Как избежать кавитации в двигателе

Кавитация насоса и пути ее устранения

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).

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).

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.

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

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.

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.

Источник

Методы снижения кавитации

Как известно, кавитация (также часто называемая «белым шумом») возникает из-за того, что по той или иной причине повышается скорость среды в трубопроводе и, соответственно, резко падает давление. И здесь нужно заметить вот что: некоторые пытаются решить проблемы с образованием пузырьков газа или пара, увеличивая проходное сечение трубопровода, думая, что таким образом среда будет меньше воздействовать на стенки трубопровода. Однако в действительности расширение диаметра труб приводит лишь к обратному эффекту, и нетрудно понять, почему. Дело в том, что при увеличении сечения давление падает ещё больше, а значит, в этом участке системы количество образующихся каверн будет увеличиваться тем больше, чем больше будет увеличиваться сечение. Поэтому выход заключается не в увеличении диаметра труб или сечения трубопроводной арматуры, а в том, чтобы увеличить обратное давление в трубопроводе.

Известно, что повышение обратного давления всего лишь на 5% в разы сокращает кавитацию, а если его повысить уже на 10%, то кавитационные процессы в 99% случаев останавливаются полностью. Кроме того, нужно обратить внимание и на материал изготовления труб. Если в вашей трубопроводной системе установлены алюминиевые трубы, имеет смысл заменить их на трубы из чугуна или стали — это в разы сократит процессы эрозии. Это же справедливо и для различных видов трубопроводной арматуры — например, предохранительной и регулирующей. Что же касается клапанов с возможностью авторегулировки давления (например, клапанов прямого действия), то воздействие эрозии на них сводится к минимуму, так как функция регулировки давления позволит практически исключить возникновение кавитации. Это, кстати, хороший повод использовать в тех трубопроводных системах, которые подвержены кавитационным процессам, клапаны с авторегулировкой давления.

И надо сказать, что переход на подобные клапаны не представляет сегодня большого труда, поскольку они выполняются по тем же стандартам (габаритные размеры, диаметры сечения, номинальное давление и температура и т.д.). Если же речь идёт о насосном оборудовании, то здесь хотелось бы предостеречь заказчиков от возможного применения выпускных клапанов для снижения кавитации. Выпускные клапаны не решат этой проблемы, так как после блокировки клапана и увеличения давления в насосе затем происходит резкое падение давления в результате срабатывания клапана, а значит создаётся благоприятная возможность для образования кавитации. А вот повышение обратного давления здесь, опять же, представляется оптимальным вариантом. При этом нужно стараться создать такие условия работы трубопроводной арматуры, чтобы перепады давления были минимальны.

Здесь нелишне напомнить читателю о том, что уменьшение давления ведёт к тому, что увеличивается скорость потока и возрастает температура среды (законы сохранения энергии никто не отменял). И понижение давления, допустим, на 100 бар даёт нам прибавку температуры на 7°C. Таким образом, хотим мы того или нет, но нагревание так или иначе будет сопровождаться кавитацией; другое дело, что в нашей власти сделать перепады давления более плавными — желательно в 3 этапа. В этом случае образование пузырьков пара и/или газа будет сведено к минимуму. Особенно это важно делать, если в качестве рабочей среды в трубопроводной системе выступают жидкости с высокими значениями удельной плотности (к которым относится в том числе и вода).

Таким образом, мы выяснили, что наиболее эффективными способами борьбы с кавитацией являются лишь те, которые позволяют снизить или сделать более плавными перепады давления в трубопроводной системе. Подъём обратного давления представляется самым разумным решением там, где нет возможности использовать клапан другого типа (с автоматической регулировкой давления), а что касается основных элементов трубопроводной системы — собственно труб, то лучше использовать трубы из соответствующих материалов — например, стальных или чугунных.

Источник

Кавитация в насосах. Причины, последствия и как её избежать.

