Kavitacija je čest problem tokom rada centrifugalnih pumpi, koji može uzrokovati povećanje vibracija i buke pumpe, smanjenje performansi i ozbiljna oštećenja komponenti.
Ovaj članak ne istražuje stručno teorijsko znanje o kavitaciji, već samo pokušava koristiti relativno jednostavan jezik kako bi pružio detaljan uvod u nekoliko uobičajenih tipova kavitacije u centrifugalnim pumpama, opasnosti od kavitacije i uobičajene mjere za poboljšanje kavitacije na licu mjesta.
1. Vrste kavitacije
Prema mjestu nastanka, kavitacija se može podijeliti na kavitaciju oštrice, kavitaciju zazora, grubu kavitaciju, kavitaciju šupljine i kavitaciju povratnog toka.
(1) Folijarna kavitacija
Kada dođe do kavitacije, formiranje i pucanje mjehurića uglavnom se događa na prednjoj i stražnjoj strani lopatica, također poznato kao aeroprofilna kavitacija, koja je glavni oblik kavitacije u centrifugalnim pumpama. Kada je pumpa instalirana previsoko, čak i ako pumpa radi u projektnim uslovima, područje niskog{1}}pritiska je sklono pojavljivanju na stražnjoj strani ulaza i izlaza lopatice:
1) Kada pumpa radi u uslovima visokog protoka, razdvajanje protoka i vrtlozi se javljaju na prednjoj ivici lopatica, stvarajući negativan pritisak koji može izazvati kavitaciju na prednjoj strani lopatica.
2) Kada pumpa radi u uslovima niskog protoka, vrtlozi se stvaraju na stražnjoj strani lopatica, stvarajući zonu niskog-pritiska i uzrokujući kavitaciju na stražnjoj strani lopatica.
(2) Kavitacija zazora
Odnosi se na kavitaciju koja nastaje kada tečnost teče kroz uski kanal ili prazninu, uzrokujući lokalno povećanje brzine protoka i smanjenje pritiska na pritisak isparavanja komponenti protoka.
Na razmaku između prstena-otpornog na habanje kućišta centrifugalne pumpe i vanjske ivice (poklopne ploče) radnog kola, pod razlikom tlaka (posebno velikom razlikom tlaka) na obje strane ulaza i izlaza radnog kola, tekućina na izlaznoj strani teče natrag velikom brzinom, uzrokujući lokalni pad tlaka i kavitaciju
U malom razmaku između vanjskog ruba lopatica aksijalnog protoka pumpe i kućišta pumpe, pod djelovanjem razlike tlaka između prednje i stražnje strane lopatica, velika brzina povratnog protoka tekućine u zazoru također može uzrokovati lokalni pad tlaka, što rezultira kavitacijom na odgovarajućoj vanjskoj ivici lopatica u kućištu pumpe i formiranjem ruba saće na površini kućišta pumpe i formiranja ro radno kolo i lopatice.
(3) Gruba kavitacija
Gruba kavitacija se odnosi na stvaranje vrtloga nizvodno od izbočina kada tekućina teče kroz neravnu površinu komponenti grubog protoka unutar kućišta pumpe, uzrokujući lokalni pad tlaka i dovodeći do kavitacije.
Tokom livenja i obrade komponenti protoka pumpe, neravnine površine, rupe u pesku, rupe za vazduh, itd. mogu izazvati nagle promene u lokalnom stanju protoka i dovesti do kavitacije.
(4) Kavitacija šupljine
Kavitacija u šupljini se odnosi na formiranje spiralne vrtložne trake u usisnoj komori na ulazu u pumpu zbog loših uslova ulaska vode ili nedovoljne dubine uranjanja. Kada se centralni pritisak vrtložnog pojasa smanji na pritisak isparavanja, takođe će doći do kavitacije, praćene jakom vibracijom.
(5) Refluksna kavitacija
Uopšteno govoreći, preduslov za kavitaciju je NPSHa
Kada je protok pumpanja prenizak ili je ulazni pritisak previsok, dolazi do povratnog toka. Kada je protok pumpanja prenizak, dolazi do unutrašnjeg refluksa na ulazu u impeler; Kada je ulazni pritisak pumpe previsok, dolazi do unutrašnjeg refluksa na izlazu iz radnog kola. Unutrašnji refluks uzrokuje povećanje protoka tekućine sve dok isparavanje ne proizvodi mjehuriće, koji onda pucaju pod višim okolnim pritiskom. Kada dođe do unutrašnjeg povratnog toka na usisnom otvoru, oko usisnog otvora pumpe će se emitovati nepravilno pucketanje, praćeno zvukom detonacije visokog{3}}intenziteta.
