Кавитация при центробежни помпи

ОВКСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 4, 2011

    Центробежните помпи са сред най-широко разпространените видове помпи в промишлеността. Освен във водоснабдителни и отоплителни инсталации, те имат и редица други приложения. Широкото им разпространение в практиката се обуславя от немалкото им предимства, сред които висок к. п. д., плавно изменение на мощността, възможност за регулиране, лесно обслужване и експлоатация и т. н. Естествено, те имат и някои недостатъци, сред които е склонността им към кавитация, която се явява един от основните проблеми, свързан с експлоатацията на центробежни помпи, дължащ се на факта, че при тях засмукването на течността е при налягане по-ниско от атмосферното. Известно е, че в центробежните помпи придвижването на течността и необходимият напор се създават за сметка на възникващите центробежни сили, следствие от въздействието на лопатките на работното колело върху течността.
Кавитацията обикновено се свързва с интензивно образуване на мехурчета, запълнени с пара и газ, в самата течност, тяхното нарастване и последващо свиване при преминаването им през помпата (фиг. 1). Образуването на мехурчетата може да е следствие от изпаряването на изпомпваната течност или поради наличието на разтворени газове, най-често въздух. Обикновено, центробежните помпи успяват да се справят с разтворения във водата въздух, без това да води до кавитация. От друга страна, дори количеството да се увеличи и да доведе до кавитация, тя рядко води до повреди в помпата. Ефектът се изразява предимно в загуба на мощност. Това е причината, когато се говори за кавитация и проблемите свързани с нея, да се има предвид кавитацията, предизвикана от изпаряване на течността следствие от понижаване на налягането.

Особености на процеса
Превръщането на течността в пара обикновено е следствие от понижаване на налягането до т. нар. налягане на насищане. Обикновено на входа на помпата се създава област на понижено налягане (по-ниско от атмосферното), под действието на което течността постъпва в помпата. Ако налягането на потока течност се понижи до налягането на насищане, то тогава се наблюдава кипене на течността, съпътствано от образуването на мехурчета. Ако не настъпи промяна в условията на работа, образуването на нови мехурчета продължава, а вече образувалите се нарастват. Заедно с течността те се пренасят от работното колело към изхода на помпата. Следствие от въртенето на работното колело мехурчетата достигат много висока скорост. Те се движат по ръбовете на лопатките на работното колело (фиг. 2), налягането около тях започва да се увеличава, докато не се достигне точка, в която налягането от външната страна на мехурчета е по-голямо от налягането вътре в тях. При тези условия парата кондензира и започва интензивно свиване на мехурчетата. Процесът протича по всяка перка на работното колело, като приблизително в една и съща точка едновременно се свиват стотици мехурчета. Свиването протича несиметрично, а течността около тях се опитва да запълни освобождаващото се пространство с голяма скорост, формирайки тънки струи. В тази ситуация, макар и за кратко, налягането в сгъстяващата се паро-газова фаза нараства значително. Твърди се, че налягането при което се свиват мехурчетата е по-голямо от 1 GPa (145x106 psi). Това може да доведе до ерозия на вътрешните повърхнини и елементи на помпата. За най-застрашени от кавитационно разрушаване се считат входящите ръбове на работните и направляващите лопатки и дисковете на работното колело. Кавитацията е съпроводена и от отделянето на характерен шум и възникването на вибрации в помпата. Това налага създаването на такива условия, при които няма опасност от възникване на кавитация, тъй като работата на помпата в условия на кавитация дори за кратък период от време може да доведе до нежелани последици както за оборудването, така и за процеса.

Причини за възникване
Една от характеристиките на центробежните помпи, която има пряко отношение към възникването на кавитация, е тяхната смукателна височина. Именно голямата смукателна височина е една от основните причини за понижаване на налягането до критичната му стойност, а правилното й определяне е сред предпоставките за предпазване на помпата от кавитация. Други причини за възникване на кавитация могат да бъдат повишаване на температурата на течността, увеличаване на хидравличните загуби в смукателната тръба, значително увеличаване на дебита над номиналния и други.