В этой статье я хотел бы снова коснуться такой важной темы при работе насосного оборудования, как кавитация. Однажды мы уже рассматривали вопрос кавитации и способ борьбы с ней, который предложил производитель Blackmer. Вы можете посмотреть эту статью здесь https://tehnogrupp.com/blog/kavitatsiya-v-nasosnykh-ustanovkakh

В этой же статье мы рассмотрим вопрос кавитации более полно, не привязываясь к конкретному производителю. В процессе работы мы очень часто сталкиваемся со следующими вопросами наших Покупателей: «Насос работает на жидкости без абразива и твердых включений (в некоторых случаях перекачивает очищенную питьевую воду), но насос почему-то щелкает, трещит, как будто перекачивает камни, а при разборе насоса у него такое состояние, что складывается впечатление, что он правда камни перекачивал. В чем причина?» Фото разобранного насоса представлено ниже:

А причина здесь в таком физическом явлении, как кавитация. Удивительно, но многие пользователи насосного оборудования вообще не слышали о таком явлении, хотя насосов оно отправило на свалку не мало. И всегда находилось какое-то оправдание данной поломке. То фильтр не тот установили, то качество насоса плохое, то жидкость не ту перекачивали. Хотя, пожалуй, после неправильной центровки вала это следующая по распространённости причина поломки насосов.

В чем причина возникновения кавитации и как она «ломает» насос?

0,3 бар и вода начинает закипать уже при температуре около 70С. Так и на стороне всасывания насоса давление может быть значительно ниже атмосферного. В итоге жидкость начинает «закипать» с образованием пузырьков пара. Затем жидкость перемещается в область нагнетания насоса, где давление выше атмосферного и пузырьки «схлапываются» с образованием ударной волны. В некоторых случаях давление при таком гидроударе может превышать 10000 бар. Естественно, что насосное оборудование не рассчитано на такие нагрузки и возникают повреждения, которые мы уже видели на фото выше.

Как бороться с кавитацией?

Стоит отметить, что чугун, из которого производится большая часть насосов, справляется с кавитацией плохо из-за быстрого разрушения графитных включений. Из относительно доступных материалов кавитации некоторое время может противостоять нержавеющая сталь. Также для уменьшения физических последствий кавитации используют различные твердые напыления и закалку наиболее уязвимых частей насоса, чтобы повысить сопротивление деформации верхнего слоя металла. Стоит отметить, что в производстве насосов данные методы используются нечасто, т.к. они дороги и неэффективны. Даже самый прочный материал не способен долго противостоять кавитации, а использование более стойких материалов, в большинстве случаев, нужно лишь для того, чтобы минимизировать ущерб насосу, если по той или иной причине он начал «кавитировать».

Из данной формулы видно, что кавитация будет менее вероятна, если будет увеличена высота подпора (или снижена высота всасывания, для самовсасывающих насосов), будет увеличено давление на поверхности жидкости (например, если ёмкость герметична, то можно повысить давление в емкости). Чем плотнее жидкость, тем выше вероятность кавитации. Также чем выше давление насыщенного пара, тем вероятность кавитации выше. Также кавитацию повышают потери напора на линии всасывания. Обобщая все вышесказанное, чтобы избежать кавитации, необходимо обеспечить «сплошной поток». Фото ниже наглядно демонстрирует, как при снижении давления на линии всасывания увеличивается ударная волна вследствие кавитации.

Для более полного понимания расчета кавитации приведу пример задачи:

Оцените NPSHa для насосной системы, которая рассчитана на откачку 200 м3/ч воды. Водный поток идет из бака, который находится при атмосферном давлении и температуре 250C. Минимальный уровень воды в баке над всасывающим патрубком насоса составляет 3 метра. Линия всасывания имеет диаметр 6 дюймов (

150 мм) и длину 10 метров. Насос должен перекачивать воду в другой бак с верхним соединением для впуска воды. Максимальная высота нагнетательного трубопровода (от также имеет диаметр 6 дюймов) над нагнетательным патрубком насоса составляет 12 метров. Разгрузочный бак работает под давлением 3 бара. В линии нагнетания нет регулирующего клапана. Предполагается, что линия нагнетания имеет длину 100 м, учитывая все фитинги и клапаны.

