Что такое кавитационный запас цнс

Задача по перекачиванию горячих жидкостей, а также вопрос высоты самовсасывания насоса до появления кавитации (закипания) ставится перед нами достаточно часто. Поэтому было принято решение предельно ясно и доходчиво на реальном примере объяснить обозначение терминов, а также физических свойств жидкостей и газов, скрывающихся под иностранными сокращениями HPSHa и NPSHr. Это важно, так как если пренебречь расчётом кавитационного запасом в точке установки насоса, то кавитация неизбежно приведёт к чрезмерному износу и выходу из строя насоса. Такая поломка не является гарантийным случаем и повлечёт к финансовым потерям. Серьёзность обозначена, приступаем!

Начать нужно с того, что практически у каждого насоса есть определённый кавитационный запас - то есть высота столба жидкости, который насос может удерживать, перекачивавая продукт через себя. Данные по кавитационному запасу насоса в той или иной рабочей точке необходимо получить на заводе-изготовителе. Так, в примере, который мы будем рассматривать, насос Argal TMR 16.15, будучи установленным в режиме циркуляции горячей жидкости, работал с давлением 1,5 Бар (данные взяты с манометра на напорной магистрали).

Теперь обратимся к заводскому графику, представленному выше. Мы видим, что при давлении 1,5 Бара (15 метров) пересечение с рабочей кривой производительности происходит в точке 16 м. куб. в час, опуская перпендикуляр от которой до точки пересечения с кривой кавитационного запаса видим пересечение с ней в точке равной 4,3 метра. Что это значит? Это значит, что при работе насоса с давлением напора 1,5 бара (15 метров) его производительность составляет 16 м. куб. в час, а скорости проходящей через него жидкости достаточно для того, чтобы удерживать столб высотой 4,3 метра ниже насоса. То есть если начать поднимать насос вверх над уровнем жидкости, которую он всасывает, то вплоть до высоты 4,3 метра насос жидкость всасывать в себя сможет, а дальше - нет. В качестве слова "кавитационный запас" в данном случае можно использовать более понятное слово разряжение. То самое разряжение, которое создаётся в трубочке, через которую мы с вами втягиваем остатки сока со дна стакана. Ведь чтобы втянуть жидкость со дна стакана нам нужно создать втягивающее усилие, это и есть то самое разряжение, которое создаётся потоком жидкости в насосе. В нашем примере оно равно 4,3 метра (0,43 Бар со знаком минус, потому что разряжение).

Это самое втягивающее усилие (сила разряжения) является величиной, которую необходимо учитывать для нормальной работы насоса, то есть в заводских графиках она носит характер обязательного требования и обозначается в международных стандартах NHPSr (Net Positive Suction Head Requested - требуемое значение подпора на всасывающем патрубке). Это означает, что для работы насоса требуется, чтобы подпор был не более минус 4,3 метра. Более того, по общему правилу для всех динамических центробежных насосов в инструкциях по их эксплуатации содержится требование, что необходимо иметь дополнительный запас к NHPSr насоса равный не менее чем 1 метр. Получаетя 5,3 метра. Запомним эту цифру.

Далее вернёмся на урок физики средней школы, к разделу, связанному с закипанием воды - явлением, связанным с высвобождением из жидкости растворённых в ней газов. В любой жидкости растворено некоторое количество газов, которые удерживаются в ней балансом между давлением этих газов, стремящихся вырваться наружу, и давлением, удерживающим их внутри жидкости. Когда баланс смещается и давление насыщенных паров превышает давление на их удержание внутри жидкости, происходит всем нам известный процесс кипения. Баланс этот можно нарушить или нагревом жидкости, увеличив тем самым давление насышенных паров, или уменьшением внешнего давления, удерживающего газы внутри жидкости. Так, общеизвестен пример со школьной скамьи, что в горах, например, на высоте 6000 метров, вода закипает при температуре 81°С, потому что атмосферное давление на этой высоте равно 353 мм. ртутного столба (0,47 Бар), а не 740 мм. ртутного столба (0,98 Бар), как в привычной нам обстановке средней полосы России. В условиях атмосферного давления 0,47 Бар давление насышенных паров достигает этой отметки и начинается кипение при температуре 81°С.