Показатели за наличието на кавитация
Ясен показател за наличието на кавитация по време на експлоатация са генерирането на силни шумове, вибрации и нестабилна работа на помпата. Колебанията в потока и понижаването на налягането се случват с внезапно и драстично намаляване на напора и мощността на помпата. В зависимост от размера и количеството на образуваните мехурчета и трудностите при тяхното свиване, проблемите с помпата варират от частична загуба на мощност до напълно нарушаване на процеса на изпомпване, съпроводено от непоправими щети за вътрешните елементи.
Намаляването на мощността на помпата е поради факта, че при преминаването на водата от течно в газово състояние, нейният обем се увеличава, което води до намаляване на свободното пространство за течността. При значително увеличаване на количеството мехурчета може да се достигне състояние, в което помпата да не може да засмуква течност. Поради неравнопоставеността и неравномерното формиране и разпадане на мехурчета, възникват колебания в потока и транспортирането на течността се случва на струи. Наблюдава се и драстичен спад в напора на помпата.
Генерирането на шум и вибрации по време на кавитация се дължи на високата скорост на придвижване на мехурчетата от зона на ниско налягане към зона с високо налягане и последващото им свиване, което създава шокови вълни, явяващи се източник на необичайни звуци и вибрации. Изчислено е, че по време на разпадането на мехурчета се получава натиск от порядъка на 104 атмосфери. Звукът на помпа, работеща при кавитация, може да варира от нисък до висок. Специалистите обаче предупреждават, че не всеки подобен звук се дължи на кавитация. Звукът от помпата по време на кавитация лесно може да бъде сбъркан със звука от повреда в лагер в двигателя на помпата, например.
Ерозия и корозия на материала
По време на кавитация разпадането на мехурчетата настъпва при звукова скорост, предизвиквайки разрушителни микроструи, движещи се с изключително висока скорост (до 1000 m/s). Тези струи течност могат да предизвикат ерозия върху частите на помпата и най-вече върху лопатките. В процеса на свиване мехурчетата са стремят да се свият от всички страни. Но ако мехурчето е близо до метална повърхност, то не може де се свие от тази страна. Така че флуидът, идващ от противоположната страна с висока скорост, удряйки се в метала, създава впечатлението, че металът е бил ударен като с чук. Това причинява пластични деформации на материала. Сред най-засегнатите елементи на помпата от кавитационната ерозия са перките на работното колело. Степента на ерозия на материала зависи от редица фактори като наличието на чужди вещества в течността, температура на течността, възрастта на оборудването и скоростта на свиване на мехурчетата.
Освен ерозия на части на помпата, по-голямата продължителност на работа в условия на кавитация може да доведе до нарушаване на радиалните и аксиалните товари на работното колело. Този нарушен баланс може да доведе до различни механични проблеми като огъване или деформация на валовете, повреда в лагерите, работното колело, уплътненията и т. н.
Често кавитацията е съпроводена и с корозия, поради разрушаването на защитния повърхностен слой на елементите, което ги прави податливи на химични въздействия.

Мерки възпрепятстващи кавитацията
Според специалисти, едно от необходимите условия за предпазване на помпата от кавитация е правилно да се определи смукателната й височина. Известно е, че се различават геодезична и вакууметрична смукателни височини, като геодезичната се определя като вертикалното разстояние от свободната повърхност на течността в смукателния резервоар до характерно място на входа на помпата, а вакууметричната - като изразеният в [m] вакуум на входа на помпата.
За да се избегне вероятността от възникване на кавитация, е необходимо енергията на входа на помпата да е по-голяма с т. нар. кавитационен запас (NPSH) от енергията на наситените пари, или, помпата следва да се монтира на по-малка геодезична смукателна височина от допустимата.
Стойността на кавитационния запас зависи от конструкцията на помпата и се явява важна характеристика на центробежните помпи. Кавитационния запас също така зависи и от производителността на помпата, поради което за удобство той се представя във вид на графика (фиг. 3). Знаейки кавитационния запас, може да се оцени височината на засмукване, с която помпата може да издигне течността, така както при условие, че няма кавитация.




ЕКСКЛУЗИВНО

Top