Refluks kavitacija se općenito može poboljšati sljedećim metodama:
1) Povećajte izlazni protok pumpe.
2) Instalirajte premosnicu između ulaza i izlaza pumpe (ovaj metod je teško prihvatiti kupcima u praktičnim primjenama).
3) Optimizirajte strukturu radnog kola (smanjite ulaznu površinu radnog kola).
2. Opasnosti od kavitacije
(1) Smanjenje performansi, oštećenje cjevovoda
Kavitacija može značajno smanjiti performanse pumpe. Obično, za centrifugalne pumpe, kada ulazni tlak padne do određene mjere, njihov učinak će se naglo smanjiti, što je također poznato kao kavitacijski lom. Kavitacija također može uzrokovati nestabilnost unutar fluida, što može dovesti do oscilacija u protoku i pritisku. Uz pomoć ovih oscilacija, može doći do oštećenja pumpe i njenih ulaznih i izlaznih cjevovoda.
(2) Ozbiljno oštećenje prekostrujnih komponenti pumpe
Kavitacija može uzrokovati oštećenje površine komponenti. Kada mjehurići puknu, okolna tekućina stvara izuzetno visok udarni pritisak (vršni pritisak) do 49 MPa. Kada hidraulička čvrstoća kavitacije premašuje sposobnost materijala da se odupre ovom udaru, to može dovesti do kvara lokalnog materijala zida i odvajanja površinskog materijala. Kavitacija se javlja istovremeno sa hemijskom i elektrohemijskom korozijom. Veličina udubljenja nastalih korozijom i plastičnom deformacijom materijala u ranoj fazi kavitacije je oko 10 μm do 50 μm, posebno za neke materijale sa slabom otpornošću na koroziju, koji mogu pokazati strukture poput saća pod dugotrajnom-kavitacijom.
(3) Stvaranje vibracija i buke
U trenutku kada se mjehur kondenzira, skuplja i puca, tekućina oko mjehurića velikom brzinom ispunjava prazninu (nastalu kondenzacijom i pucanjem mjehurića), stvarajući pulsacije pritiska i na taj način izazivajući vibracije i buku. Frekvencija kavitacijske buke je uglavnom između 10 kHz i 100 kHz, dok je frekvencija kavitacijske buke uzrokovane refluksom i pulsiranjem pritiska oko nekoliko stotina Hz, što ljudsko uho čini posebno osjetljivim. U isto vrijeme, kavitacija također može stimulirati vibracije, a glavna frekvencija vibracije koju stvara kavitacija je općenito oko 1 kHz.
Kavitaciju ne karakterišu samo visoki nivoi buke, već i indikatori vibracija kao što su nedovoljna krutost baze pumpe i loša potpora cevovoda, što može izazvati strukturnu rezonanciju; Nakon ugradnje pumpe, baza se puni betonom, a otporna krutost cjevovoda je dovoljna, što uglavnom ne uzrokuje pojavu jakih vibracija. Međutim, kroz mjerenje vibracija na tijelu pumpe, dominantna je-komponenta frekvencije vibracije generirane kavitacijom, a vrijednost ubrzanja vibracije je veća od pomaka vibracije i brzine vibracije.
3. Zajedničke mjere za poboljšanje performansi kavitacije
(1) Mjere za poboljšanje performansi protiv kavitacije samih centrifugalnih pumpi
1) Poboljšajte dizajn usisnog otvora pumpe
Brušenjem radnog kola, površina protoka se može povećati;
Povećajte radijus zakrivljenosti ulaznog dijela pokrovne ploče radnog kola kako biste smanjili brzo ubrzanje i pad tlaka protoka tekućine;
Smanjite debljinu otvora noža na odgovarajući način i zaokružite ulaz noža (polirajte glavu noža, naoštrite je kako biste smanjili gubitak otvora od udara i smanjili osjetljivost ulaznog kuta, a potrebna kavitacija se može smanjiti za oko 0,5 metara), čineći ga blizu oblika strujne linije, a također smanjujući ubrzanje i pritisak noža oko glave
Poboljšajte glatkoću površine impelera i ulaza oštrice kako biste smanjili gubitak otpora;
Proširite ulaznu ivicu lopatice prema ulazu rotora kako biste omogućili protok tekućine da primi rad unaprijed i poveća pritisak.
2) Dodajte prednji indukcijski kotač
Učinite da protok tekućine radi unaprijed u prednjem indukcijskom kotaču kako bi se povećao tlak protoka tekućine (ova shema zahtijeva strukturne promjene i rekalibraciju različitih parametara dizajna).
