Кавитация – одно из наиболее распространенных явлений, сокращающих срок службы центробежных насосов – как в домашних установках, так и в крупных промышленных и сельскохозяйственных системах. В нашей предыдущей статье Что такое кавитация и как ее предотвратить мы объяснили основы этого явления. В этом тексте мы идем еще дальше – как производитель брендовых водяных насосов. МБО я IPRO мы показываем, как на практике распознать кавитацию на этапе эксплуатации, как рассчитать запас кавитационного запаса при проектировании всасывающей установки и какие аксессуары - контроллеры, инверторы, клапаны, фильтры и манометры - действительно помогают снизить риск ее возникновения. Текст адресован в первую очередь монтажникам и специалистам по техническому обслуживанию, которые ежедневно выбирают и эксплуатируют центробежные насосы.
Явление кавитации в центробежных насосах – что происходит внутри рабочего колеса
Образование кавитации в центробежном насосе имеет весьма специфическую физическую причину. Когда жидкость попадает во входное отверстие рабочего колеса, ее расход быстро увеличивается, и согласно Принцип Бернулли в этот момент давление жидкости падает. Если давление жидкости падает ниже давления насыщенного пара данной жидкости при данной температуре, происходит локальное испарение — в жидкости появляются крошечные пузырьки пара. Именно этот момент — давление жидкости ниже давления пара — является отправной точкой всего явления кавитации.
Пузырьки пара вызывают локальное нарушение непрерывности потока жидкости, но настоящая проблема возникает моментом позже. Крыльчатка насоса перемещает перекачиваемую жидкость из области низкого давления (сторона всасывания) в область более высокого давления (сторона нагнетания). Когда пузырьки пара попадают в область более высокого давления, пузырьки пара бурно взрываются – разрушаясь со скоростью, сравнимой с микроскопическими гидроударами. Энергия, выделяющаяся при этом процессе, настолько велика, что при его повторении тысячи раз в минуту происходит эрозионное повреждение кавитационного материала на поверхности рабочего колеса и корпуса насоса.
Стоит помнить о зависимости: чем ниже давление насыщения данной жидкости в условиях работы установки, тем меньше запас прочности насоса. Таким образом, температура перекачиваемой жидкости оказывает прямое влияние на то, насколько легко будет превышен предел испарения.
Газовая кавитация и классическая паровая кавитация – два разных механизма
В монтажной практике стоит различать два явления, которые часто путают. Классическая паровая кавитация возникает, когда падение давления пара настолько велико, что жидкость испаряется локально внутри насоса – это описанный выше механизм. Газовая кавитация имеет иное происхождение: это выделение растворенных в жидкости (обычно в воздухе) газов в результате перепада давления без необходимости достижения давления насыщенных паров. Оба явления приводят к схожим последствиям – колебаниям давления, потере эффективности и шуму – но их первопричины различны, а значит, и разные методы противодействия им.
Газовая кавитация чаще всего возникает при негерметичности всасывающего трубопровода, где в установку попадает воздух, а также при неправильном выборе скорости потока в зависимости от диаметра трубопровода. Классическая паровая кавитация, в свою очередь, тесно связана с условиями работы на стороне всасывания насоса – высотой всасывания, температурой среды и гидравлическим сопротивлением.
Что увеличивает риск кавитации в установке — всасывающая сторона насоса под лупой
Подавляющее большинство случаев кавитации в монтажной практике возникает на стороне всасывания насоса, а не на стороне нагнетания. К наиболее частым причинам, повышающим риск кавитации, относятся:
- Высота всасывания насоса слишком велика – чем глубже насос должен всасывать жидкость, тем ниже статическое давление на стороне всасывания и, следовательно, тем меньше запас давления испарения.
- Всасывающая труба слишком длинная или слишком узкая – вызывает потери давления, пропорциональные квадрату скорости потока, что дополнительно снижает давление на входе в рабочее колесо.
- Повышенная температура жидкости – при повышении температуры увеличивается давление насыщенных паров, а значит, запас прочности снижается даже при одинаковой геометрии установки.
- Утечки, засасывающие воздух – типично для всасывающих установок с резьбовыми соединениями или изношенными уплотнениями.
- Расход слишком высок по сравнению с параметрами насоса. – работа вне характеристической кривой, с КПД, значительно превышающим оптимальную точку.
