku čerpadla môžu nerovnosti povrchu, pieskové otvory, vzduchové otvory atď. spôsobiť náhle zmeny miestneho stavu prietoku a spôsobiť kavitáciu.
(4) Dutinová kavitácia
Kavitácia v dutine sa týka vytvorenia špirálového vírového pásu v sacej komore na vstupe čerpadla v dôsledku zlých podmienok na prívode vody alebo nedostatočnej hĺbky ponorenia. Keď sa centrálny tlak vírivého pásu zníži na tlak odparovania, objaví sa aj kavitácia sprevádzaná silnými vibráciami.
(5) Refluxná kavitácia
Vo všeobecnosti je predpokladom kavitácie NPSHa
Keď je prietok čerpania príliš nízky alebo vstupný tlak príliš vysoký, dochádza k spätnému toku. Keď je čerpací prietok príliš nízky, na vstupe obežného kolesa dochádza k vnútornému spätnému toku; Keď je vstupný tlak čerpadla príliš vysoký, na výstupe z obežného kolesa dochádza k vnútornému spätnému toku. Vnútorný reflux spôsobuje zvýšenie prietoku kvapaliny, až kým odparovanie nevytvorí bubliny, ktoré potom prasknú pod vyšším okolitým tlakom. Keď na sacom hrdle dôjde k vnútornému spätnému toku, okolo sacieho hrdla pumpy sa bude vydávať nepravidelný praskavý zvuk sprevádzaný detonačným zvukom vysokej-intenzity.
Refluxná kavitácia sa môže vo všeobecnosti zlepšiť pomocou nasledujúcich metód:
1) Zvýšte výstupný prietok čerpadla.
2) Nainštalujte obtok medzi vstupom a výstupom čerpadla (tento spôsob je pre zákazníkov v praktických aplikáciách ťažko akceptovateľný).
3) Optimalizovať štruktúru obežného kolesa (zmenšiť vstupnú plochu obežného kolesa).
2. Nebezpečenstvo kavitácie
(1) Zhoršenie výkonu, poškodenie potrubia
Kavitácia môže výrazne znížiť výkon čerpadla. Zvyčajne pri odstredivých čerpadlách, keď sa vstupný tlak do určitej miery zníži, ich výkon sa prudko zníži, čo je tiež známe ako kavitačný zlom. Kavitácia môže tiež spôsobiť nestabilitu vo vnútri tekutiny, čo môže viesť k osciláciám prietoku a tlaku. Pomocou týchto oscilácií môže dôjsť k poškodeniu čerpadla a jeho vstupného a výstupného potrubia.
(2) Vážne poškodenie nadprúdových komponentov čerpadla
Kavitácia môže spôsobiť poškodenie povrchu komponentov. Keď bubliny prasknú, okolitá kvapalina generuje extrémne vysoký nárazový tlak (špičkový tlak) až 49 MPa. Keď hydraulická sila kavitácie prekročí schopnosť materiálu odolávať tomuto nárazu, môže to viesť k lokálnemu zlyhaniu materiálu steny a oddeleniu povrchového materiálu. Kavitácia sa vyskytuje súčasne s chemickou a elektrochemickou koróziou. Veľkosť jamiek vytvorených koróziou a plastickou deformáciou materiálov v ranom štádiu kavitácie je asi 10 μm až 50 μm, najmä v prípade niektorých materiálov so slabou odolnosťou proti korózii, ktoré môžu pri dlhodobej kavitácii vykazovať voštinové štruktúry.
(3) Vytvárajte vibrácie a hluk
V momente, keď bublina kondenzuje, zmršťuje sa a praskne, kvapalina okolo bubliny vyplní vysokou rýchlosťou prázdnotu (vzniknutú kondenzáciou a prasknutím bubliny), pričom generuje tlakové pulzácie a tým vzrušujúce vibrácie a hluk. Frekvencia kavitačného hluku je vo všeobecnosti medzi 10 kHz a 100 kHz, zatiaľ čo frekvencia kavitačného hluku spôsobeného refluxom a pulzáciou tlaku je okolo niekoľkých stoviek Hz, čo robí ľudské ucho obzvlášť citlivým. Zároveň môže kavitácia stimulovať vibrácie a hlavná frekvencia vibrácií generovaných kavitáciou je vo všeobecnosti okolo 1 kHz.
Kavitácia je charakterizovaná nielen vysokou hladinou hluku, ale aj indikátormi vibrácií, ako je nedostatočná tuhosť základne čerpadla a zlá podpora potrubia, čo môže spôsobiť štrukturálnu rezonanciu; Po inštalácii čerpadla je základňa vyplnená betónom a tuhosť podpery potrubia je dostatočná, čo vo všeobecnosti nespôsobuje silné vibrácie. Pri meraní vibrácií na tele pumpy je však dominantná vysokofrekvenčná zložka frekvencie vibrácií generovaných kavitáciou a hodnota zrýchlenia vibrácií je vyššia ako posun vibrácií a rýchlosť vibrácií.
3. Spoločné opatrenia na zlepšenie výkonu kavitácie
(1) Opatrenia na zlepšenie antikavitačného výkonu samotných odstredivých čerpadiel
1) Zlepšite dizajn sacieho otvoru čerpadla
Brúsením obežného kolesa je možné zväčšiť prietokovú plochu;
Zväčšite polomer zakrivenia vstupnej časti krycej dosky obežného kolesa, aby ste znížili rýchle zrýchlenie a pokles tlaku prúdu kvapaliny;
Vhodne znížte hrúbku vstupu čepele a zaoblite vstup čepele (vyleštite hlavu čepele, nabrúste ju, aby ste znížili stratu nárazu na vstupe a znížili citlivosť uhla vstupu a potrebnú kavitáciu možno znížiť asi o 0,5 metra), čím sa priblíži k prúdnicovému tvaru a tiež znížite zrýchlenie a pokles tlaku okolo hlavy čepele;
Zlepšite hladkosť povrchu obežného kolesa a vstupu lopatky, aby sa znížila strata odporu;
Predĺžte vstupnú hranu lopatky smerom k vstupu obežného kolesa, aby ste umožnili prietoku kvapaliny vopred pracovať a zvýšiť tlak.
