Kavitasjon er et vanlig problem under drift av sentrifugalpumper, noe som kan forårsake en økning i pumpevibrasjoner og støy, en reduksjon i ytelse og alvorlig skade på komponenter.
Denne artikkelen utforsker ikke den faglige teoretiske kunnskapen om kavitasjon, men forsøker kun å bruke relativt enkelt språk for å gi en detaljert introduksjon til flere vanlige typer kavitasjon i sentrifugalpumper, farene ved kavitasjon og vanlige tiltak for å forbedre kavitasjon på stedet.
1. Typer kavitasjon
Fra stedet for forekomsten kan kavitasjon deles inn i bladkavitasjon, gapkavitasjon, grov kavitasjon, hulromskavitasjon og tilbakestrømningskavitasjon.
(1) Bladkavitasjon
Når kavitasjon oppstår, skjer dannelse og sprengning av bobler hovedsakelig på forsiden og baksiden av bladene, også kjent som aerofoil-kavitasjon, som er hovedformen for kavitasjon i sentrifugalpumper. Når pumpen er installert for høyt, selv om pumpen kjører under designforhold, er det sannsynlig at et lavt-trykksområde oppstår på baksiden av bladinnløpet og -utløpet:
1) Når pumpen opererer under høye strømningsforhold, oppstår strømningsseparasjon og virvler på forkanten av bladene, noe som skaper undertrykk som kan forårsake kavitasjon foran på bladene.
2) Når pumpen opererer under lavstrømsforhold, genereres virvler på baksiden av bladene, noe som skaper en lav-trykksone og forårsaker kavitasjon på baksiden av bladene.
(2) Gap kavitasjon
Det refererer til kavitasjonen som dannes når væsken strømmer gjennom en smal kanal eller gap, noe som forårsaker en lokal økning i strømningshastighet og en reduksjon i trykket til fordampningstrykket til strømningskomponentene.
Ved gapet mellom den slitesterke-ringen på sentrifugalpumpehuset og ytterkanten (dekselplaten) på løpehjulet, under trykkforskjellen (spesielt stor trykkforskjell) på begge sider av løpehjulets innløp og utløp, strømmer væsken på utløpssiden tilbake med høy hastighet, noe som forårsaker lokalt trykkfall og kavitasjon.
I det lille gapet mellom ytterkanten av aksialstrømningspumpebladene og pumpehuset, under påvirkning av trykkforskjellen mellom forsiden og baksiden av bladene, kan den høye reversstrømningshastigheten til væsken i gapet også forårsake lokalt trykkfall, noe som resulterer i kavitasjon ved den tilsvarende ytterkanten av bladene i pumpehuset, og danner en grovsone ved overflatekakekanten og utsiden av impelleren.
(3) Grov kavitasjon
Grov kavitasjon refererer til generering av virvler nedstrøms for fremspring når væske strømmer gjennom den ujevne overflaten av grovstrømningskomponenter inne i pumpehuset, forårsaker et lokalt trykkfall og fører til kavitasjon.
Under støping og bearbeiding av pumpestrømkomponenter kan overflateujevnheter, sandhull, lufthull osv. forårsake plutselige endringer i lokal strømningstilstand og føre til kavitasjon.
(4) Kavitasjon i hulrom
Kavitasjon i et hulrom refererer til dannelsen av et spiralvirvelbånd i sugekammeret ved innløpet til en pumpe på grunn av dårlige vanninntaksforhold eller utilstrekkelig nedsenkningsdybde. Når det sentrale trykket i virvelbeltet synker til fordampningstrykket, vil det også oppstå kavitasjon, ledsaget av sterk vibrasjon.
(5) Tilbakeløpskavitasjon
Generelt sett er forutsetningen for kavitasjon NPSHa
Når pumpestrømningshastigheten er for lav eller innløpstrykket er for høyt, oppstår tilbakestrømning. Når pumpestrømningshastigheten er for lav, oppstår intern refluks ved innløpet til pumpehjulet; Når innløpstrykket til pumpen er for høyt, oppstår intern refluks ved utløpet av pumpehjulet. Intern refluks forårsaker en økning i væskestrømningshastigheten inntil fordampning produserer bobler, som deretter brister under høyere omgivende trykk. Når intern tilbakestrøm oppstår ved sugeporten, vil det avgis uregelmessig knitrende støy rundt sugeporten på pumpen, akkompagnert av høy-detonasjonslyd.
Tilbakeløpskavitasjon kan generelt forbedres gjennom følgende metoder:
1) Øk pumpens utgående strømningshastighet.
2) Installer en bypass mellom pumpens innløp og utløp (denne metoden er vanskelig for kunder å akseptere i praktiske applikasjoner).
3) Optimaliser strukturen til pumpehjulet (reduser innløpsarealet til pumpehjulet).
2. Farene ved kavitasjon
(1) Ytelsesforringelse, skade på rørledningen
Kavitasjon kan redusere pumpens ytelse betydelig. Vanligvis, for sentrifugalpumper, når innløpstrykket faller til en viss grad, vil ytelsen reduseres kraftig, som også er kjent som kavitasjonsbrudd. Kavitasjon kan også forårsake ustabilitet inne i væsken, noe som kan føre til svingninger i strømning og trykk. Ved hjelp av disse svingningene kan det forårsake skade på pumpen og dens innløps- og utløpsrørledninger.
