Кавитация насоса

Очень часто нарушение работы насоса вызвано неудовлетворительными условиями всасывания. На условия всасывания влияет конструкция всасывающего трубопровода, температура жидкости и расположение насоса относительно свободной поверхности жидкости. Нельзя забывать и о том, что каждый насос имеет определенную характеристику всасывания (так называемую всасывающую способность), которую необходимо принимать во внимание при подборе насоса.

Закон сохранения энергии в жидкости проявляется в перераспределении энергии между статической и динамической составляющими. То есть, чем больше скорость потока, тем ниже статическое давление в нем, и наоборот. Физические свойства жидкости таковы, что ее статическое давление может падать до давления насыщенных паров. После этого жидкость закипает.

На стенке трубы, изображенной на рисунке ниже, мы измеряем, как распределяется давление, график распределения давления представлен на диаграмме.

Давление насыщенных паров и плотность воды

Т.к. давление насыщенных паров P_D всех жидкостей возрастает с температурой, то высота подъема h_max уменьшается с ростом температуры. Кипящая вода в принципе не может всасываться, т. к. давление пара P_D больше атмосферного давления P_b.

Если статическое давление в потоке падает до давления насыщенных паров жидкости при данной температуре, например путем увеличения скорости или путем изменения геодезической высоты, то в этом месте образуются пузырьки пара. Последние увлекаются потоком и лопаются, когда давление в потоке снова превышает давление насыщенных паров. Появление и схлопывание пузырьков, наполненных паром, называют кавитацией.

В центробежных насосах кавитация возникает на входе рабочего колеса. Кавитация проявляется в увеличении уровня шума, снижении высоты подачи, а также нестабильной работе насоса. Долговременная работа с кавитацией приводит к быстрому износу насоса, поэтому такого состояния следует избегать.

Во избежание кавитации на всасывающем патрубке насоса или на входе рабочего колеса должно присутствовать определенное избыточное давление по сравнению с давлением насыщенных паров. Если эту величину давления выразить как высоту столба жидкости над всасывающим патрубком насоса, а для больших агрегатов – над рабочим колесом, то тогда эта величина будет называться NPSH, или кавитационным запасом. Исторически сложилось, что в российской практике больше используется понятие «кавитационный запас», а в европейской – NPSH. Разница между этими понятиями заключается только в точке отсчета высоты столба жидкости и не представляет проблем при подборе современного оборудования. Учитывая коэффициенты запаса, эти величины можно считать равными.

Нужно запомнить, что при всех расчетах кавитации должно быть учтено атмосферное давление в месте монтажа насоса. Оно меняется с положением насоса над уровнем моря и колеблется в пределах ±3% от заданного значения.

Например, в Гамбурге можно поднять холодную воду с глубины 10 м, а в Мюнхене по причине его географического положения – только с 9,5 м.

Величина NPSH_треб системы

Имеющаяся в системе высота давления нетто (NPSH_треб) рассчитывается из разности абсолютного барометрического давления Р_А и давления насыщенных паров жидкости Р_D

Между параметрами в точках s (на входе в насос) и e (точка входа жидкости в систему, она же соответствует уровню жидкости в емкости) имеется следующее соотношение:

так что в режиме всасывания и в режиме подачи (рисунки ниже) величина NPSH_треб может быть определена из соответствующих уравнений.

Всасывание насоса

Нагнетание насоса

Величина NPSH_треб может быть рассчитана из этих соотношений для разных значений расхода Q. Таким образом получают новую характеристику NPSH_треб (Q), которая описывает систему. Характеристика определяется не изготовителем, а потребителем.

Величина NPSH_эксп насоса

Очевидно, что NPSH_эксп (или для краткости NPSH) центробежного насоса меняется в зависимости от напора насо обычно включается производителем насоса в документацию.

После выбора модели насоса необходимо проверить, не будет ли он работать с кавитацией. Существует несколько методик для проведения подобных расчетов.

В основе каждой из них лежат вышеописанные зависимости. Приведем одну из этих методик. Ее суть заключается в том, чтобы определить запас S между NPSH системы (NPSH_треб) и NPSH насоса (NPSH_эксп). Если S получается больше 1 м, то насос будет работать без кавитации, меньше 1 м – необходимо выбрать другой насос или изменить параметры системы. Если S = 1 м, то теоретически кавитации не будет, но практически никто не может гарантировать сохранения расчетных параметров за все время эксплуатации насоса. Поэтому подобных «граничных» условий также следует избегать.

Запас S = NPSH_треб – NPSH_эксп
S ≥ 1 м

На диаграмме мы видим NPSH = NPSH_эксп – для центробежного насоса. Точка пересечения кривых находится при Q = 10 м3/час, т. е. при таком Q в насосе происходит кавитация. Для всех других, лежащих ниже, значений Q разность между NPSH_треб и NPSH_эксп показывает запас S.

Мы рекомендуем выбирать насосы таким образом, чтобы минимальный запас S был равен 1 м. Этот запас учитывает неточности измерения параметров системы и считывания значений с графиков.