Kavitacija je pogosta težava med delovanjem centrifugalnih črpalk, ki lahko povzroči povečanje vibracij in hrupa črpalke, zmanjšanje učinkovitosti in resne poškodbe komponent.
Ta članek ne raziskuje strokovnega teoretičnega znanja o kavitaciji, temveč le poskuša z razmeroma preprostim jezikom zagotoviti podroben uvod v več običajnih vrst kavitacije v centrifugalnih črpalkah, nevarnosti kavitacije in pogosto uporabljene ukrepe za izboljšanje kavitacije na mestu.
1. Vrste kavitacije
Glede na mesto nastanka lahko kavitacijo razdelimo na kavitacijo rezila, kavitacijo z režo, grobo kavitacijo, kavitacijo votline in kavitacijo povratnega toka.
(1) Foliarna kavitacija
Ko pride do kavitacije, nastajanje in pokanje mehurčkov v glavnem poteka na sprednji in zadnji strani lopatic, znano tudi kot kavitacija zračnega profila, ki je glavna oblika kavitacije v centrifugalnih črpalkah. Ko je črpalka nameščena previsoko, se lahko na zadnji strani vstopa in izhoda lopatic pojavi območje nizkega{1}}tlaka, tudi če črpalka deluje pod načrtovanimi pogoji:
1) Ko črpalka deluje v pogojih visokega pretoka, pride do ločitve toka in vrtincev na sprednjem robu lopatic, kar ustvarja podtlak, ki lahko povzroči kavitacijo na sprednjem delu lopatic.
2) Ko črpalka deluje v pogojih nizkega pretoka, se na zadnji strani lopatic ustvarijo vrtinci, ki ustvarjajo nizko{1}}tlačno območje in povzročijo kavitacijo na zadnji strani lopatic.
(2) Kavitacija reže
Nanaša se na kavitacijo, ki nastane, ko tekočina teče skozi ozek kanal ali režo, kar povzroči lokalno povečanje hitrosti pretoka in zmanjšanje tlaka na uparjevalni tlak komponent toka.
V reži med -obrabno odpornim obročem ohišja centrifugalne črpalke in zunanjim robom (pokrivno ploščo) rotorja pod razliko v tlaku (zlasti velika razlika v tlaku) na obeh straneh vstopa in izstopa rotorja tekočina na izhodni strani teče nazaj z veliko hitrostjo, kar povzroča lokalni padec tlaka in kavitacijo
V majhni reži med zunanjim robom lopatic črpalke z aksialnim tokom in ohišjem črpalke lahko pod vplivom razlike v tlaku med sprednjim in zadnjim delom lopatic visoka povratna hitrost tekočine v reži povzroči tudi lokalni padec tlaka, kar povzroči kavitacijo na ustreznem zunanjem robu lopatic v ohišju črpalke in tvori satovje in hrapavo površinsko kavitacijsko območje na zunanjem robu črpalke. rotor in lopatice.
(3) Groba kavitacija
Groba kavitacija se nanaša na ustvarjanje vrtincev za izboklinami, ko tekočina teče skozi neravno površino komponent hrapavega toka znotraj ohišja črpalke, kar povzroči lokalni padec tlaka in povzroči kavitacijo.
Med ulivanjem in obdelavo pretočnih komponent črpalke lahko površinske neravnine, luknje v pesku, zračne luknje itd. povzročijo nenadne spremembe v stanju lokalnega pretoka in povzročijo kavitacijo.
(4) Kavitacija votline
Kavitacija v votlini se nanaša na nastanek spiralnega vrtinčnega pasu v sesalni komori na vstopu v črpalko zaradi slabih pogojev dovoda vode ali nezadostne globine potopitve. Ko se centralni tlak vrtinčnega pasu zmanjša na tlak uparjanja, se pojavi tudi kavitacija, ki jo spremljajo močne vibracije.
(5) Refluksna kavitacija
Na splošno je predpogoj za kavitacijo NPSHa
Ko je pretok črpanja prenizek ali je vstopni tlak previsok, pride do povratnega toka. Ko je pretok črpanja prenizek, pride do notranjega refluksa na vstopu v rotor; Ko je vhodni tlak črpalke previsok, pride do notranjega refluksa na izstopu iz rotorja. Notranji refluks povzroči povečanje hitrosti pretoka tekočine, dokler izhlapevanje ne povzroči mehurčkov, ki nato počijo pod višjim okoliškim tlakom. Ko na sesalni odprtini pride do notranjega povratnega toka, se okrog sesalne odprtine črpalke oddaja neenakomeren prasketanje, ki ga spremlja visoko-intenzivni zvok detonacije.
Refluksno kavitacijo lahko na splošno izboljšamo z naslednjimi metodami:
1) Povečajte izhodni pretok črpalke.