Далее к нашему рабочему примеру. Насос был установлен на циркуляцию горячей жидкости со дна ёмкости обратно в её верхнюю часть. На манометре перед насосом давление подпора показывало 1,2 Бар - это положительное давление созданное двумя метрами жидкости над насосом. Один Бар - атмосферное и 0,2 Бар - это столб воды. Запомним эту цифру. При таком давлении закипание воды происходит при температуре около 104°С.

Однако! Несмотря на положительный подпор и давление на входе равное 1,2 Бар, вода в насосе начинала закипать с характерным треском и вибрацией при температурах значительно ниже 104°С. И вот почему. В статье мы объяснили происхождение двух основных цифр. Первая - кавитационный запас насоса (разряжение), равное в нашем примере 5,3 метра, с учётом требуемого запаса в 1 метр. Вторая - это подпор (давление) со стороны всасывающей магистрали, равное в нашем примере 1,2 бар (12 метров).

Осталось всего лишь вычесть из подпора 12 метров силу разряжения насоса 5,3 метра, чтобы установить с каким давлением жидкость циркулирует в насосе. Получается 12 минус 5,3 равно 6,7 метра (0,67 бара или 502.54 мм.ртутного столба). При давлении 0,67 бара закипание воды наступает при температуре около 88°С. Несложно посчитать, что при подпоре в 1,1 Бар температура закипания воды в насосе составит 84°С.

Наш пример описывает реальную жизненную ситуацию, когда приобретённые насосы из армированного фторопласта, рассчитанного на перекачивание жидкостей с температурой до 120°С вышли из строя, перекачивая жидкость с температурой в районе 86°С из-за небрежного проектирования гидравлической системы, в ходе которого не были взяты в рассчёт условия, приведшие к кавитации.

Просим Вас быть внимательнее при работе с горячими жидкостями!

О самом явлении кавитации и её последствиях можно почитать в статье на нашем сайте тут:
Если не взрываются пузырьки или чем так опасна кавитация?

Кавитационный запас, удельная скорость всасывания и энергия всасывания

При разработке насосных систем, важно обеспечить отвечающий требованиям кавитационный запас для правильной эксплуатации насоса. Неудовлетворительный кавитационный запас может серьезно ограничить выбор насоса или даже заставить сделать дорогостоящее изменение конструкции системы. С другой стороны, обеспечение завышенного кавитационного запаса может излишне увеличить стоимость системы. Удельная скорость всасывания может оказать помощь в данной ситуации.
Её значение определяется как:


Где N - скорость насоса (об/мин)
м3/ч - Расход насоса в точке наивысшего КПД на входе рабочего колеса (Для насосов с рабочим колесом двухстороннего всасывания расход делится на два)
NPSH - кавитационный запас насоса в точке наивысшего КПД.
Для данного насоса, удельная скорость всасывания, в общем случае, постоянна - она не меняется, когда меняется скорость насоса. Опыт показывает, что 9000- достаточное значение удельной скорости всасывания. Насос с минимальной удельной скоростью всасывания 9000 полностью годен и не имеет поводов к жестким эксплуатационным ограничениям.

Пример:
Расход 454 м3/ч; напор 183 метра. Какое значение кавитационнго запаса требуется?
Предположим: для напора 180 метров, требуется работа на 3550 об/мин


Смежная проблема существует при выборе нового насоса в существующих системах, особенно при больших расходах. Удельная скорость всасывания выделит применения, где кавитационный запас может ограничить выбор насоса.
Пример:
Существующая система: Расход 454 м3/ч; напор 183 метра: NPSHa 9 метров. Какова максимальная скорость, при которой насос может работать без превышения кавитационного запаса?


Для работы насоса на такой скорости требуется редуктор, и на этой скорости насос может не развить требуемый напор. Как минимум, кавитационный запас ограничивает выбор насоса.

Система такая же. Целесообразен ли выбор насоса двухстороннего всасывания? Для насоса двухстороннего всасывания, расход делиться пополам.


Использование насоса двухстороннего всасывания один из способов обеспечения кавитационного запаса системы.

