Что такое кавитация насоса и как ее предотвратить

Кавитация насоса – очень опасное физическое явление, которое может быстро привести к повреждению гидравлических элементов насоса, а также подключенной к насосу установки и соединительных коммуникаций.

Кавитацию можно описать как быстрое фазовое превращение жидкости в газ с одновременным возникновением частичного вакуума за счет движущегося с высокой скоростью твердого тела (в данном случае это будет рабочее колесо или крыльчатка насоса). Появление разности в давлении связано с основополагающим принципом работы центробежного насоса.

Центробежные насосы перекачивают газы и жидкости за счет создания разницы давлений по обе стороны рабочего колеса. Во время работы насоса падение давления на стороне всасывания может достигать такой величины, что жидкость достигает температуры  кипения и начинает испаряться, а этот процесс приводит к образованию пузырьков и кавитации.

Причины кавитации

Чтобы лучше понять явление кавитации, возникающее в насосе, определить, при каких условиях оно может возникнуть, необходимо обсудить несколько дополнительных аспектов формирования кавитационных пузырьков. Главным и основным здесь является понятие давления насыщения жидкости.

Каждая перекачиваемая жидкость в зависимости от типа и температуры имеет определенное давление насыщения – это значение давления, при котором перекачиваемая среда начинает испаряться или закипать. В результате кипения или испарения жидкости создаются пузырьки воздуха, которые могут схлопываться (самоуничтожаться, создавая области вакуума) из-за быстрого вращения ротора.

Взрывающиеся пузырьки в жидкости разрушают гидравлические элементы насоса и установки и могут вызвать образование ямок или иных дефектов в материале, из которого изготовлена установка. При достижении давления насыщения данной жидкости в насосе возникает кавитация.

Из-за относительно низких скоростей потока в объемных насосах кавитация возникает реже, чем в центробежных насосах. Однако существуют области, особенно в объемных насосах с вращательным движением рабочего органа, где возникают значительные скорости потока, вызывающие значительные перепады давления, способствующие образованию кавитации.

Это зазоры между зубьями в шестеренных насосах и зазоры между кулачками,  между корпусом и кулачками в кулачковых насосах, т.е. везде, где участки с разным давлением (на стороне всасывания и нагнетания) соединены зазорами, которые необходимы из-за механики действия насоса.

Условия, благоприятные для кавитации

Теперь стоит рассмотреть, когда возможно возникновение кавитации при работе насоса. Здесь стоит упомянуть два параметра, которые очень важны на этапе проектирования и выбора насоса для установки. Речь идет о значениях давления NPSH и NPSHA.

Значение NPSH — это не что иное, как необходимое давление всасывания насоса, защищающее от кавитации. Другими словами, это минимальное давление, которое необходимо обеспечить, чтобы «протолкнуть» среду в насос.

NPSHA – это величина давления, учитывающая так называемый запас безопасности, определяемый как минимум на 0,5 м выше значения NPSH.

Если не вдаваться в сложные математические расчеты, чтобы предотвратить кавитацию в насосе, мы должны иметь соответствующее давление во всасывающем трубопроводе насоса, такое, чтобы его значение превышало значение NPSH насоса.

Однако помните, что значение NPSH варьируется в зависимости от условий эксплуатации и самой установки. На необходимое давление всасывания влияют такие факторы, как скорость насоса, диаметр и длина всасывающей трубы или геометрическая разница между насосом и источником перекачиваемой жидкости.

Симптомы кавитации в насосе

Как распознать, что насос кавитирует? Если насос перекачивает кипящую жидкость, кавитация проявляется через несколько специфических признаков. Обычно это вибрации как насоса, так и установки, в которой он установлен, возникающие в результате лопающихся пузырьков воздуха.

Кроме того, при работе слышен довольно специфический шум (напоминает удары камней о металл). После разборки можно заметить видимые повреждения элементов конструкции, вызванные коррозией, особенно ротора.

При работе насоса в режиме кавитации также могут наблюдаться падение рабочих параметров насоса, а двигатель может потреблять гораздо большие токи, чем при номинальной работе. В результате гидравлической системы может получить повреждения, что приведет к протечкам насоса.

Как предотвратить кавитацию?

В случае установки нового насоса убедитесь, что устройство выбрано в соответствии с типом перекачиваемой среды, ее температурой, характером установки и, возможно, расположением источника забора среды. Всасывающий трубопровод должен быть изготовлен в соответствии с рекомендациями производителя, сохраняя соответствующую длину и диаметр.

В случае если у действующего насоса наблюдается кавитация, первое, что следует сделать, это изменить условия всасывания насоса. Если установлен запорный клапан, его можно дросселировать, уменьшая расход на насосе и одновременно увеличивая давление всасывания.

Решением также может стать увеличение диаметра всасывающего трубопровода, что приведет к снижению потерь потока или уменьшению расстояния насоса от источника забора среды. Дополнительным и безопасным методом также является снижение скорости насоса для ограничения расхода и граничных условий NPSH на стороне всасывания.

Кавитация конструктивно предотвращается за счет:

• более раннего поступления жидкости в межлопаточные каналы, где давление увеличивается при максимальном перемещении входных кромок лопаток в сторону входа в рабочее колесо. Это вызывает необходимость придания им пространственной кривизны;
• задания первоначального вращения среды по направлению вращения ротора снижает риск возникновения кавитации;
• использования материалов, устойчивых к разрушительному воздействию кавитации, например, бронзы, стали, сплавов с содержанием Cr и Ni, стекла, фарфора (наименее устойчив к кавитации чугун);
• соблюдения гладкости контактирующих с жидкостью поверхностей, дополнительно упрочненных путем поверхностной обработки, такой как прокатка, ковка и т. д.;
• поверхностного упрочнения азотированием, цементацией и закалкой.

Кавитацию оперативно предотвращают:

• настройкой насосов на минимально возможную высоту всасывания;
• работой на мощности, близкой к номинальной (кавитация возникает при чрезмерном увеличении или уменьшении производительности);
• защитой от повышения температуры жидкости;
• защитой от увеличения скорости насоса;
• подпуском некоторого количества воздуха к зоне образования паровых пузырьков.