2) Namestite obvod med vstopom in izhodom črpalke (to metodo uporabniki težko sprejmejo v praktičnih aplikacijah).
3) Optimizirajte strukturo rotorja (zmanjšajte vstopno površino rotorja).
2. Nevarnosti kavitacije
(1) Poslabšanje zmogljivosti, poškodba cevovoda
Kavitacija lahko bistveno zmanjša zmogljivost črpalke. Običajno se pri centrifugalnih črpalkah, ko vstopni tlak pade do določene mere, njihova zmogljivost močno zmanjša, kar je znano tudi kot kavitacijski zlom. Kavitacija lahko povzroči tudi nestabilnost znotraj tekočine, kar lahko povzroči nihanje pretoka in tlaka. S pomočjo teh nihanj lahko povzroči poškodbe črpalke ter njenih vstopnih in izstopnih cevovodov.
(2) Resna poškodba nadtokovnih komponent črpalke
Kavitacija lahko povzroči poškodbe površine komponent. Ko mehurčki počijo, okoliška tekočina ustvari izjemno visok udarni tlak (najvišji tlak) do 49 MPa. Ko hidravlična trdnost kavitacije preseže zmožnost materiala, da se upre temu udarcu, lahko povzroči lokalno porušitev materiala stene zaradi utrujenosti in odstop površinskega materiala. Kavitacija se pojavi sočasno s kemično in elektrokemično korozijo. Velikost jam, ki nastanejo zaradi korozije in plastične deformacije materialov v zgodnji fazi kavitacije, je približno 10 μ m do 50 μ m, zlasti pri nekaterih materialih s slabo korozijsko odpornostjo, ki lahko pri dolgotrajni-kavitaciji kažejo satove strukture.
(3) Ustvarjanje vibracij in hrupa
V trenutku, ko se mehurček kondenzira, skrči in poči, tekočina okoli mehurčka z veliko hitrostjo napolni praznino (ki nastane zaradi kondenzacije in razpoka mehurčka), pri čemer ustvarja pulzacije tlaka in s tem vzbujajoče vibracije in hrup. Frekvenca kavitacijskega hrupa je običajno med 10 kHz in 100 kHz, frekvenca kavitacijskega hrupa, ki ga povzročata refluks in pulziranje tlaka, pa je okoli nekaj sto Hz, zaradi česar je človeško uho še posebej občutljivo. Hkrati lahko kavitacija spodbuja tudi vibracije, glavna frekvenca vibracij, ki jih povzroča kavitacija, pa je običajno okoli 1 kHz.
Za kavitacijo niso značilne samo visoke ravni hrupa, temveč tudi indikatorji vibracij, kot sta nezadostna togost podnožja črpalke in slaba podpora cevovoda, kar lahko povzroči strukturno resonanco; Po namestitvi črpalke se podstavek zalije z betonom, nosilna togost cevovoda pa je zadostna, kar na splošno ne povzroča močnih vibracijskih pojavov. Vendar pa z merjenjem vibracij na ohišju črpalke prevladuje visoko-komponenta frekvence vibracij, ki jo povzroča kavitacija, in vrednost pospeška vibracij je višja od premika vibracij in hitrosti vibracij.
3. Skupni ukrepi za izboljšanje učinkovitosti kavitacije
(1) Ukrepi za izboljšanje delovanja centrifugalnih črpalk proti kavitaciji
1) Izboljšajte zasnovo sesalne odprtine črpalke
Z brušenjem impelerja se lahko poveča pretočna površina;
Povečajte polmer ukrivljenosti vstopnega odseka pokrovne plošče rotorja, da zmanjšate hitro pospeševanje in padec tlaka pretoka tekočine;
Ustrezno zmanjšajte debelino vstopne odprtine rezila in zaokrožite vstopno odprtino rezila (polirajte glavo rezila, jo nabrusite, da zmanjšate izgubo udarca vstopne odprtine in zmanjšate občutljivost vstopnega kota, potrebno dovoljeno kavitacijo pa lahko zmanjšate za približno 0,5 metra), tako da postane blizu poenostavljene oblike ter zmanjša pospešek in padec tlaka okoli glave rezila;
Izboljšajte gladkost površine rotorja in vstopne odprtine rezila, da zmanjšate izgubo upora;
Podaljšajte vstopni rob rezila proti vstopu rotorja, da omogočite pretoku tekočine vnaprejšnje delo in povečate pritisk.
2) Dodajte sprednje indukcijsko kolo
Naredite, da pretok tekočine deluje vnaprej v sprednjem indukcijskem kolesu, da se poveča tlak pretoka tekočine (ta shema zahteva strukturne spremembe in ponovno kalibracijo različnih konstrukcijskih parametrov).
