Кавитация насосов и пути ее устранения
Пожалуй, главный источник заморочек с насосами — кавитация. На физическом уровне это явление разъясняется тем, что в воды всегда находится какое-то количество растворенного газа. При движении воды в ней могут появляться зоны разрежения. В итоге выделяются пузыри. Попадая с потоком в зону более больших давлений, пузыри схлопываются, выделяя энергию, которая разрушает поверхность рабочих колес, улиток (рис. 1.) и т.д.
Рис. 1. Кавитация улитки после года работы насоса.
Эта энергия также делает ударные волны, вызывающие вибрацию, распространяющуюся на рабочее колесо, вал, уплотнения, подшипники, повышая их износ. Появление кавитации обосновано различными причинами (табл. 1.) Хоть какой вид кавитации связан с неучетом принципиальных правил гидравлики и гидродинамики.
Каждый насос характеризуется величиной кавитационного припаса ∆hтр, обозначаемой западными насосными фирмами NPSHR. Это то малое давление, в границах которого у воды, попадающей в насос, сохраняется состояние фактически воды. Величину ∆hтр в номинале и кривую зависимости ∆hтр от подачи/напора должен предоставлять производитель насоса.
Насос в станцию нужно подбирать, устанавливать и обвязывать так, чтоб он располагал в зоне собственной работы (определяется наложением черт насосов и системы водоводов) тем допустимым кавитационным припасом ∆hдоп (либо NPSHA), величина которого была бы выше ∆hтр (NPSHA > NPSHR).
Другими словами ∆hдоп – есть возможная энергия воды у поглощающего отверстия насоса ∆hдоп = Ha + Hs – Hvp -Hf -Hi, где Ha — атмосферное давление (10 м аква столба на уровне моря); Hs — статический напор (положительный либо отрицательный), определяемый как разность уровней меж свободной поверхностью воды и осью насоса, м; Hvp — давление паров перекачиваемой воды, зависящее от температуры, м; Hf — утраты на трение во поглощающей полосы, м; Hi — утраты в пространстве меж горловиной и головкой рабочего колеса насоса (если неопознаны, можно принять [1] равными 0,6 м).
Пример. Необходимо найти геометрическую высоту всасывания Но (рис 2) для насоса с ∆hтр = 7,0 м.
Расчетом из таблиц получаем утраты: на входе в насос Hi = 0,6 м; на трение во поглощающей полосы 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 разыскиваемой Но применим систему из 3-х уравнений.
∆hдоп = 1,1 ∆hтр,(4.1), где 1,1 – коэффициент припаса, принимаемый зависимо от критерий работы насоса 1,1 – 1,5 [1].
Но = — Hs,(4.2) потому что 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 ) либо
Но = -(1,1 * 7,0 – 10 + 0,2 +0,1 + 0,1 + 0,3 + 0,6) = -(-1,0) = 1 м.
Требуемый кавитационный припас ΔhTP обычно вычисляют по характеристике, представляемой производителем насоса. Кривая ΔhTP начинается с точки нулевой подачи и медлительно вырастает с повышением. Когда подача превосходит точку большего КПД насоса кривая ΔhTP резко растет, по экспоненте. Зона справа от точки наибольшего КПД обычно является кавитационно небезопасной. Кавитационный припас не поддается контролю исходя из убеждений механики, и оператор насосной станции (в особенности если он не осведомлен с чертами насосов) улавливает по железному шуму и щелчкам уже развитую кавитацию. К огорчению, на рынке очень не достаточно устройств, позволяющих следить и предотвращать кавитацию. Хотя датчик давления поглощающей стороне насоса, подающий сигнал волнения при падении давления ниже допустимого для определенного агрегата, мог бы и должен бы применяться везде.
Многие операторы знают, что звук теряется после прикрытия задвижки. Но, снижая тем подачу и кавитацию, можно не достигнуть технологических характеристик производственного процесса либо водоснабжения/водоотведения. Для того, чтоб верно убрать кавитацию необходимо использовать принцип – на входе в насос должно всегда быть воды больше, чем на выходе. Вот несколько обычных методов как этого достигнуть:
— поменяйте поперечник поглощающего патрубка на больший;
— переместите насос поближе к питающему резервуару, но не поближе 5-10 поперечников поглощающей трубы;
— понизьте сопротивление во поглощающей трубе, подменой ее материала на наименее шероховатый, задвижки на шиберную, характеризующуюся наименьшими местными потерями, удалением оборотного клапана;
— если поглощающая труба имеет повороты, уменьшите их количество и (либо) поменяйте отводы малых на огромные радиусы поворота, сориентировав их в одной плоскости (время от времени верно поменять жесткую трубу гибкой);
— повысьте давление на поглощающей стороне насоса увеличением уровня в питающем резервуаре или понижением оси установки насоса, или внедрением бустерного насоса.
Изложенные методы ординарны и понятны хоть какому спецу, но. Рассматриваю не так давно проект выполненный авторитетной, проектной организацией и обнаруживаю, что насосы с подачей 1400 м3/ч оборудованы задвижками (рис. 3) поперечниками 400 мм с напорной и 300 мм со поглощающей стороны (!?) «Вы спутали диаметры» – говорю – «Не может насос, изготавливаемый хорошей европейской компанией, быть выполнен вопреки традиционному правилу: поглощающий патрубок должен быть больше напорного!»