Решение:

1. Сначала определим физические показатели системы. 1.1 Плотность воды при 250C составляет

994,72 кг/м3 1.2 Давление паров при 250C = 0,032 бар (Эти данные можно взять из различных справочников)

2. Вторым этапом расчета NPSHA является определение потери давления в результате трения в линии всасывания. В данном случае перепад давления на всасывающей и нагнетательной линиях 6 дюймов составляет около 5 бар/км. Для линии всасывания 10 м перепад давления составляет 0,05 бар. Для расчета потери давления на линии всасывания можно использовать различные программы подбора насосного оборудования. Практически каждый производитель предоставляет такую программу расчета. В этом примере падение давления в сетчатом фильтре составляет около 0,09 бар. В случае установки нового фильтра, производитель фильтра должен дать значение для максимально возможного падения давления на фильтре. Это значение можно использовать для расчета расчета NPSH.

Т.е. для обеспечение работы без кавитации подойдет насос с кавитационным запасом NPSHr меньше 12,54 м

Москва,
проспект Андропова, 22, оф. 1815
Санкт-Петербург,
Новочеркасский пр-т, 58, оф. 511

Источник

Дизельный эффект в гидравлических системах: материальный ущерб как результат

Как следует из названия, термин «дизельный эффект» относится к процессу самовоспламенения в дизельном двигателе. Но его можно наблюдать и в гидравлических системах. Помимо скачков давления, результатом являются старение масла, разрушение уплотнений. Дизельный эффект возникает как следствие кавитации (образование пузырьков в жидкой среде с последующим их схлопыванием с высвобождением большого количества энергии). Поэтому прежде чем перейти к самому эффекту дизеля, рассмотрим условия образования кавитации в гидравлических системах.

Кавитация в гидравлических системах

Дизельный эффект

Пузырьки воздуха, возникающие в результате кавитации, содержат частицы масла. При воздействии высокого давления в этих пузырьках резко повышается температура. Значительное повышение температуры приводит к дизельному эффекту, а именно к воспламенению в гидравлической системе, и этот процесс сгорания занимает миллисекунды.

Последствия кавитации и дизельного эффекта

Кавитация может иметь различные негативные последствия, в том числе физическое повреждение корпусов насосов и предохранительных клапанов, всасывание уплотнительных элементов (например, уплотнительных колец), изменение характеристик потока. Снижается производительность насосов и зубчатых передач из-за потерь при заполнении, шума, скачков давления с пиками, превышающими давление системы. Также эффект дизеля выражается в виде старения масла, остатков продуктов горения и разрушенных уплотнений.

Последствия кавитации и дизельного эффекта не всегда очевидны. Их часто замечают слишком поздно, когда возникает необходимость в ремонте гидравлической системы. Скачки давления в результате кавитации и дизельного эффекта также могут повредить датчики давления, установленные в системе, из-за превышения допустимого значения. Внезапное повышение давления в системе вызывает «прострел» мембраны датчика давления (подробнее).

Ввиду серьезных последствий кавитации и эффекта дизельного топлива необходимо принять соответствующие меры, чтобы избежать этих явлений. Например, обеспечить достаточное заполнение камер всасывания и низкие скорости потока, а также избегать критических значений, отклонений и пульсации давления.

Источник

Кавитация в центробежных насосах

Содержание статьи

Она возникает также при снижении местного давления по разным причинам динамического характера: увеличение скорости жидкости из-за увеличения частоты вращения, отрыва или сжатия потока, отклонения линий тока от их нормальных траекторий.

Кавитация в насосах может возникнуть как на движущихся, так и на неподвижных элементах проточной части.

Причины возникновения кавитации.

Полости или так называемые, каверны постоянного и устойчивого типов образуются без предварительного роста пузырьков в тех случаях, когда давление окружающей среды довольно низкое или соответственно высокая скорость потока.

Явление кавитации в насосах сопровождается вскипанием жидкости и является термодинамическим процессом, определяемым свойствами жидкости: давлением, температурой, скрытой теплотой парообразования, теплоемкостью.