Количество энергии в перекачиваемой жидкости, которая мгновенно испаряется и затем схлопывается обратно в жидкость в области высокого давления при входе в рабочее колесо, определяет степень шума и/или повреждения от кавитации. Энергия всасывания определяется как:


Где De= диаметр на входе рабочего колеса (в дюймах)
Sg= Плотность жидкости (1,0 для холодной воды)
Высокая энергия всасывания начинаются от 160х10 6 для насосов с односторонним всасыванием и 120х10 6 для горизонтальных насосов двухстороннего всасывания. Предельно высокая энергия всасывание начинается от 1,5 кратного значения высокой энергии всасывания. Для вычисления диаметр на входе рабочего колеса обычно принимается как 90% от размера всасывающего патрубка, для насосов одностороннего всасывания, и 75% от размера всасывающего патрубка, для насосов двухстороннего всасывания.

Пример:
Удельная скорость всасывания 9000, скорость насоса 3550 об/мин, размер всасывающего патрубка 6 дюймов, плотность 1,0, насос одностороннего всасывания.


Так как 173х10 6 >160х10 6 , это насос с высокой энергией всасывания.

РАБОТА ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА БЕЗ ПРОБЛЕМ С КАВИТАЦИОННЫМ ЗАПАСОМ

Общее
Существует большой количество подробных публикаций о важности значения кавитационного запаса. На практике, однако, ошибки делаются постоянно, с повреждением насоса и даже с выходом из строя в итоге всей системы. Поэтому эти рекомендации предназначены показать, каким образом кавитационный запас системы может быть сделан более подходящим, используя разные параметры, и какие критерии важны при выборе насоса.

NPSH означает допустимый кавитационный запас. Система, в которой, к примеру, холодная вода течет в насос с высоты 1м без перепада давления имеет значение NPSH примерно 11м (не 1м).

NPSH =11 m
A = available

В данном случае, может быть использован только насос со значением NPSHr 10.5м и меньше, в целях безопасности имеется разница 0,5м

NPSH = 10.5 m
R = required

Кавитационный запас системы
Здесь приводится стандартная формула, которая полностью соответствует практике. Использованы последние обозначения в соответствии с DIN 24 260 Часть 1, редакция сентябрь 1986г.


NPSHA (ранее NPSHavail)в метрах, допустимый кавитационный запас
ρ1 (ранее ρs ) в барах
Избыточное давление во всасывающем патрубке прямо перед насосом (в случае, если давление ниже атмосферного, значение берется со знаком минус)

ρ_amb (ранее ρ_B ) в барах абс.
Атмосферное давление (стандартно 1,013 бар абс.)

ρv (ранее ρD ) в барах абс.
Давление насыщенных паров жидкости при рабочей температуре.

ς в кг/дм3
Плотность жидкости при рабочей температуре.

V1 (ранее VS ) в м/с
Скорость перекачиваемой жидкости во всасывающем патрубке.

Эти данные относятся непосредственно к центру всасывающего патрубка. Для упрощения ускорение свободного падения принимается не 9,81 м/с2, а 10,0 м/с2.

Пример 1

Советы для решения проблем с кавитационным запасом.

NPSH_{r -кавитационный запас износа}

Это значение может быть грубо вычислено, но обычно определяется на испытательной установке, на определенной скорости насоса, при определенном диаметре рабочего колеса и при определенной скорости подачи. Значение кавитационного запаса насоса NPSHR определяется уточнением полного напора насоса при различных подпорах на всасывании. С целью получения различных подпоров на всасывании, давление в питающем резервуаре понижается посредством дроссельного устройства. Сочетание этих методов часто используется с целью достижения пониженного давления.

Чем больше разрежение на входе рабочего колеса, тем большая кавитация происходит. Это ослабляет общей напор насоса. Значение, при котором общий напор насоса падает на 3% в результате такой кавитации принято называть значением кавитационного запаса насоса NPSHR.
Необходимы несколько тестов при одной подачи и при разных давлениях во всасывающем патрубке, прежде чем, посредством повторяющихся измерений, вычислений и т.п., определится 3-х процентное падение напора.

