Что такое кавитация? Какой ущерб она наносит насосам? Как предотвратить кавитацию?

Кавитация – это явление, которое может возникать в гидравлических машинах и системах, связанных с жидкостями, таких как клапаны и трубопроводы. Взаимное превращение воды и пара, присущее жидкостям, требует определённых условий температуры и давления. Например, вода испаряется при 100°C и давлении 101325 Па, но только при 30°C и давлении 4243 Па. Аналогично, при постоянной температуре постепенное снижение абсолютного давления у поверхности жидкости приведёт к испарению воды, когда давление опустится ниже определённого порогового значения. Каждому уровню давления соответствует определённая температура испарения, так же как каждому уровню температуры соответствует определённое давление испарения. При течении воды в насосе испарение происходит, когда абсолютное давление в локализованной области падает до или ниже давления испарения при этой температуре, образуя множество пузырьков. Эти пузырьки содержат пар и активные газы, такие как кислород (O₂), которые выделяются из жидкости. Когда эти пузырьки достигают зоны высокого давления насоса, повышенное давление заставляет их быстро деформироваться и схлопываться. Одновременно с этим окружающие частицы жидкости устремляются в пространство пузырька на чрезвычайно высокой скорости, яростно сталкиваясь и создавая интенсивный гидравлический удар. Чем больше пузырек, тем больше давление гидравлического удара во время схлопывания — измеренные значения могут достигать сотен или даже тысяч мегапаскалей. Если схлопывание пузырька происходит вблизи металлических поверхностей, оно создает прямые удары по материалу. Непрерывное образование и схлопывание пузырьков приводит к повторным ударам по металлическим поверхностям, ускоряя усталостную эрозию. Более того, эрозия постепенно повреждает защитное покрытие металла. С ускорением тепла конденсации химически активные газы инициируют химическую коррозию, еще больше разрушая материал. Совместное воздействие эрозии и коррозии преобразует поверхность металла из язвенной в ячеистые или губчатые образования, в конечном итоге приводя к полному проплавлению стенки. Весь этот процесс образования, развития, схлопывания пузырьков и разрушения материала в совокупности называется кавитацией.

Возникновение и развитие кавитации зависят от состояния жидкости (температуры, давления) и физических свойств жидкости (в том числе растворенного газа в примесях).

① Движущаяся кавитация, которая относится к образованию одного временного пузырька и небольших полостей в жидкости, а также росту и схлопыванию потока жидкости, кавитации, вызванной количеством пузырьков, образованию облачного тумана;

2. Фиксированная кавитация. Это кавитация, вызванная кавитацией, прикрепленной к неподвижной границе потока жидкости, также называемая прикрепленной кавитацией. В гидравлических машинах этот вид кавитации является основным.

③ Вихревая кавитация - это пузырьки, образующиеся в центре вихря жидкости, скорость центра вихря большая, давление низкое, легко вызвать кавитацию испарения жидкости; вибрационная кавитация - это кавитация, образующаяся в результате непрерывных колебаний давления высокой амплитуды и высокой частоты в жидкости.

Что вызывает кавитацию водяного насоса?

● Кавитация в основном вызвана неправильной конструкцией насоса и системы, включая необоснованную конструкцию впускного трубопровода насоса, вихревые потоки и возмущения пульпы, чрезмерное попадание пузырьков в насос и высокое содержание газа в пульпе также усугубляют кавитацию.

● Правильная конструкция насоса и системы, выбор износостойких материалов, уменьшение поступления воздуха в насос и правильная регулировка зазора между защитной пластиной со стороны всасывания и рабочим колесом являются ключевыми мерами по минимизации кавитации и износа, тем самым продлевая срок службы насоса.

Какой конкретный ущерб оборудованию может нанести кавитация водяного насоса?

Ущерб, наносимый оборудованию кавитацией водяных насосов, можно разделить на три категории: механические повреждения, снижение производительности и износ материала.

● Механический износ и ударные повреждения

Микроструя и ударная волна, образующиеся при разрыве пузырька, многократно воздействуют на рабочее колесо, корпус насоса и другие компоненты потока, вызывая точечную коррозию, образование язвин, а в серьезных случаях — образование сотовых отверстий или даже проникновение.