На практике это означает, что всасывающий центробежный насос, работающий на длинном всасывающем трубопроводе, при повышенной температуре среды и большой высоте всасывания, гораздо больше подвержен зонам кавитации, чем тот же насос, питаемый от резервуара, расположенного близко к уровню установки. Выбрав погружные насосы вместо насосов, всасывающих с поверхности, во многих случаях можно полностью устранить проблему со стороны всасывания – рабочее колесо тогда работает залитым жидкостью, что значительно снижает риск падения давления пара ниже уровня давления пара. Наш обзор Погружные насосы IBO показаны решения, используемые в таких, более гидравлически сложных случаях.
НПШ, НПШав и НПШр – как спроектировать кавитационностойкие насосы
Важнейшим параметром, позволяющим оценить риск возникновения кавитации на этапе проектирования установки, является NPSH (Net Positive Suction Head), т.е. превышение давления всасывания над давлением испарения жидкости. В технической документации центробежных насосов мы находим два значения, которые необходимо сравнить:
- НПШав (имеется) – располагаемое избыточное давление, обусловленное конкретной установкой: высота всасывания, длина всасывающего трубопровода, температура жидкости и атмосферное давление в месте установки.
- НПШр (обязательно) – требуемое избыточное давление, указанное производителем насоса для заданной рабочей точки на характеристической кривой. Это значение обусловлено конструкцией рабочего колеса и системы центробежного насоса, используемых в данной модели.
Основное правило, которое должен знать каждый монтажник: насосы должны быть спроектированы так, чтобы NPSHav всегда было явно выше, чем NPSHr – на практике рекомендуется запас прочности в 0,5-1 метр столба жидкости. При несоблюдении этого условия работа насоса практически неизбежно приводит к кавитации, независимо от того, насколько хорошим является качество самого центробежного насоса. Поэтому при выборе поверхностных или погружных насосов для конкретной установки выбору конкретной модели должен предшествовать расчет реального NPSHav для заданных условий эксплуатации, а не наоборот.
Симптомы кавитации при работе насоса
Кавитацию можно распознать еще до того, как произойдет необратимое повреждение компонентов насоса. Общие симптомы включают в себя:
- характерный шум, напоминающий работу насоса, перекачивающего гравий или мелкие камешки – это звук схлопывания пузырьков пара,
- повышенная вибрация корпуса насоса и трубопровода, превышающая нормальный рабочий уровень,
- неравномерная, пульсирующая работа насоса и колебания давления, видимые на манометре на напорной стороне,
- заметное падение КПД насоса при неизменных параметрах установки,
- более быстрое, чем обычно, повышение температуры подшипников и торцового уплотнения.
Установка манометра на стороне всасывания и нагнетания насоса является одним из простейших средств диагностики - внезапное, неоднократное падение давления на стороне всасывания зачастую за несколько часов или дней работы установки предшествует появлению слышимых симптомов кавитации.
Эффекты кавитации – повреждение компонентов насоса
Длительная эксплуатация в условиях кавитации приводит к необратимому и дорогостоящему повреждению насоса. Наиболее характерны так называемые кавитационные ямы — неравномерные губчатые потери материала на поверхности ротора, в местах, где схлопывание пузырьков пара происходит наиболее интенсивно. В запущенных случаях кавитационное повреждение материала поражает и корпус насоса в районе проточных каналов.
Кавитация редко работает изолированно – обычно она сопровождается дополнительными эффектами:
- ускоренный износ и негерметичность торцового уплотнения вала вследствие вибраций и местных перепадов давления,
- повреждение подшипников двигателя из-за вибраций, передаваемых на вал,
- снижение эффективности насоса и увеличение потребления электроэнергии по отношению к достигнутому эффекту,
- в крайнем случае – полная потеря проходимости крыльчатки и необходимость ее замены.
Важно отметить, что повреждения комплектующих насоса, возникшие в результате кавитации, обычно не покрываются гарантией производителя, поскольку являются следствием неправильного выбора или эксплуатации установки, а не производственного брака устройства. Тем выгоднее предотвратить это явление уже на этапе проектирования и ввода системы в эксплуатацию.
Как предотвратить кавитацию на практике – выбор оборудования и установки
Эффективное снижение риска кавитации редко сводится к одному действию – обычно это сочетание правильного выбора насоса и соответствующего монтажного оборудования. В нашем предложении, помимо циркуляционных насосов, циркуляционные насосы, погружные насосы, погружные насосы и поверхностные насосы марок IBO и IPRO, имеются элементы, непосредственно поддерживающие стабильную, безкавитационную работу системы:
- Инверторы (преобразователи частоты) – регулируя скорость двигателя насоса в соответствии с текущим потреблением воды, они ограничивают работу насоса в тех точках характеристик, где риск кавитации наибольший. Подробнее о принципе их работы напишем в статье. Погружной насос – виды, установка и преимущества инвертора, а конкретные модели и аксессуары можно найти в разделе инверторы и аксессуары.
