Кавітація в насосах з роздільним корпусом подвійного всмоктування: причини, конструкція робочого колеса та способи вирішення

Кавітація є однією з найпоширеніших гідравлічних проблем, які впливають на відцентрові насоси, особливо в системах, що включають високу швидкість потоку, вимогливі умови всмоктування або безперервну роботу. Для насосів з роздільним корпусом подвійного всмоктування кавітація може знизити продуктивність гідравліки, збільшити вібрацію та шум, пошкодити поверхні робочого колеса та скоротити термін служби критичних компонентів.

Хоча кавітація часто пов’язана з недостатнім тиском всмоктування, проблема не визначається лише умовами всмоктування. Вхідна геометрія робочого колеса, швидкість потоку, робоча точка, температура рідини та опір всмоктувального трубопроводу впливають на ймовірність кавітації.

Таким чином, підвищення стійкості до кавітації вимагає поєднання відповідного вибору насоса, оптимізації конструкції гідравліки та правильної роботи системи.

У цій статті пояснюється, як розвивається кавітація в насосах із роздільним корпусом подвійного всмоктування, розглядаються два важливі вдосконалення конструкції робочого колеса та представлено практичні методи запобігання кавітації в промислових насосних системах.

 

 

1. Що таке кавітація в насосі з роздільним корпусом?

Кавітація виникає, коли місцевий тиск рідини падає нижче тиску її пари, в результаті чого частина рідини випаровується та утворює маленькі бульбашки пари.

Коли ці бульбашки переміщуються в області вищого тиску всередині насоса, вони швидко згортаються. Повторне згортання бульбашок може спричинити локалізований вплив тиску та пошкодження металевих поверхонь поблизу.

У насосі з роздільним корпусом подвійного всмоктування кавітація зазвичай розвивається навколо вхідного отвору робочого колеса, особливо біля передніх країв лопатей, де локальне прискорення потоку може призвести до зниження тиску.

Типові симптоми включають:

Незвичний тріск або шум, схожий на гравій під час роботи.

Підвищена вібрація і нестабільна робота.

Виїмки або ерозія на поверхнях робочого колеса.

Знижений напір насоса та гідравлічний ККД.

Коливання витрат і тиску нагнітання.

У важких випадках передчасне пошкодження підшипників і механічних ущільнень.

Кавітацію слід відрізняти від повітря, що потрапляє у всмоктувальний трубопровід. Обидва можуть створювати шум і нестабільну роботу, але їх причини та заходи для виправлення різні. Правильна діагностика повинна враховувати тиск всмоктування, стан рідини, робочі дані та результати внутрішньої перевірки.

 

2. Чому насоси з роздільним корпусом подвійного всмоктування чутливі до кавітації?

У насосі з роздільним корпусом подвійного всмоктування зазвичай використовується горизонтально розділений корпус і робоче колесо з подвійним входом. Рідина надходить у робоче колесо з обох сторін, розподіляючи загальний потік між двома вхідними каналами.

Таке розташування забезпечує переваги для застосування з великим потоком і може допомогти збалансувати осьові гідравлічні сили. Однак це не усуває автоматично кавітацію.

Тиск на вході в крильчатку залежить від кількох факторів:

Висока швидкість потоку на вході

Коли рідина проходить через обмежений або погано сконструйований вхідний канал, її швидкість може збільшитися, а місцевий статичний тиск може зменшитися. Якщо місцевий тиск падає нижче тиску пари рідини, можуть утворюватися бульбашки пари.

Невідповідні умови експлуатації

Робота надто далеко від рекомендованого робочого діапазону може спричинити несприятливі схеми потоку, збільшення гідравлічних втрат, розділення потоку та місцеві коливання тиску.

Недостатні умови всмоктування

Висока висота всмоктування, довгий всмоктувальний трубопровід, занижений розмір труби, частково закритий клапан або заблокований сітчастий фільтр можуть збільшити втрати всмоктування та знизити тиск, доступний на вході насоса.

Висока температура рідини

Зі збільшенням температури рідини тиск її пари зазвичай зростає. Це зменшує запас тиску, доступний перед утворенням пари.

Нерівномірний розподіл потоку на вході

Погане розташування всмоктувального трубопроводу, сусідні коліна, різкі зміни діаметра труби або інші перешкоди вище за течією можуть спричинити нерівномірний профіль швидкості. Це може спричинити несприятливі умови потоку на вході в робоче колесо, навіть якщо загальний тиск всмоктування виглядає прийнятним.

Розуміння цих факторів має важливе значення перед тим, як вирішити, чи потребує проблема модифікації системи, перепроектування насоса чи поєднання обох.