Длительное воздействие может привести к отслоению и разрушению кромки лопасти рабочего колеса, истончению внутренней стенки корпуса насоса, а также непосредственному повреждению структурной целостности оборудования.

● Производительность устройства продолжает снижаться

Кавитационные пузырьки будут занимать пространство проточного канала, что приведет к значительному снижению фактической подачи, напора и КПД насоса, и насос не сможет достичь проектного рабочего состояния.

Блокировка потока пузырьками может привести к колебаниям потока и нестабильности давления, что, в свою очередь, усиливает вибрацию насоса и влияет на общую стабильность работы.

●Усталость материала и ускорение коррозии

Ударная нагрузка и знакопеременное напряжение вызывают усталостные трещины в металлических деталях, а распространение трещин может привести к внезапному выходу деталей из строя.

Кавитация разрушает пассивирующую плёнку на поверхности металла, что ускоряет электрохимическую коррозию. Особенно в среде, содержащей кислоты и щелочи, коррозия и кавитация усиливают друг друга, что ещё больше сокращает срок службы оборудования.

Наиболее уязвимая зона кавитации в центробежном насосе

●Передняя крышка с максимальной кривизной рабочего колеса расположена на стороне низкого давления вблизи входной кромки лопатки;

Спиральный язычок и направляющие лопатки в экструзионной камере расположены вблизи стороны низкого давления входной кромки.

● Уплотнительный зазор между внешним краем кромки лопасти высокоскоростного рабочего колеса и корпусом, а также стороной низкого давления кромки лопасти без передней крышки;

Рабочее колесо первой ступени многоступенчатого насоса.

Меры по улучшению антикавитационных характеристик центробежного насоса

● Оптимизировать конструкцию от всасывающего патрубка насоса до области рабочего колеса. Увеличить площадь поперечного сечения потока; увеличить радиус кривизны входного участка крышки рабочего колеса для смягчения резкого ускорения потока и падения давления; уменьшить толщину входного участка лопасти и скруглить входной участок лопасти, приблизив его к обтекаемому профилю, что также способствует снижению ускорения и падения давления на передней кромке лопасти; улучшить качество обработки поверхности рабочего колеса и входного участка лопасти для минимизации потерь на сопротивление; расширить входной участок лопасти в сторону входа рабочего колеса для более раннего ввода рабочей жидкости и, следовательно, повышения давления.

●Предварительное индукционное колесо используется для того, чтобы заставить поток жидкости работать заранее в предварительном индукционном колесе, с целью увеличения давления потока жидкости.

●Конструкция рабочего колеса с двойным всасыванием позволяет жидкости поступать с обеих сторон одновременно, удваивая площадь поперечного сечения входного отверстия и вдвое снижая скорость потока.

●. В конструкции предусмотрено несколько большее значение положительного угла соударения, что позволяет увеличить угол входа лопатки, уменьшить кривизну на входе лопатки, минимизировать засорение лопатки и тем самым увеличить площадь входного отверстия; это также улучшает условия работы при высоких расходах, снижая потери потока. Однако положительный угол соударения не должен быть слишком большим, так как это может повлиять на эффективность.

● Используйте антикавитационный материал. Практика показывает, что чем выше прочность, твёрдость и вязкость материала, тем выше его химическая стабильность и тем выше антикавитационные свойства.

Меры по повышению эффективного кавитационного запаса устройства ввода жидкости

● Увеличить давление уровня жидкости в резервуаре перед насосом, чтобы улучшить эффективный запас по кавитации.

● Уменьшить высоту установки насоса всасывающего устройства.

●Замените устройство подкачки на устройство обратного потока.

● Уменьшите потери потока в трубопроводе перед насосом. Например, максимально сократите длину трубопровода в пределах требуемого диапазона, снизьте скорость потока, минимизируйте использование колен и клапанов и максимально увеличьте площадь открытия клапанов.

● Снизить температуру рабочей жидкости на входе в насос (при приближении перекачиваемой жидкости к температуре насыщения).

Вышеуказанные меры могут применяться в зависимости от выбора насоса, выбора материала и места применения насоса.