Что такое кавитация?

Кавитация – процесс нарушения сплошности жидкости и возникновения в ней полостей, заполненных газом или паром. При попадании жидкости в область более высокого давления, полости всхлопываются, выделяя при этом энергию, которая разрушает поверхность рабочих колес насоса, что приводит к вибрации и повышенному шуму. Кавитация крайне негативно влияет на насос и в конечном итоге может привести к выходу насоса из строя.

Что такое кавитационный запас насоса?

Кавитационный запас насоса – минимальное давление жидкости на входе в насос, при котором насос не будет кавитировать.
Кавитационный запас насоса обозначается как NPSHr (Net Positive Suction Head Required) и часто называется как требуемый кавитационный запас насоса. Для бескавитационной работы насоса должно соблюдаться условие, чтобы допускаемый кавитационный запас системы NPSHa превышал требуемый кавитационный запас насоса (NPSHr) как минимум на 0,5 метра:

NPSHa ≥ NPSHr + 0,5 м,

где:
NPSHa (Net Positive Suction Head Available) –допускаемый кавитационный запас системы, в которой установлен насос.

Как определить кавитационный запас NPSHr и NPSHa ?

Требуемый кавитационный запас насоса NPSHr определяется изготовителем насоса и указывается в листах технических данных на насос.
Допускаемый кавитационный запас системы NPSHa рассчитывается самостоятельно, исходя из конкретных условий системы, и определяется следующей формулой:

NPSHa = Рж + L – (Δp + Pнп),

где:
Рж – давление жидкости в резервуаре всасывания, м (в случае открытой системы – атмосферное давление), м
L – геометрическая высота всасывания (отрицательна, если уровень жидкости расположен ниже уровня расположения насоса), м
Δp –суммарные гидравлические потери во всасывающем трубопроводе, м
Pнп – давление насыщенных паров жидкости при максимальной рабочей температуре жидкости, м

Зависит ли кавитационный запас насоса от температуры перекачиваемой жидкости?

Нет, кавитационный запас насоса не зависит от температуры перекачиваемой жидкости, а определяется лишь конструктивными особенностями проточной части насоса.

Как определить максимальную высоту всасывания насоса при расположении насоса выше уровня воды (перекачка воды из реки, водоема)?

При монтаже насоса выше уровня воды необходимо правильно рассчитать высоту расположения насоса, чтобы избежать возникнования кавитации. Соотношение, которое необходимо проверить в этом случае: NPSHa ≥ NPSHr, при этом это условие равенства значений является предельно допустимым.

NPSHa = Patm + Hg - Δp, где:

Patm – атмосферное давление, равное 10,33 м
Hg – разность отметок расположения насоса и уровня воды (высота расположения насоса), м
Δp – суммарные гидравлические потери во всасывающем трубопроводе, м
NPSHr – определяется изготовителем и указывается в листах технических данных.
Таким образом, максимальная высота всасывания насоса определяется как:

Hg = NPSHr – Patm + ∑Δp

Как ориентировочно определить мощность насоса, зная только напор и подачу?

Для определения ориентировочной мощности насоса можно использовать следующую формулу: N = 0,0027*Q*H/η, где:

N – мощность насоса, кВт
Q – расход насоса, м 3 /ч
H – напор насоса, м
0,0027 – переводной коэффициент
η – КПД насоса (от 0,5 до 0,9)

Как рассчитать напор повысительной насосной установки для многоквартирного жилого дома?