 

3. Два важливі вдосконалення конструкції крильчатки для захисту від кавітації

Удосконалення гідравлічної конструкції вхідного отвору робочого колеса може допомогти зменшити локальне прискорення потоку та втрати тиску. Два параметри конструкції, які варто оцінити, це профіль переднього кожуха та діаметр втулки робочого колеса.

3.1 Оптимізуйте радіус повороту переднього кожуха

Передній кожух, який також називають передньою кришкою, утворює частину впускного каналу робочого колеса.

Біля переднього краю лопаті робочого колеса геометрія переднього кожуха впливає на те, як рідина повертається та надходить у канали лопаті. Різкий перехід або невідповідна кривизна можуть сприяти локальному прискоренню, розділенню потоку та несприятливому розподілу тиску.

Оптимізація радіуса повороту переднього кожуха може допомогти створити більш плавний вхідний канал.

Серед потенційних переваг:

Зменшення різких змін напрямку потоку.

Покращення розподілу швидкості рідини біля входу лопаті.

Зниження місцевих гідравлічних втрат.

Допомога в запобіганні несприятливих областей низького тиску біля входу в робоче колесо.

У процесі проектування радіус повороту слід оцінювати разом із шириною входу, геометрією передньої кромки лопаті та загальним проходом робочого колеса.

Більший радіус не є автоматично кращим у кожному насосі. Надмірні геометричні зміни можуть вплинути на прохідний канал, гідравлічні характеристики або можливість виробництва. Остаточний профіль має бути визначений за допомогою гідравлічних проектних розрахунків, обчислювальної гідродинаміки (CFD) і відповідного тестування продуктивності.

3.2 Належним чином зменшіть діаметр втулки робочого колеса

Маточина - це центральна частина робочого колеса, яка з'єднується з валом насоса і передає обертову потужність на робоче колесо.

На етапі проектування зменшення діаметра втулки при збереженні незмінним діаметра входу крильчатки може збільшити доступну площу потоку на вході.

Більша ефективна площа потоку може допомогти зменшити середню швидкість на вході за відповідних умов, потенційно покращуючи розподіл тиску біля вушка робочого колеса.

Однак діаметр втулки також тісно пов'язаний з механічною міцністю.

Перш ніж змінити геометрію втулки, необхідно врахувати наступні фактори:

Діаметр валу і механічна міцність.

Товщина стінки втулки та структурна цілісність.

Матеріал робочого колеса та швидкість обертання.

Концентрація напруг навколо з’єднання втулки та вала.

Вимоги до кріплення та складання робочого колеса.

Гідравлічна продуктивність у передбаченому робочому діапазоні.

Зменшення діаметра втулки без належної оцінки конструкції може послабити робоче колесо або вплинути на надійність обертового вузла.

Тому цю модифікацію слід розглядати як оптимізацію на рівні дизайну, а не як звичайний польовий ремонт. Остаточні розміри повинні задовольняти як гідравлічні, так і механічні вимоги.

 

4. Важливість NPSH у запобіганні кавітації

Геометрія робочого колеса є лише частиною запобігання кавітації. Необхідно також оцінити співвідношення між доступною чистою позитивною висотою всмоктування системи та необхідною чистою позитивною висотою всмоктування насоса.

NPSH означає чисту позитивну висоту всмоктування. Він використовується для оцінки наявності достатнього тиску на всмоктуванні насоса для обмеження утворення пари.

Є два важливі параметри:

NPSHa (доступна чиста позитивна висота всмоктування):NPSH, що забезпечується насосною системою за реальних умов експлуатації.

NPSHr (потрібна чиста позитивна висота всмоктування):Вимоги до NPSH для насоса при заданій швидкості потоку та швидкості, визначені шляхом тестування продуктивності насоса.

Основна умова вибору:

НПШа > НПШр

У практичній інженерії також слід підтримувати відповідний запас міцності. Необхідний запас залежить від конструкції насоса, умов експлуатації, застосовного стандарту та рекомендацій виробника.

NPSHa можна зменшити:

Надмірні втрати на тертя у всмоктуючому трубопроводі.

Висока висота всмоктування.

Низький рівень рідини в живильному баку.

Висока температура рідини.

Заблоковані всмоктувальні клапани або заблоковані фільтри.

Несприятливий тиск в системі.

Насос може мати добре сконструйоване робоче колесо, але все одно відчувати кавітацію, якщо доступний NPSH недостатній. Тому необхідно враховувати як вимоги з боку насоса, так і умови з боку системи.