2) Pridajte predné indukčné koleso
Zabezpečte, aby prietok kvapaliny pracoval vopred v prednom indukčnom kolese, aby sa zvýšil tlak prietoku kvapaliny (táto schéma vyžaduje štrukturálne zmeny a rekalibráciu rôznych konštrukčných parametrov).
3) Prijatie obežného kolesa s dvojitým nasávaním
Zväčšite vstupnú plochu obežného kolesa a znížte prietok vstupnej kvapaliny (zníženie prietoku a zvýšenie tlaku).
4) Použitie trochu väčšieho pozitívneho uhla nábehu
Ak chcete zväčšiť uhol vstupu lopatky, znížte ohyb na vstupe lopatky, minimalizujte zablokovanie lopatky, a tým zväčšite oblasť vstupu;
Zlepšite pracovné podmienky za podmienok vysokého prietoku, aby ste znížili straty prietoku. Pozitívny uhol nábehu by však nemal byť príliš veľký, inak to ovplyvní účinnosť.
5) Použitie nízkorýchlostného-čerpadla
Čím nižšia je rýchlosť otáčania, tým menšie je NPSHr.
6) Použitie materiálov proti kavitácii
Prax ukázala, že čím vyššia je pevnosť, tvrdosť a húževnatosť materiálu, tým lepšia je jeho chemická stabilita a tým väčšia je jeho odolnosť voči kavitácii.
(2) Opatrenia na zvýšenie prípustnej kavitácie zariadenia
1) Zvýšte tlak hladiny kvapaliny v zásobnej nádrži pred čerpadlom, aby ste zlepšili efektívnu kavitáciu.
2) Znížte montážnu výšku čerpadla v sacom zariadení, najmä pri doprave horúcej vody ako média, a zvážte vzťah medzi sacou výškou a teplotou média.
3) Vymeňte odsávacie zariadenie za zariadenie so spätným tokom.
4) Znížte straty prietoku v sacom potrubí pred čerpadlom. Ak je to možné, skráťte potrubie v požadovanom rozsahu, použite vhodný priemer nasávacieho potrubia a filtračnú filtračnú plochu (ak existuje), aby ste znížili prietok v potrubí, znížte počet ohybov a ventilov a čo najviac zväčšili otvorenie ventilu.
5) Ak je kavitácia medzery závažná, môže sa použiť metóda vŕtania vyrovnávacích otvorov na obežnom kolese, aby sa znížil prietok úniku a zmiernil sa stupeň kavitácie. Vyvažovacie otvory na lopatkách majú deštruktívny a rušivý účinok na prúdenie vstrekovanej kvapaliny na vstupe obežného kolesa. Plocha vyrovnávacích otvorov by nemala byť menšia ako 5-násobok vôle tesniaceho krúžku, aby sa znížil prietok pri úniku, čím sa zníži vplyv na hlavný prietok kvapaliny a zlepší sa schopnosť čerpadla proti kavitácii.
6) Skúsenosti ukázali, že počínajúc mechanizmom kavitácie môže doplnenie primeraného množstva plynu do sacieho otvoru narušiť podmienky pre vznik kavitácie. Použitie doplňovania vzduchu na zabránenie kavitácii čerpadla je však vysoko technické a len s vhodným objemom, umiestnením a spôsobom doplňovania vzduchu možno dosiahnuť dobré výsledky. V opačnom prípade to spôsobí výrazné zníženie prietoku, dopravnej výšky a účinnosti čerpadla a dokonca povedie k prerušeniu prietoku a nepriaznivým následkom počas prevádzky.
Vzhľadom na náročnosť ovládania vhodného množstva prívodu vzduchu a presného merania v kombinácii s praxou autora sa odporúča použiť ihlový ventil, ktorý dokáže nastaviť prietok pre ventil prívodu vzduchu. Počas-nastavovania na mieste sa dá kavitačný hluk použiť na rozlíšenie: upravte objem nasávania cez ihlový ventil, kým sa kavitačný hluk neminimalizuje (niektoré systémy dokážu hluk úplne eliminovať, ale niektoré systémy dokážu kavitačný hluk iba znížiť, nie úplne ho odstrániť), potom trochu nastavte ihlový ventil dozadu, aby ste znížili objem nasávania, pozorujte prevádzku po určitú dobu, kým sa nevyskytnú žiadne abnormality výkonu pri rôznych špecifikovaných prevádzkových podmienkach otvorenia ihly a potom zablokujte ventil. Táto metóda by nikdy nemala znížiť zvuk na najnižšiu úroveň! Ak je vstupný tlak pozitívny, keď čerpadlo prestane bežať, mal by byť nainštalovaný spätný ventil, aby sa zabránilo úniku.
7) Výskum zistil, že keď médium obsahuje prchavé plyny a pevné častice, ako je piesok, kavitačný výkon čerpadla sa zníži. Aby sa zabezpečilo, že čerpadlo nebude mať kavitáciu, sacia výška čerpadla by sa mala znížiť aspoň o 4,2 metra od vypočítanej výšky čistej vody. V komunálnom priemysle to stojí za pozornosť.