Напор, который необходимо обеспечить в системе водоснабжения, определяется тремя факторами: статическим напором, остаточным давлением и гидравлическими потерями в системе. Общий требуемый напор представляет собой сумму этих трех факторов.
Статический напор (Не) – разность высот между точкой, на которой находится повысительная насосная установка, и самой высокой точкой водоразбора в здании. Если высота здания неизвестна, то ее можно вычислить по высоте составляющих его этажей, которая принимается равно порядка 3 м.
Остаточное давление (Hr) – минимальное давление, которое должно быть обеспечено в наименее выгодно расположенной точке водоразбора (обычно 30 м).
Гидравлические потери в системе (Нс) – суммарные потери по всей длине трубопровода и местные сопротивления в клапанах, отводах, фильтрах и т.д. Для обычных систем водоснабжения величину потерь можно принять равной 0,05 м на каждый метр статического напора.
К примеру, вычислим требуемый напор повысительной насосной установки для 4-х этажного здания.
Статический напор (Не) = 4 (этажа)*3(высота каждого этажа) = 12 м.
Остаточное давление (Hr) = 30 м.
Гидравлические потери в системе (Нс) = 12 м (статический напор)*0,05 = 0,6 м.
Общий требуемый напор составит: Н = 12 + 30 + 0,6 = 42,6 м.

You are using an outdated browser.
Please upgrade your browser to improve your experience.

• Главная страница
• Статьи
• Кавитация и NPSH (net positive suction head – кавитационный запас)

NPSH (net positive suction head), т. е. кавитационный запас – одно из наиболее проблемных понятий в гидравлике насосов. Во многих статьях говорится о проблемах, вызываемых кавитацией, но, как правило, не раскрывается само это понятие. Ниже упрощённо объясняются связи кавитации и NPSH (кавитационного запаса)

При составлении системы с центробежным насосом и выборе насосов во избежание проблем следует всегда учитывать требование кавитационного запаса (именуемого в дальнейшем NPSH).

Если давление насыщенных паров перекачиваемой жидкости падает ниже абсолютного давления жидкости в зоне входа на лопатки рабочего колеса, то в жидкости образуются пузырьки пара. При работе насоса образовавшиеся пузырьки пара движутся вдоль поверхности лопатки рабочего колеса от центра в сторону. (Рис. 1)

При движении пузырьков таким образом постоянно возрастает давление жидкости, окружающей пузырьки пара. Когда пузырёк достигает зоны, в которой давление окружающей жидкости больше, чем давление внутри пузырька, пузырёк разрушается – коллапсирует. Это явление является противоположностью взрыву. Как правило, таких пузырьков сотни, и они все коллапсируют на лопатке рабочего колеса практически на одной линии.

Такой коллапс создаёт как гидравлические, так и механические проблемы. И для предотвращения данной ситуации и устанавливается изготовителем насоса требование минимально потребного кавитационного запаса, при котором данное явление не возникает или же оно минимально. Это требование обозначается NPSHr, а единицей является метр высоты столба жидкости. (NPSHr – “required” – требуемый кавитационный запас, т. е. необходимый для работы насоса).

Коллапсирующие пузырьки создают специфический звук, будто в насосе движутся камешки. Шум может оказаться настолько сильным, что начнёт оказывать существенное влияние на рабочую среду.

Третьим проявлением являются механические повреждения, которые происходят в результате кавитации. Кавитация создаёт сильную вибрацию, поскольку чередующиеся на рабочем колесе пузырьки газа и жидкость создают неравномерную нагрузку. Лопаясь, каждый пузырёк создаёт также ударную волну, которая с течением времени разрушает рабочее колесо, постепенно вырывая материал с его поверхности. Скорость такого процесса, т. е. количество удаляемого материала зависит от интенсивности кавитации и от материала рабочего колеса.

Если рабочее колесо состоит из ферритового материала, такого, например, как чугун, то при прокачке воды чугун корродирует и, в то же время, в результате ударной волны происходит эрозия материала. Если используемый материал является более коррозионностойким, как, например, бронза, то мы имеем дело только с эрозией, вызванной ударной волной, однако меньшая прочность этого материала приводит к тому, что на нём образуются следы эрозии, схожие с чеканкой – напоминающие поверхность, обработанную молоточком для чеканки. Материалы с высокой коррозионной стойкостью, такие, как нержавеющая сталь, дуплексная сталь и т. п. благодаря своей твёрдости дольше выдерживают воздействие эрозии от ударной волны, т. е. кавитации, однако с течением времени агрессивная кавитация разрушает любое рабочее колесо и выводит из строя подшипники насоса.

С течением времени кавитация образует в рабочем колесе отверстие, однако ещё до этого возникают механические проблемы, поскольку рабочее колесо больше не является сбалансированным, и вибрация разрушает как подшипники, так и уплотнения.

