Кавитация в насосах¶

Кавитация — процесс образования и последующего схлопывания паровых пузырьков (каверн) в жидкости при снижении локального давления ниже давления насыщенного пара при данной температуре. В насосах кавитация возникает на входе (всасывании), где давление минимально, и является одним из основных ограничений производительности и ресурса насосного оборудования.

¶Причины возникновения

Давление жидкости на входе в рабочее колесо снижается по нескольким причинам:

• гидравлические потери во всасывающем трубопроводе, фильтрах, задвижках и арматуре;
• разница между геометрической высотой подъёма и давлением в резервуаре;
• высокая температура перекачиваемой жидкости, увеличивающая давление насыщенного пара;
• завихрения и неравномерность потока на входе в колесо;
• засорение или обмерзание всасывающей линии.

Если локальное давление опускается ниже давления насыщенного пара, жидкость вскипает, образуя паровые пузырьки. Далее поток переносит их в зону повышенного давления за рабочим колесом, где пузырьки резко схлопываются (имплозируют). Этот процесс и называют кавитацией.

¶Виды кавитации

По механизму возникновения различают:

• Паровую (капиллярную) кавитацию — возникает при падении давления ниже давления насыщенного пара. Наиболее распространённый тип в насосах.
• Газовую кавитацию — вызвана выделением растворённых газов из жидкости при понижении давления.
• Вихревую кавитацию — развивается в местах интенсивных завихрений (у лопастей, в зазорах), где локальное давление падает даже при в целом достаточном давлении на входе.

По локализации в насосе выделяют входную кавитацию (на всасывании перед колесом) и внутреннюю кавитацию (в проточной части, чаще на выходном участке лопастей).

¶Признаки и симптомы

Основные признаки кавитации в работе насоса:

• характерный «булькающий» или «трескущий» шум, напоминающий перекачивание гравия;
• вибрация насосного агрегата, часто нарастающая;
• нестабильная подача и напор, пульсация давления;
• появление на рабочем колесе, направляющем аппарате и улитке ямок, раковин и «эрозионной сетки» — следов от ударов схлопывающихся пузырьков;
• перегрев и разрушение торцевых уплотнений;
• снижение КПД и рост энергопотребления.

При длительной работе в кавитационном режиме металл разрушается со скоростью до нескольких миллиметров в месяц, что приводит к аварийному износу рабочего колеса.

¶Последствия

Кавитация вызывает три основных негативных эффекта:

1. Эрозионное разрушение деталей насоса. Схлопывание пузырьков создаёт локальные гидроудары с давлением, достигающим сотен мегапаскалей, и температурой до 1000 °C в точке имплозии.
2. Потеря производительности. Паровые пробки перекрывают проточную часть, снижая подачу и напор.
3. Вибрация и шум, приводящие к разрушению подшипников, уплотнений и креплений.

¶Защита от кавитации

Основные способы предотвращения кавитации:

• Соблюдение допустимой высоты всасывания. Для каждого насоса производитель указывает величину NPSH (Net Positive Suction Head, положительный напор на входе) — минимальный запас давления на входе, при котором кавитация не возникает. Фактический NPSH системы должен превышать требуемый NPSH насоса с запасом не менее 0,5–1 м.
• Снижение температуры перекачиваемой жидкости — уменьшает давление насыщенного пара.
• Увеличение диаметра всасывающего трубопровода и минимизация местных сопротивлений.
• Подпор со стороны всасывания — установка насоса ниже уровня резервуара или использование подпорного бака.
• Применение инжекторных (эжекторных) насосов для вязких и летучих жидкостей.
• Выбор насоса с большим запасом NPSH — например, многоступенчатых консольных агрегатов или насосов с двойным всасывающим рабочим колесом.
• Установка донного клапана и обеспечение постоянного заполнения всасывающей линии.

¶Кавитационная характеристика насоса

Кавитационные свойства насоса отражаются на его характеристике в виде зависимости подачи от NPSH при фиксированном числе оборотов. Кривая NPSH-подача показывает, при каком значении напора на входе начинается потеря производительности. Точка, в которой подача падает на 3 % относительно бескавитационного значения, принимается за кавитационный предел насоса.

При приближении к этому пределу на кривой «напор — подача» появляется излом, а подача резко снижается независимо от частоты вращения.

¶Методы диагностики

Для выявления кавитации применяются:

• акустический контроль — измерение шума в диапазоне 20–50 кГц, характерного для имплозии пузырьков;
• вибродиагностика с анализом спектра на высокочастотные составляющие;
• визуальный осмотр проточной части после разборки;
• измерение давления на входе и сравнение с кривой NPSH насоса.

В промышленной автоматике для защиты от работы в кавитационном режиме используются датчики давления на всасывании, отключающие агрегат при падении ниже заданного порога.

¶Применение кавитации

Помимо разрушительного действия, контролируемая кавитация используется в технике: в гидродинамических очистных установках, кавитационных гомогенизаторах для диспергирования жидкостей, а также в приборах для измерения скорости потока.

Источники:

• ГОСТ Р 51689-2000. Насосы центробежные. Термины и определения.
• Справочник по насосам / под ред. И. И. Абрамова. — М.: Машиностроение.
• Бронников В. М., Соколов Б. Н. Насосы и насосные станции. — СПб.: Политехника.
• Климишин В. С. Насосы и компрессоры. — М.: Недра.