Анализ кавитации рабочего колеса центробежного насоса

1. Природа кавитации
Кавитация, представляющая собой комбинированный физико-химический разрушительный процесс, протекает в три этапа:

Локальное испарение: Когда локальное давление на входе в рабочее колесо или в зоне низкого давления падает ниже давления насыщенного пара жидкости при ее рабочей температуре, жидкость закипает, образуя многочисленные паровые пузырьки (полости).

Схлопывание и повреждение пузырьков: Эти пузырьки переносятся потоком в зону высокого давления рабочего колеса, где окружающее давление резко возрастает, вызывая их практически мгновенное схлопывание. Это схлопывание генерирует интенсивные ударные волны и микроструи с локальным давлением, достигающим сотен мегапаскалей, которые действуют в течение микросекунд и на участках микронного масштаба.

Усталость и эрозия материала: Эти ударные волны многократно (тысячи раз в секунду) воздействуют на металлическую поверхность рабочего колеса, вызывая механическую и коррозионную усталость. Это постепенно приводит к отрыву металлических зерен и образованию ямок, сот или губчатой ​​эрозии на поверхности.

2. Специфические опасности кавитации для насосов

Снижение производительности: Пузырьки пара закупоривают каналы потока, нарушают целостность потока жидкости и вызывают значительное падение расхода насоса, напора и эффективности, часто создавая разрыв в кривой производительности.

Вибрация и шум: Интенсивное образование и схлопывание пузырьков вызывают сильную вибрацию насоса и характерные потрескивающие или шипящие звуки, что ухудшает стабильность и условия работы.

Повреждение рабочего колеса:

Механическая точечная эрозия: создает характерную сотовую структуру.

Электрохимическая коррозия: энергия, выделяющаяся при разрушении, уничтожает защитный пассивный слой рабочего колеса (особенно важный для нержавеющей стали), ускоряя химическую коррозию. Совместное воздействие приводит к чрезвычайно быстрой потере материала.

В тяжелых случаях это может привести к перфорации рабочего колеса и полному выходу насоса из строя.

Сокращение срока службы: повреждение рабочего колеса в сочетании с ускоренным износом подшипников и уплотнений из-за вибрации значительно сокращает интервалы технического обслуживания и общий срок службы насоса.

3. Идентификация и диагностика

Звук: Постоянный треск, щелчки, шипение или шипение насоса, напоминающий звук перекачивания гравия.

Эксплуатационные характеристики: При постоянной скорости и положении клапана происходит внезапное или постепенное падение расхода, давления на выходе (напора) и тока двигателя (потребляемой мощности).

Вибрация: Аномально высокие показатели вибрации насоса, особенно в осевом направлении.

Визуальный осмотр: после завершения работ разборка выявляет характерные сотовые дефекты на обратной стороне входных кромок лопаток (зона низкого давления).

4. Основные причины (в системах циркуляции воды)

Недостаток доступного НПШ (НПШа): основная причина.

Чрезмерная высота установки насоса: Насос установлен слишком высоко над уровнем подаваемой жидкости.

Чрезмерные потери в всасывающем трубопроводе: Слишком длинная, узкая всасывающая труба, имеющая слишком много отводов или засоренные фильтры/сетчатые фильтры/обратные клапаны, увеличивает падение давления.

Высокая температура жидкости: Плохой теплообмен или высокая тепловая нагрузка в системе повышают температуру воды и ее давление пара, снижая НПШа.

Низкое давление в системе: Колебания давления или недостаточное количество подпиточной воды в замкнутых системах приводят к снижению давления в всасывающем резервуаре.

Требуемый высокий уровень давления насоса (НПШр):

Несовершенство конструкции насоса или неблагоприятная геометрия входного отверстия рабочего колеса/высокая скорость потока на входе.

Износ или засорение рабочего колеса, что ставит под угрозу первоначальную гидравлическую конструкцию.

5. Профилактика и решения

Оптимизация конструкции системы (увеличение НПШа):

Снизьте высоту установки насоса; по возможности используйте затопленное всасывание (уровень жидкости выше осевой линии насоса).

Оптимизируйте всасывающие трубопроводы: сократите длину, увеличьте диаметр, минимизируйте количество фитингов/клапанов и регулярно очищайте фильтры/сетчатые фильтры.

Контроль температуры жидкости: обеспечение эффективной работы градирен, теплообменников и т. д.

Стабилизация давления в системе: поддержание надлежащего давления и подпитки в закрытых системах.

Правильный отбор и модификация (снижение НПШр):

Выбирайте насосы с достаточным запасом прочности: обеспечьте наличие достаточного запаса НПШа шшшш НПШр (обычно ≥ 0,5-1,0 м).

Выбирайте насосы, устойчивые к кавитации: модели с двухвсасывающими рабочими колесами (более низкая скорость потока на входе) или с лопатками входного отверстия.

Модификация рабочего колеса: Замените стандартное рабочее колесо на модель с антикавитационными свойствами (с более толстыми входными кромками, специальными аэродинамическими профилями) или профессионально измените/подрежьте входное отверстие стандартного рабочего колеса, придав ему более острый и тонкий профиль.

Эксплуатация и техническое обслуживание:

Наплавка/покрытие: нанесение кавитационно-стойких материалов (например, сплавов на основе кобальта, карбида вольфрама) методом лазерной наплавки, плазменного напыления или наплавки.

Полимерные покрытия: для менее ответственных применений используйте высокоэффективные эпоксидные покрытия.

Поврежденные рабочие колеса следует незамедлительно отремонтировать или заменить.

Избегайте работы на малых расходах: внутренняя рециркуляция при низких расходах способствует кавитации. Работайте в пределах предпочтительного рабочего диапазона насоса (БЭП).

Использование частотно-регулируемых приводов (ЧРП): значительное снижение скорости насоса уменьшает его НПШр (пропорционально квадрату скорости), что является эффективным решением.

Защита и ремонт поверхностей:

Краткое содержание
Кавитация рабочего колеса центробежных насосов — это системная проблема, возникающая из-за дисбаланса, при котором доступный чистый положительный напор на всасывании (НПШа) системы недостаточен для удовлетворения требуемого чистого положительного напора на всасывании (НПШр) насоса. Решение заключается в двойном подходе: увеличении подачи и снижении спроса — повышении НПШа системы при одновременном снижении НПШр насоса. Благодаря систематическому проектированию, выбору, эксплуатации и техническому обслуживанию кавитацию можно эффективно предотвращать и контролировать.