Выше описан результат, возникающий при нарушении нормы NPSH (допускаемого кавитационного запаса). Ниже приводим примерный подход на практике к значениям NPSH.

NPSHa (NPSH “availible” – располагаемый).

* Используем международно принятый способ написания) рассчитывается по формуле:

NPSHa = p – Hh + Hs – Hvp, где (1)

p – абсолютное давление,

Hh – это потери в трубопроводе от трения

HS – статическая высота уровня жидкости от оси рабочего колеса насоса.

Hvp – давление насыщенных паров жидкости

Все единицы представлены в метрах или в футах водяного столба.

В открытой системе при давлении воздуха 760 мм рт. ст. со стороны нашей атмосферы NPSHa (располагаемый кавитационный запас насоса) составляет 10,33 м.в.ст. Данное давление влияет на уровень жидкости (в формуле p).

На практике используется единица м.в.ст. (метры водяного столба, кратко – метры, англ.: mwc – meter water column)

Необходимо помнить, что если мы оперируем с жидкостями, удельный вес которых не равен единице, то полученный в результате произведенных действий результат следует всегда умножать на удельный вес жидкости.

При выборе насосов необходимо обеспечить, чтобы: NPSHa > NPSHr

(NPSHr – “required” – требуемый кавитационный запас, т. е. необходимый для работы насоса).

На рисунке 3 приведены следующие размеры:

Hs – статическая высота всасывания, Формула 1

Hd – статическое дифференциальное давление насоса.

Абсолютное дифференциальное давление насоса получим, прибавив к данному статическому значению потери в трубопроводе при движении жидкости.

Для нормальной работы насоса необходимо, чтобы допускаемый кавитационный запас насоса (NPSH D) превышал требуемый кавитационный запас насоса (NPSH R) В качестве предупредительной меры безопасности следует добавить дополнительный запас надежности в 0,5 м к значению требуемого запаса, в результате чего мы получим:
NPSH_D > NPSH_R+ 0,5 м

Если насос работает с повышенным всасыванием, происходит разряжение на входе во всасывающий патрубок, давление падает, появляются пузырьки-каверны и жидкость преобразуется в пар. Появление пузырьков, которые лопаются при входе в патрубок нагнетания, ведет к возникновению процесса кавитации, наносящего серьезные повреждения механическим частям насоса.

Нежелательные явления, вызываемые кавитацией, - это разрушение внутренних поверхностей насоса, вибрация и шумы. Чрезмерная кавитация, как правило, сопровождается сильным шумом и повреждением насоса; средняя кавитация ведет к небольшому снижению подачи, высоты, производительности и преждевременному износу.

NPSH (Net Positive Suction Head) или чистая позитивная высота всасывания представляет собой разницу между осевым давлением жидкости при нагнетании и давлением насыщенного пара при температуре перекачивания.

Существуют два вида NPSH:
Расчётный NPSH является характеристикой установки, независимой от вида насоса и выводится путем применения принципа сохранения энергии между свободной поверхностью жидкости и всасыванием:

Требуемый NPSH является параметром насоса, указываемый производителем и выражающийся следующим уравнением:

Ниже приводится основная формула, выражающая нормальную работу насоса на всасывание:

Где:
H_a - Геометрическая высота всасывания в метрах. Она может быть положительной в случаях, когда уровень жидкости находится ниже оси насоса, или отрицательной, если этот уровень выше.
Р_a - Атмосферное давление или давление в резервуаре всасывания в кг/см2.
Р_ca - Потери давления при всасывании (трубопровод, клапаны, изгибы и принадлежности, и т.д.), в м.
T_v - Давление насыщенного пара при температуре перекачивания, в кг/см2.
γ - Удельный вес жидкости, в кг/см2.
V_a 2 /2g - Динамическая высота соответствующая скорости жидкости на входе в насос, в м/сек.
H_z - Минимально необходимое давление непосредственно на участке перед лопастями рабочего колеса в м

Возьмем за исходные параметры насоса, приведенные в практическом примере расчета манометрической высоты. При этом температура воды равняется 60°С, а высота над уровнем моря - 600 м.