3) Usvajanje dvostrukog usisnog radnog kola
Povećajte ulaznu površinu radnog kola i smanjite protok ulazne tečnosti (smanjenje brzine protoka i povećanje pritiska).
4) Korištenje malo većeg pozitivnog ugla napada
Da biste povećali ulazni ugao noža, smanjite savijanje na ulazu noža, minimizirajte blokadu noža i tako povećajte ulaznu površinu;
Poboljšajte radne uslove u uslovima visokog protoka da biste smanjili gubitke protoka. Ali pozitivni ugao napada ne bi trebao biti prevelik, inače će utjecati na efikasnost.
5) Korištenje pumpe niske{1}}brzine
Što je niža brzina rotacije, manji je NPSHr.
6) Upotreba materijala protiv kavitacije
Praksa je dokazala da što je veća čvrstoća, tvrdoća i žilavost materijala, to je bolja njegova hemijska stabilnost i jača otpornost na kavitaciju.
(2) Mjere za povećanje dopuštene kavitacije uređaja
1) Povećajte pritisak nivoa tečnosti u rezervoaru za skladištenje pre pumpe da biste poboljšali efektivnu kavitaciju.
2) Smanjite ugradnu visinu pumpe u usisni uređaj, posebno kada se prenosi topla voda kao medij, i razmotrite odnos između visine usisavanja i temperature medija.
3) Zamijenite usisni uređaj s uređajem za povratni protok.
4) Smanjite gubitak protoka u usisnom cjevovodu prije pumpe. Ako je moguće, skratite cjevovod unutar potrebnog raspona, koristite odgovarajući promjer usisnog cjevovoda i područje filtracije filtera (ako postoji) kako biste smanjili protok u cjevovodu, smanjili broj krivina i ventila i povećali otvor ventila što je više moguće.
5) Ako je kavitacija otvora jaka, može se usvojiti metoda bušenja balansnih rupa na impeleru kako bi se smanjio protok curenja i ublažio stepen kavitacije. Balansne rupe na lopaticama imaju destruktivan i ometajući učinak na protok ubrizgane tekućine na ulazu radnog kola. Površina otvora za balansiranje ne bi trebala biti manja od 5 puta veće površine zaptivnog prstena kako bi se smanjio protok curenja, čime se smanjuje utjecaj na glavni protok tekućine i poboljšava sposobnost pumpe protiv kavitacije.
6) Iskustvo je pokazalo da počevši od mehanizma kavitacije, dodavanjem odgovarajuće količine gasa u usisni otvor može poremetiti uslove za nastanak kavitacije. Međutim, korištenje dopune zraka za sprječavanje kavitacije pumpe je visoko tehničko i samo uz odgovarajuću količinu dopune zraka, lokaciju i metodu mogu se postići dobri rezultati. U suprotnom, to će uzrokovati značajno smanjenje protoka, visine i efikasnosti pumpe, pa čak i dovesti do prekida protoka i štetnih posljedica tokom rada.
S obzirom na poteškoće u kontroli odgovarajuće količine dovoda vazduha i preciznog merenja, u kombinaciji sa praksom autora, preporučuje se upotreba igličastog ventila koji može da podesi brzinu protoka za ventil za dovod vazduha. Tokom-podešavanja na licu mjesta, buka kavitacije se može koristiti za razlikovanje: podešavanje usisnog volumena kroz igličasti ventil dok se buka kavitacije ne svede na minimum (neki sistemi mogu u potpunosti eliminirati buku, ali neki sistemi mogu samo smanjiti buku kavitacije, ne i potpuno je eliminirati), zatim malo podesiti igličasti ventil kako bi se smanjio usisni volumen, pazite da ne dođe do rada pod određenim vremenskim uvjetima rada, dok se ne pojave nenormalni radni uvjeti u određenom periodu rada igličasti ventil. Ova metoda nikada ne bi trebala spustiti zvuk na najniži nivo! Ako je ulazni pritisak pozitivan kada pumpa prestane da radi, treba ugraditi nepovratni ventil kako bi se sprečilo curenje.
7) Istraživanja su otkrila da kada medij sadrži isparljive plinove i čvrste čestice kao što je pijesak, učinak kavitacije pumpe će se smanjiti. Kako bi se osiguralo da pumpa ne doživi kavitaciju, usisnu visinu pumpe treba smanjiti za najmanje 4,2 metra od izračunate visine čiste vode. Ovo je vrijedno pažnje u komunalnoj industriji.