3) Sprejem rotorja z dvojnim sesanjem
Povečajte vstopno površino rotorja in zmanjšajte vstopni pretok tekočine (zmanjšanje pretoka in povečanje tlaka).
4) Uporaba nekoliko večjega pozitivnega vpadnega kota
Če želite povečati vstopni kot rezila, zmanjšajte upogibanje na vstopu rezila, čim bolj zmanjšajte blokado rezila in tako povečajte vstopno površino;
Izboljšajte delovne pogoje v pogojih visokega pretoka, da zmanjšate izgube pretoka. Toda pozitivni vpadni kot ne sme biti prevelik, sicer bo to vplivalo na učinkovitost.
5) Uporaba črpalke z nizko hitrostjo-
Nižja kot je vrtilna hitrost, manjši je NPSHr.
6) Uporaba materialov proti kavitaciji
Praksa je dokazala, da večja kot je trdnost, trdota in žilavost materiala, boljša je njegova kemijska stabilnost in močnejša je njegova odpornost proti kavitaciji.
(2) Ukrepi za povečanje dovoljene kavitacije naprave
1) Povečajte tlak nivoja tekočine v rezervoarju za shranjevanje pred črpalko, da izboljšate učinkovito dovoljeno kavitacijo.
2) Zmanjšajte vgradno višino črpalke v sesalni napravi, zlasti pri prenosu vroče vode kot medija, in upoštevajte razmerje med sesalno višino in temperaturo medija.
3) Zamenjajte sesalno napravo z napravo za povratni tok.
4) Zmanjšajte izgubo pretoka v sesalnem cevovodu pred črpalko. Če je mogoče, skrajšajte cevovod v zahtevanem obsegu, uporabite ustrezen premer sesalnega cevovoda in filtrirno površino (če obstaja), da zmanjšate pretok v cevovodu, zmanjšate število zavojev in ventilov ter čim bolj povečate odprtino ventila.
5) Če je kavitacija v vrzeli huda, lahko uporabite metodo vrtanja izravnalnih lukenj na rotorju, da zmanjšate stopnjo pretoka puščanja in ublažite stopnjo kavitacije. Izravnalne luknje na lopaticah imajo destruktiven in moteč učinek na pretok vbrizgane tekočine na vstopu v rotor. Površina izravnalnih lukenj ne sme biti manjša od 5-kratne površine tesnilnega obroča, da se zmanjša stopnja pretoka puščanja, s čimer se zmanjša vpliv na glavni pretok tekočine in izboljša protikavitacijska sposobnost črpalke.
6) Izkušnje so pokazale, da lahko glede na mehanizem kavitacije dodajanje ustrezne količine plina v sesalno odprtino moti pogoje za nastanek kavitacije. Vendar pa je uporaba dopolnjevanja zraka za preprečevanje kavitacije črpalke zelo tehnična in dobre rezultate je mogoče doseči le z ustrezno količino, lokacijo in metodo dopolnjevanja zraka. V nasprotnem primeru bo to povzročilo znatno zmanjšanje pretoka, višine in učinkovitosti črpalke ter povzročilo celo prekinitev pretoka in škodljive posledice med delovanjem.
Glede na težave pri nadzoru ustrezne količine dovoda zraka in natančne meritve, v kombinaciji z avtorjevo prakso, je priporočljiva uporaba igelnega ventila, ki lahko prilagodi pretok za ventil za dovod zraka. Med -prilagajanjem na kraju samem se lahko kavitacijski hrup uporabi za razlikovanje: prilagodite sesalno prostornino skozi igelni ventil, dokler se kavitacijski hrup ne zmanjša (nekateri sistemi lahko popolnoma odpravijo kavitacijski hrup, nekateri sistemi pa lahko samo zmanjšajo kavitacijski hrup, ne pa ga popolnoma odpravijo), nato prilagodite igelni ventil nekoliko nazaj, da zmanjšate sesalno prostornino, nekaj časa opazujte delovanje, dokler ne pride do nobenih nepravilnosti pri delovanju pod različnimi določenimi pogoji delovanja, in nato zaklenite odpiranje igelnega ventila. Ta metoda nikoli ne sme znižati zvoka na najnižjo raven! Če je vhodni tlak pozitiven, ko črpalka preneha delovati, je treba namestiti protipovratni ventil, da preprečite puščanje.
7) Raziskave so pokazale, da ko medij vsebuje hlapne pline in trdne delce, kot je pesek, se kavitacijska zmogljivost črpalke zmanjša. Da zagotovite, da v črpalki ne pride do kavitacije, je treba višino sesanja črpalke zmanjšati za najmanj 4,2 metra od izračunane višine čiste vode. Na to je vredno biti pozoren v komunalnem gospodarstvu.