 

5. Практичні заходи щодо зменшення кавітації в існуючих насосних системах

Крім удосконалення гідравлічної конструкції насоса, кілька регулювань на рівні системи можуть допомогти зменшити кавітацію.

Удосконалити всмоктувальний трубопровід

Використовуйте всмоктувальну трубу відповідного розміру, щоб уникнути надмірної швидкості потоку та втрат на тертя. Тримайте всмоктувальний трубопровід максимально коротким і прямим, уникайте непотрібних колін, різких змін діаметра та обмежувальних фітингів.

Переконайтеся, що всмоктувальні клапани повністю відкриті під час нормальної роботи, а сітчасті фільтри або фільтри регулярно перевіряються та очищаються.

Підтримуйте достатню кількість рідини

Перевірте рівень рідини в живильному резервуарі та перегляньте висоту встановлення насоса. Якщо умови дозволяють, зменшення висоти всмоктування або збільшення статичного рівня рідини може покращити NPSHa.

Для закритих систем переконайтеся, що тиск у системі відповідає температурі рідини та робочим вимогам.

Працюйте поблизу рекомендованого робочого діапазону

Звірте фактичну швидкість потоку з кривою продуктивності насоса виробника.

Уникайте тривалої роботи при занадто низькій або високій швидкості потоку, де може розвинутися гідравлічна нестабільність. Виберіть насос, найкраща точка ефективності та допустимий робочий діапазон якого відповідають очікуваному навантаженню системи.

Контролюйте температуру та умови рідини

Для гарячих рідин оцініть тиск їх пари при фактичній робочій температурі. Зміни температури рідини, складу, в’язкості або вмісту газу можуть вплинути на ефективність всмоктування.

Вимоги до NPSH насоса слід оцінювати для фактичної рідини та робочих умов, а не покладатися лише на довідкові дані на основі води.

Огляньте робочі колеса та внутрішні канали потоку

Під час планового технічного обслуговування перевіряйте передні кромки лопатей крильчатки, кожухи та інші зволожені поверхні на наявність точкових утворень, ерозії, корозії та відкладень.

Якщо виявлено пошкодження, визначте, чи пов’язане воно з кавітацією, абразивним зносом, корозією чи іншим механізмом, перш ніж вибрати метод ремонту.

 

6. Як вибрати насос із роздільним корпусом із кращим опором кавітації

Вибір насоса з відповідними характеристиками всмоктування особливо важливий для водопостачання з великим потоком води, циркуляції охолоджувальної води, зрошення та промислових процесів.

Перш ніж вибрати насос із роздільним корпусом подвійного всмоктування, інженери повинні оцінити таку інформацію:

Фактор відбору	Інформація для підтвердження
Швидкість потоку	Нормальний, мінімальний і максимальний робочий потік
Загальний динамічний напор	Необхідний напор за фактичних умов системи
Властивості рідини	Тип, температура, щільність, в'язкість і тиск пари
Умови всмоктування	Рівень, тиск, висота всмоктування та втрати в трубопроводі
НПШ	Доступні NPSHa та NPSHr, необхідні для насоса
Швидкість насоса	Швидкість двигуна та очікувані умови роботи
монтаж	Умови фундаменту, розташування труб і вхідного потоку
Матеріали	Стійкість до корозії та придатність для перекачуваної рідини

Насос слід оцінювати за його повними кривими продуктивності, включаючи витрату, напір, ефективність, потужність і NPSHr.

Для застосувань з обмеженим тиском всмоктування або вимогливими умовами входу насос із відповідними гідравлічними характеристиками низького NPSH може бути більш доцільним, ніж просто вибір більшого двигуна або моделі з більшою продуктивністю.

 

Висновок

На кавітацію в насосах з роздільним корпусом подвійного всмоктування впливає як насосна система, так і внутрішня гідравлічна конструкція. Недостатній NPSH, надмірна швидкість на вході, несприятливий розподіл потоку та невідповідні умови експлуатації можуть сприяти його розвитку.

На проектному рівні оптимізація радіуса повороту переднього кожуха та належне зменшення діаметра втулки робочого колеса може допомогти покращити умови потоку на вході. Однак ці модифікації необхідно оцінювати разом із міцністю робочого колеса, конструкцією вала, гідравлічними характеристиками та вимогами до виробництва.

Для існуючих установок покращення умов усмоктувального трубопроводу, підтримка адекватного постачання рідини, робота в рекомендованому діапазоні та моніторинг NPSH однаково важливі.

Систематичний підхід, який поєднує надійну гідравлічну конструкцію, точний вибір насоса та правильну роботу системи, може допомогти зменшити кавітаційне пошкодження та підвищити довгострокову надійність промислових відцентрових насосів.