Кавитационный запас насоса: как избежать опасной кавитации

Кавитация - разрушительное явление, способное вывести из строя даже самый надежный насос. Но как же рассчитать этот самый кавитационный запас, чтобы обезопасить работу насосного оборудования? Давайте разберемся!

Что такое кавитация и почему она опасна

Кавита́ция (от лат. cavitas — пустота) — это процесс образования в жидкости пузырьков (полостей), которые затем схлопываются, высвобождая огромное количество энергии. Этот процесс сопровождается характерным шумом и гидравлическими ударами.

В насосах кавитация возникает, когда в результате местного понижения давления жидкость закипает - часть ее переходит из жидкой фазы в газообразную, образуя пузырьки пара. Затем эти пузырьки попадают в зону с более высоким давлением и схлопываются, вызывая гидравлические удары.

Последствия кавитации разрушительны:

• Характерный резкий шум
• Повышенная вибрация
• Снижение подачи и напора насоса
• Ускоренный износ проточной части

В итоге кавитация приводит к преждевременному выходу насосного оборудования из строя.

Например, насосы из армированного фторопласта, рассчитанные на температуру жидкости до 120°С, вышли из строя, перекачивая жидкость 86°С. Причиной стала кавитация из-за неправильного проектирования системы без учета кавитационного запаса.

Ключевые понятия и определения

Чтобы разобраться с кавитационным запасом, нужно понимать разницу между видами давления:

• Абсолютное давление - относительно вакуума, 1 атм = 101325 Па
• Избыточное давление - разница между абсолютным и атмосферным
• Полное давление $\bar{p} = p + \frac{\rho v^2}{2}$ - сумма статического и динамического
• Статическое давление $p$ - в покоящейся жидкости
• Динамическое давление $\frac{\rho v^2}{2}$ - за счет движения жидкости

Кавитацио́нный запас (NPSH) - разность между полным давлением на входе в насос и давлением насыщенного пара жидкости:

NPSH = $p_{вход} + \frac{\rho v^2}{2} - p_{нас.пара}$

Различают располагаемый кавитационный запас NPSHA системы и требуемый запас NPSHR насоса. Чтобы избежать кавитации, NPSHA должен превышать NPSHR.

О том, как на практике определить критический кавитационный запас насоса NPSH3, речь пойдет дальше.

Как экспериментально определяется критический кавитационный запас NPSH3

Для определения критического кавитационного запаса NPSH3 проводят специальные испытания насоса. Суть такова:

1. Устанавливают нужный режим работы насоса (расход Q и напор H)
2. Постепенно снижают давление на входе в насос (например, задвижкой)
3. Фиксируют значение NPSH, при котором напор насоса падает на 3% - это и есть NPSH3

Такая процедура повторяется при разных расходах, результаты наносятся на график зависимости NPSH3 от подачи. Получается характеристика критического кавитационного запаса насоса.

На что влияет величина кавитационного запаса

Величина кавитационного запаса насоса зависит от многих факторов:

• Подача Q - чем больше, тем выше NPSHR
• Диаметр рабочего колеса - меньший диаметр => бóльший NPSHR
• Частота вращения - пропорциональна NPSHR
• Материал рабочего колеса - влияет на гидравлику потока

Поэтому при подборе насоса важно анализировать кривые кавитационного запаса в каталоге.

Как обеспечить достаточный кавитационный запас

Чтобы обезопасить насос от разрушительной кавитации, есть несколько путей:

• Выбрать насос с запасом по параметру NPSHR
• Повысить уровень жидкости во всасывающем резервуаре
• Уменьшить расход дросселированием
• Увеличить диаметр всасывающей линии

При выборе насоса с подрезанным колесом обязательно проверить расчет кавитационного запаса.

Особенности кавитационного запаса центробежного насоса

У центробежных насосов есть ряд особенностей кавитационного запаса:

• Резко возрастает с увеличением подачи
• Сильно зависит от диаметра рабочего колеса
• В 2-3 раза больше, чем у вихревых насосов

Поэтому при выборе центробежного насоса особенно важно учитывать эти факторы.

Допускаемый кавитационный запас насоса

Допускаемый кавитационный запас насоса - это минимально необходимый запас, указанный производителем в техдокументации.

Он рассчитывается по формуле:

ДКЗ = (1...1,3) × NPSH₃

Где NPSH₃ - критический кавитационный запас.

Соблюдение значения ДКЗ - обязательное условие для безаварийной работы насоса.

Рекомендации по расчету кавитационного запаса в реальных условиях

Для практического расчета кавитационного запаса в конкретной системе рекомендуется:

1. Определить параметры системы: давление, температура, расход жидкости;
2. Найти характеристики выбранного насоса в каталоге;
3. Рассчитать располагаемый кавитационный запас NPSHA по формуле с учетом потерь;
4. Сравнить NPSHA с требуемым запасом насоса NPSHR;
5. При необходимости скорректировать параметры системы.

Подробные примеры расчета кавитационного запаса можно найти в специальной литературе.

Методы повышения кавитационного запаса насоса

Чтобы увеличить кавитационный запас насоса, можно предпринять следующие меры:

• Установка приемных клапанов или эжекторов;
• Применение насосов с предвключенным рабочим колесом;
• Использование насосов двустороннего входа;
• Установка выносных рабочих колес;
• Подача легкокипящих жидкостей под избыточным давлением.

Пример расчета кавитационного запаса центробежного насоса

Рассмотрим пример расчета кавитационного запаса для центробежного насоса при следующих условиях:

• Расход Q = 100 м3/ч
• Напор H = 25 м
• Температура жидкости t = 80°C
• Давление насыщенного пара ппар = 0,4 бар
• Потери во всасывающей линии Δh = 3 м

По формуле получаем:

NPSHA = 10 м (атм. давление) - 0,4 бар (давл. насыщ. пара) - 3 м (потери) = 6,6 м

Сравниваем с требуемым запасом насоса NPSHR = 4 м.

Так как NPSHA > NPSHR, условие отсутствия кавитации соблюдено.

Меры безопасности при эксплуатации насосов

Чтобы предотвратить опасную кавитацию, необходимо:

• Соблюдать значения кавитационного запаса в эксплуатации;
• Периодически проверять состояние трубопроводов и арматуры;
• Контролировать давление и температуру рабочей жидкости;
• Своевременно очищать фильтры на всасывающей линии;
• Выполнять регламентные работы согласно инструкциям.

Соблюдение этих мер позволит продлить срок службы насосного оборудования.

Нестандартные способы борьбы с кавитацией

Иногда применяют нестандартные методы борьбы с кавитацией:

• Установка гидроаккумуляторов на напорных линиях;
• Использование специальных демпферных покрытий;
• Применение устройств гашения гидроударов;
• Установка струйных аппаратов, улучшающих всасывание.

Хотя такие методы эффективны, но достаточно дорогостоящие и используются редко.

Гораздо надежнее изначально обеспечить достаточный кавитационный запас на этапе проектирования системы.