Основываясь на данных расчета манометрической высоты, получаем:
T a : 60 С
Т_v: 0,2031 кг/см2
γ: 0,9831 кг/дм3
Р_a = 10,33 - 600/900 = 9,66 mса

По техническому каталогу ESPA находим значение NPSHr на соответствующей кривой номинальной высоты столба над всасывающим патрубком для насоса FN 80-200/300 (2900 об\мин), оно равно 3,85 м.

Таким образом, насос будет бесперебойно работать в установке, даже если параметры близки к расчетным. Давление пара зависит от температуры жидкости и высоты над уровнем моря и для правильного расчета следует использовать нижеприведенную таблицу:

Зависимость атмосферного давления от высоты над уровнем моря рассчитывается по следующей формуле:
Р_a (м) = 10,33 - Высота (м) / 900

Физически это явление объясняется тем, что в жидкости всегда присутствует какое-то количество растворенного газа.

Физически это явление объясняется тем, что в жидкости всегда присутствует какое-то количество растворенного газа.

При движении жидкости в ней могут возникать зоны разрежения. В результате выделяются пузыри.

Попадая с потоком в зону более высоких давлений, пузыри схлопываются, выделяя энергию, которая разрушает поверхность рабочих колес насоса, улиток и т.д.

Эта энергия также создает ударные волны, вызывающие вибрацию, распространяющуюся на рабочее колесо насоса, вал, уплотнения, подшипники, повышая их износ.

Возникновение кавитации в насосе обусловлено разными причинами ( Любой вид кавитации связан с неучетом важных правил гидравлики и гидродинамики).

Кавитация - это главный источник проблем с насосами.

Каждый насос характеризуется величиной кавитационного запаса ∆hтр, обозначаемой западными насосными фирмами NPSHR. Это то минимальное давление, в пределах которого у жидкости, попадающей в насос, сохраняется состояние собственно жидкости. Величину ∆hтр в номинале и кривую зависимости ∆hтр от подачи/напора обязан предоставлять производитель насоса.

Насос в станцию необходимо подбирать, устанавливать и обвязывать так, чтобы он располагал в зоне своей работы (определяется наложением характеристик насосов и системы водоводов) тем допустимым кавитационным запасом ∆hдоп (или NPSHA), величина которого была бы выше ∆hтр (NPSHA > NPSHR).

Иными словами ∆hдоп – есть потенциальная энергия жидкости у всасывающего отверстия насоса ∆hдоп = Ha + Hs – Hvp -Hf -Hi, где Ha – атмосферное давление (10 м водного столба на уровне моря); Hs – статический напор (положительный или отрицательный), определяемый как разность уровней между свободной поверхностью жидкости и осью насоса, м; Hvp – давление паров перекачиваемой жидкости, зависящее от температуры, м; Hf – потери на трение во всасывающей линии, м; Hi – потери в пространстве между горловиной и головкой рабочего колеса насоса (если неизвестны, можно принять равными 0,6 м).

Пример. Нужно определить геометрическую высоту всасывания Но для насоса с ∆hтр = 7,0 м.

Расчетом из таблиц получаем потери: на входе в насос Hi = 0,6 м; на трение во всасывающей линии Hf = 0,3 м; на задвижке Нv = 0,1 м; на конфузоре Нк = 0,1 м; давление насыщенных паров Hvp = 0,2 м. Величина Но равна Hs со знаком минус.

Для получения искомой Но применим систему из трех уравнений.

∆hдоп = 1,1 ∆hтр, где 1,1 – коэффициент запаса, принимаемый в зависимости от условий работы насоса 1,1 – 1,5 .

Но = – Hs,(4.2) так как уровень воды отрицательный по отношению к оси насоса.

∆hдоп = Ha + Hs – Hvp – Нк – Нv – Hf -Hi (4.3)

Отсюда Но = -(1,1 ∆hтр – Ha + Hvp + Нк + Нv + Hf +Hi ) или

Но = -(1,1 * 7,0 – 10 + 0,2 +0,1 + 0,1 + 0,3 + 0,6) = -(-1,0) = 1 м.