Рис. 3. Пример неправильной обвязки насос насоса. Поперечник поглощающего патрубка меньше чем напорного.
Оказалось, что патрубки имеют однообразные поперечникы по 300мм. Чем управляется насосная компания додуматься не тяжело. С подходящим под данную подачу поглощающим патрубком Ø400 либо Ø500 возросли бы размер улитки и стоимость. Но, если б проектировщик подсчитал получаемые скорости на входе в насос 5,5 м/с, а за насосом 3,1 м/с, то сумел бы уверить заказчика отрешиться от насоса, способного кавитировать, хотя и наименее дорогого.
2-ой пример.
В насосной станции смонтированы агрегаты сухой горизонтальной установки выше уровня воды в приемном резервуаре на 2,8м. Их номинальные характеристики: 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. Спектр производительности насосной станции 6 000-10 000 м3/ч.
Решение трудности:
При помощи формулы (4.3) этого параграфа подсчитываем ∆hдоп(NPSHA)=5.8м. Отсюда ∆hдоп<1,1∆hтр=8,5м, что неприемлимо, В фактической же точке работы, где разность 1,1∆hтр-∆hдоп=1,1х8,6=3,7 –условия еще жестче.
Разглядим два варианта вывода насосов из работы в зоне кавитации:
— Дросселирование напорной полосы с помощью регулируемого клапана.
— Повышение давления на поглощающей стороне, установкой в приемном отделении бустерного насоса.
Вариант 1 (с регулируемым клапаном).
Анализируя свойства Q-H и Q-∆hтр насоса, находим Q=2000 м3/ч, при котором ∆hтр=3,8м<∆hдоп. Подбираем регулирующий клапан, способный поддерживать давление в напорной полосы каждого насоса на уровне 3,5 бар, что соответствует единичной подаче 2000 м3/ч. Строим графики совместной работы 3-х насосов с 3-мя клапанами и трубопроводов (рис 4). Три насоса управляются с наименьшим притоком 6000 м3/ч.
Вариант 2 (с бустерным насосом).
Из прошлых расчетов видно, что недочет напора на поглощающей стороне насоса составляет 3,7 м. Более просто монтируемыми и подходящими для значимых объемов на маленькую высоту являются насосы с осевыми либо диагональными рабочими колесами (рис 4,5). Такие агрегаты инсталлируются конкретно в нагнетательную колонну (в этом случае открытую). Подбираем насос с номинальными параметрами Q=3000 м3/ч, Н=5,5 м, КПД=83%. Строим свойства работы пары поочередно соединенных насосов (рис. 6) и 3-х пар поочередно – параллельно соединенных насосов (рис. 7) вместе с водоводом.
Набросок 4. Графики совместной работы 3-х насосов с регулируемыми клапанами (либо одним клапаном на гребенку) и водоводов.
1,2,3-графики одно, 2-ух и 3-х параллельно работающих насосов соответственно. 4,5,6-графики водоводов с редукционными клапанами (клапаном), поддерживающим давление в системе 3,5 бар при работе 1-го, 2-х и 3-х насосов соответственно 7-характеристика водовода без дросселирования.
Рис. 5 Погружной осевой насос 1, создающий подпор насосу сухой установки 2.
Запуск имеющегося насоса осуществляется с задержкой, после того как осевой бустерный агрегат заполнит колонну водой до вероятного излива.
Анализ черт указывает:
Подача бустерного агрегата (рис. 6) в рабочем спектре выше, чем у имеющегося, что обеспечило размеренный подпор последнему.
Рис. 6 Графики работы поочередно соединенных насосов и водовода
1-характеристика насоса сухой установки 2-совместная черта поочередно работающих насосов 3-характеристика водовода.
Рабочая точка 2-ух пар параллельно действующих насосов (рис. 7) соответствует Q=7200 м3/ч, Н=30м и находится в зоне оптимума обоих агрегатов.
Рис. 7. График параллельной работы 3-х пар поочередно соединенных насосов и водовода
1,2,3-графики работы одной, 2-х, 3-х пар поочередно соединенных насосов, соответственно 4-характеристика водовода.
Требуемый кавитационный припас имеющихся насосов сухой установки в этой точке ∆hтр=6м
Подсчитываем располагаемый кавитационный припас формуле (4,3):
∆hдоп=10+2,0-0,2-0,2-0,1-0,3-0,6=10,6 м
Отсюда ∆hдоп=10,6>1,1∆hтр=6,6м
Опасности кавитации нет.
Энерго издержки по вариантам демонстрируют очевидное преимущество в использовании бустерных насосов, а валютная разность их (2081 272 руб) сравнима с закупочной ценой за агрегат.
Не считая того установка редукционного клапана не исключит заморочек:
Наличие воздуха во поглощающем трубопроводе, как следует, неуравновешенной работы насосов;
Уменьшения ресурса работы подшипниковых узлов и уплотнений (при подаче 2000 м3/чач насос работает на границе ограничения по Qmin, с завышенными осевыми и круговыми силами)
Таким макаром, можно оценить необходимость и эффективность мероприятий по устранению кавитации.
Перечень литературы:
[1] Bachus L, Custodio A. Know and Understand Centrifugal Pumps.
Elsevier, Oxford, 2003.
Березин С.Е.
ЗАО «Водоснабжение и водоотведение», Москва, Наша родина