При вскипании жидкости в местах с минимумом давления образуются полости, заполненные паром и частично выделившимися из раствора газами. Возникшие пузырьки пара увлекаются потоком и попадают в область с более высоким давлением, где они вновь конденсируются. Так как кипение связано с затратой тепла на парообразование, которое должно быть получено из окружающей среды путем теплообмена, то процесс вскипания происходит с некоторым запаздыванием, т.е. минимальное давление в потоке достигает значения несколько меньшего давления парообразования и вскипание жидкости происходит из перегретого состояния. Конденсация пузырьков пара в области повышенного давления происходит также с некоторым запаздыванием в условиях относительного переохлаждения. В связи с отмеченными процессами вскипание и конденсация происходят с достаточно большой скоростью.

Различают три стадии кавитации: начальную, развитую и суперкавитацию. При начальной стадии кавитационная область отсутствует. Развитая стадия отличается наличием значительных кавитационных каверн на обтекаемом теле. В условиях суперкавитации весь обтекаемый элемент находится в зоне кавитационной каверны.

Последствия кавитации в насосах

Последствия кавитации в насосах сопровождается признаками, отрицательно сказывающимися на работе насоса.

Шум и вибрация возникают при разрушении кавитационных пузырьков в зоне повышенного давления. Уровень шума зависит от размеров насоса. Кавитационный шум проявляется в виде характерного потрескивания в зоне выхода в рабочее колесо.

Снижение параметров насоса при наличии развитой кавитации по-разному сказывается для насосов с разными коэффициентами быстроходности и зависит от значения и влияния кавитационной зоны. При низкой быстроходности параметры снижаются резко. Для насосов с высоким коэффициентом быстроходности характерно постепенное снижение параметров. Если кавитационная зона занимает все сечение канала, то происходит срыв(прекращение) подачи насоса.

Кавитационное разрушение материалов (питтинг) происходит при длительной работе насоса в условиях кавитации в местах захлопывания пузырьков. Питтинг имеет место как при начальной, так и при развитой кавитации.

Эксплуатация насосов с подачей большей расчетной также иногда приводит к кавитационным повреждениям элементов рабочих колес и корпусных делатей. Считается, что кавитационное разрушение материала происходит из-за механического воздействия кавитирующего потока на материал.

Следует различать разрушение, вызванное кавитацией, коррозией и эрозией. Коррозия является следствием химического и электролитического воздействия сред на металл, а эрозия происходит в результате отрыва частиц металла твердыми телами, транспортируемыми перекачиваемой жидкостью(например, песком).

Наличие материалов, стойких против кавитационных разрушений, неизвестно. Все материалы быстрее или медленнее разрушаются. Более стойкими являются материалы, которые наряду с механической прочностью обладают химической стойкостью, как, например, бронза. Сильно подвержены кавитационному разрушению чугун и углеродистая сталь. Наиболее кавитационно устойчивой считается нержавеющая сталь. Применение кавитационно стойких материалов может обеспечить непродолжительную работу насоса без заметного разрушения в условиях частичной кавитации. Такая возможность представляет значительные преимущества, например в условиях кратковременной перегрузки насоса.

Влияние кавитации на характеристики насоса

Кавитация в центробежных насосах сопровождается нарушением неразрывности потока в насосе и отражается на его нормальных характеристиках. Последствяи кавитации в насосах оказывают непосредственное влияние на характеристики насоса. Начальная стадия кавитации, ограниченная небольшой областью (местная кавитация), не сказывается заметно на подаче и напоре насоса и проявляется характерным потрескиванием в области всасывания, обусловленным гидравлическими ударами. Местная кавитация в насосах может сопровождаться разрушением материала колеса или корпуса насоса. Кавитация более развитая приводит к уменьшению подачи, напора и КПД насоса, а затем и к полному срыву его работы. На этом рисунке показано влияние кавитации на характеристики насоса, пунктиром отмечен нормальный ход характеристик без кавитации.

Кавитация является одним из основных факторов нарушающих нормальную работу насоса. К другим факторам влияющим на выдаваемую насосом характеристику относят гидравлическое сопротивление.

Видео по теме

Кавитация в насосах является фактором, сильнейшим образом влияющим на надежность работы насоса. Длительная работа насоса в области даже незначительных кавитационных явлений совершенно недопустима в силу разрушающего действия кавитации.

Источник