Требуемый кавитационный запас ΔhTP обычно вычисляют по характеристике, представляемой производителем насоса. Кривая ΔhTP начинается с точки нулевой подачи и медленно растет с увеличением. Когда подача превышает точку наибольшего КПД насоса кривая ΔhTP резко возрастает, по экспоненте. Зона справа от точки максимального КПД обычно является кавитационно опасной. Кавитационный запас не поддается контролю с точки зрения механики, и оператор насосной станции (особенно если он не ознакомлен с характеристиками насосов ) улавливает по металлическому шуму и щелчкам уже развитую кавитацию. К сожалению, на рынке слишком мало приборов, позволяющих наблюдать и предотвращать кавитацию. Хотя датчик давления всасывающей стороне насоса, подающий сигнал тревоги при падении давления ниже допустимого для конкретного агрегата, мог бы и должен бы применяться повсеместно.

Многие операторы знают, что звук пропадает после прикрытия задвижки. Но, снижая тем самым подачу и кавитацию, можно не достичь технологических параметров производственного процесса или водоснабжения / водоотведения. Для того, чтобы правильно устранить кавитацию нужно использовать принцип – на входе в насос должно всегда быть жидкости больше, чем на выходе. Вот несколько простых способов как этого достичь:

- замените диаметр всасывающего патрубка на больший;

- переместите насос ближе к питающему резервуару, но не ближе 5-10 диаметров всасывающей трубы;

- понизьте сопротивление во всасывающей трубе, заменой ее материала на менее шероховатый, задвижки на шиберную, характеризующуюся меньшими местными потерями, удалением обратного клапана;

- если всасывающая труба имеет повороты, уменьшите их количество и (или) замените отводы малых на большие радиусы поворота, сориентировав их в одной плоскости (иногда правильно заменить жесткую трубу гибкой);

- увеличьте давление на всасывающей стороне насоса повышением уровня в питающем резервуаре либо снижением оси установки насоса, либо использованием бустерного насоса.

Изложенные способы просты и понятны любому специалисту, но далеко не всегда этим руководствуются.

Простой пример. Рассматрим проект, выполненный авторитетной проектной организацией. Насосы с подачей 1400 м3/ч оборудованы задвижками диаметрами 400 мм с напорной и 300 мм со всасывающей стороны . Это неверно. Всасывающий патрубок должен быть больше напорного!

Оказалось, что патрубки имеют одинаковые диаметры по 300мм. Чем руководствуется насосная фирма догадаться не трудно. С подходящим под данную подачу всасывающим патрубком Ø400 или Ø500 возросли бы размер улитки и цена. Но, если бы проектировщик подсчитал получаемые скорости на входе в насос 5,5 м/с, а за насосом 3,1 м/с, то смог бы убедить заказчика отказаться от насоса, способного кавитировать, хотя и менее дорогого.

В насосной станции смонтированы агрегаты сухой горизонтальной установки выше уровня воды в приемном резервуаре на 2,8м.

Их номинальные параметры: Q=3500 м3/ч, Н=26м, ∆hтр(NPSHR)=7.7м. Насосы кавитируют. Реально они работают в точке Q=3900 м3/ч, Н=24м, где ∆hтр(NPSHR)=8,6м. Диапазон производительности насосной станции 6 000-10 000 м3/ч.

С помощью формулы этого параграфа подсчитываем ∆hдоп(NPSHA)=5.8м. Отсюда ∆hдоп 1,1∆hтр=6,6м

Угрозы кавитации нет.

Энергетические затраты по вариантам показывают явное преимущество в использовании бустерных насосов, а денежная разность их (2081 272 руб) сравнима с закупочной ценой за агрегат.

Кроме того установка редукционного клапана не исключит проблем:

Наличие воздуха во всасывающем трубопроводе, следовательно, неустойчивой работы насосов;

Уменьшения ресурса работы подшипниковых узлов и уплотнений (при подаче 2000 м3/чач насос работает на границе ограничения по Qmin, с повышенными осевыми и радиальными силами)

Таким образом, можно оценить целесообразность и эффективность мероприятий по устранению кавитации.