- Контроллеры насосов – контролировать давление и рабочие параметры в режиме реального времени, отключая насос до наступления длительной работы в условиях кавитации или сухого хода. Явление сухого хода, тесно связанное с темой кавитации, более подробно описано в тексте. Что такое сухой ход насоса и как от него защититься?.
- Обратные и запорные клапаны — правильно подобранные и установленные во всасывающем трубопроводе, они снижают риск возникновения воздушных пробок и резких перепадов давления при запуске насоса.
- Фильтры – установленные на стороне всасывания, они предотвращают попадание твердых загрязнений в рабочее колесо, что косвенно защищает и без того ослабленные кавитацией рабочие поверхности от дополнительной механической эрозии.
- Манометры – обеспечить постоянный контроль давления на стороне всасывания и нагнетания, что позволяет обнаружить первые симптомы кавитации задолго до того, как возникнут слышимые и видимые повреждения.
При выборе конкретной модели также стоит воспользоваться нашим общим руководством. Водяные насосы Dambat – руководство по типам и применению (IBO/ IPRO), что помогает подобрать тип насоса в соответствии с характером установки перед расчетом параметров NPSH.
Выбор насоса для конкретного применения – на что обратить внимание
При проектировании или модернизации установки стоит помнить, что одного выбора марки или мощности двигателя будет недостаточно, если игнорировать гидравлический баланс стороны всасывания. Рекомендуемая последовательность действий при выборе кавитационностойкого насоса следующая:
- Определение фактической высоты всасывания насоса, а также длины и диаметра всасывающего трубопровода в конкретной установке.
- Расчет потерь давления из-за гидравлического сопротивления, колен, клапанов и длины всасывающей трубы.
- Определение температуры перекачиваемой жидкости и считывание соответствующего давления насыщенных паров по таблицам.
- Определение доступного NPSHav для данной установки и сравнение его со значением NPSHr, предоставленным производителем для запланированной рабочей точки.
- Если запас слишком мал, рассмотрите возможность изменения местоположения насоса (например, погружную установку вместо поверхностной установки), укорочение всасывающего трубопровода или использование модели с меньшим NPSHr.
В предложение входят как модели, предназначенные для домашнего использования, так и решения для сельскохозяйственных и промышленных установок, в т.ч. Поверхностные насосы IBO для мелких выстрелов и погружные насосы предназначен для глубоких скважин, где правильный расчет высоты всасывания особенно важен. Если есть сомнения, наш технический отдел будет рад помочь Вам подобрать модель под конкретные параметры установки.
Часто задаваемые вопросы (FAQ)
Чем кавитация отличается от обычного шума насоса?
Шум работы насоса обычно постоянный и монотонный, а звук, сопровождающий кавитацию, напоминает прессование гравия или мелких камней – он неравномерен и появляется внезапно, чаще всего при изменении рабочей точки насоса, например при повышенном расходе воды.
Может ли возникнуть кавитация в погружном насосе?
Риск гораздо ниже, чем у поверхностных всасывающих насосов, поскольку рабочее колесо работает залитым жидкостью, что устраняет проблему высоты всасывания. Однако кавитация в погружных насосах может возникнуть, когда насос работает близко к уровню грунтовых вод или при скорости потока, слишком высокой по сравнению с мощностью источника.
Как быстро кавитация разрушает насос?
Это зависит от интенсивности явления. При небольшом, периодическом превышении NPSHr первые следы эрозии на роторе могут появиться уже через несколько месяцев эксплуатации. В случае сильной, продолжительной кавитации серьезные повреждения компонентов насоса могут произойти уже через десяток часов работы.
Полностью ли исключает риск кавитации инвертор?
Инвертор ограничивает работу насоса в неблагоприятных точках характеристической кривой и помогает поддерживать стабильное давление, но не заменяет правильную конструкцию стороны всасывания. Если NPSHav установки значительно ниже NPSHr насоса, простая регулировка частоты вращения двигателя не устранит проблему.
Насколько важна температура воды для риска кавитации?
По мере увеличения температуры жидкости давление насыщенного пара увеличивается, уменьшая доступный запас NPSHav. Следовательно, та же установка, которая безопасно работает с холодной водой, уже при повышенных температурах среды может создавать области кавитации.
Достаточно ли манометра для диагностики кавитации?
Манометр на стороне всасывания и нагнетания является весьма полезным диагностическим средством, показывающим колебания давления, характерные для кавитации, однако полную диагностику следует дополнять наблюдением за шумом, вибрацией и анализом параметров установки (высота всасывания, длина трубопровода, температура жидкости).