(2) Alvorlig skade på overstrømskomponentene til pumpen
Kavitasjon kan forårsake skade på overflaten av komponenter. Når bobler sprekker, genererer den omkringliggende væsken ekstremt høyt slagtrykk (topptrykk) på opptil 49 MPa. Når den hydrauliske styrken til kavitasjon overstiger materialets evne til å motstå denne påvirkningen, kan det føre til lokal utmatting av veggmateriale og løsgjøring av overflatemateriale. Kavitasjon oppstår samtidig med kjemisk og elektrokjemisk korrosjon. Størrelsen på gropene som genereres av korrosjon og plastisk deformasjon av materialer i det tidlige stadiet av kavitasjon er omtrent 10 μm til 50 μm, spesielt for noen materialer med dårlig korrosjonsmotstand, som kan ha bikakelignende strukturer under langvarig-kavitasjon.
(3) Generer vibrasjoner og støy
I det øyeblikket boblen kondenserer, krymper og sprekker, fyller væsken rundt boblen tomrommet med høy hastighet (dannet av kondensering og brudd på boblen), og genererer trykkpulsasjoner og dermed spennende vibrasjoner og støy. Frekvensen av kavitasjonsstøy er generelt mellom 10 kHz og 100 kHz, mens frekvensen av kavitasjonsstøy forårsaket av refluks og trykkpulsering er rundt noen hundre Hz, noe som gjør det menneskelige øret spesielt følsomt. Samtidig kan kavitasjon også stimulere vibrasjon, og hovedfrekvensen for vibrasjon generert av kavitasjon er vanligvis rundt 1 kHz.
Kavitasjon er ikke bare preget av høye støynivåer, men også av vibrasjonsindikatorer som utilstrekkelig stivhet av pumpebasen og dårlig rørledningsstøtte, noe som kan forårsake strukturell resonans; Etter installasjonen av pumpen er basen fylt med betong, og støttestivheten til rørledningen er tilstrekkelig, noe som generelt ikke forårsaker sterke vibrasjonsfenomener. Gjennom vibrasjonsmåling på pumpehuset er imidlertid den høye-komponenten av vibrasjonsfrekvensen generert av kavitasjon dominerende, og akselerasjonsverdien til vibrasjonen er høyere enn vibrasjonsforskyvningen og vibrasjonshastigheten.
3. Vanlige tiltak for å forbedre kavitasjonsytelsen
(1) Tiltak for å forbedre anti-kavitasjonsytelsen til selve sentrifugalpumpene
1) Forbedre sugeportdesignet til pumpen
Ved å slipe løpehjulet kan strømningsarealet økes;
Øk krumningsradiusen til innløpsdelen av impellerdekselplaten for å redusere den raske akselerasjonen og trykkfallet til væskestrømmen;
Reduser tykkelsen på bladinnløpet på passende måte og rundt bladinnløpet (poler bladhodet, slip det for å redusere slagtapet av innløpet og reduserer følsomheten til innløpsvinkelen, og nødvendig kavitasjonstillegg kan reduseres med ca. 0,5 meter), noe som gjør det nær en strømlinjeformet form, og reduserer også akselerasjonen og trykkfallet rundt bladet.
Forbedre overflateglattheten til løpehjulet og bladinnløpet for å redusere motstandstap;
Forleng bladets innløpskant mot impellerinntaket for å la væskestrømmen motta arbeid på forhånd og øke trykket.
2) Legg til et induksjonshjul foran
Få væskestrømmen til å fungere på forhånd i det fremre induksjonshjulet for å øke væskestrømtrykket (dette opplegget krever strukturelle endringer og rekalibrering av ulike designparametere).
3) Vedta dobbelt sugehjul
Øk innløpsarealet til løpehjulet og reduser innløpsvæskens strømningshastighet (reduksjon i strømningshastighet og økning i trykk).
4) Bruke en litt større positiv angrepsvinkel
For å øke bladinnløpsvinkelen, reduser bøyningen ved bladinnløpet, minimer bladblokkering og øker dermed innløpsarealet;
Forbedre arbeidsforholdene under høye strømningsforhold for å redusere strømningstap. Men den positive angrepsvinkelen bør ikke være for stor, ellers vil det påvirke effektiviteten.
5) Bruke en lav-pumpe
Jo lavere rotasjonshastighet, jo mindre NPSHr.
6) Bruk av anti-kavitasjonsmaterialer
Praksis har vist at jo høyere styrke, hardhet og seighet et materiale har, desto bedre er dets kjemiske stabilitet, og jo sterkere motstand mot kavitasjon.
(2) Tiltak for å øke kavitasjonstilskuddet til enheten
1) Øk trykket på væskenivået i lagringstanken før pumpen for å forbedre det effektive kavitasjonstilskuddet.
2) Reduser installasjonshøyden på pumpen i sugeanordningen, spesielt ved transport av varmt vann som medium, og vurder forholdet mellom sugehøyden og mediumtemperaturen.
3) Bytt ut sugeanordningen med en tilbakestrømningsanordning.
4) Reduser strømningstapet i sugerørledningen før pumpen. Hvis mulig, forkort rørledningen innenfor det nødvendige området, bruk passende sugerørledningsdiameter og filterfiltreringsområde (hvis noen) for å redusere strømningshastigheten i rørledningen, redusere antall bøyninger og ventiler og øke ventilåpningen så mye som mulig.
5) Hvis gapet kavitasjon er alvorlig, kan metoden for å bore balansehull på impelleren brukes for å redusere lekkasjestrømningshastigheten og lindre graden av kavitasjon. Balansehullene på bladene har en destruktiv og forstyrrende effekt på den injiserte væskestrømmen ved impellerinnløpet. Arealet av balansehullene bør ikke være mindre enn 5 ganger klaringsarealet til tetningsringen for å redusere lekkasjestrømningshastigheten, og dermed redusere påvirkningen på hovedvæskestrømmen og forbedre pumpens anti-kavitasjonsevne.
6) Erfaring har vist at med utgangspunkt i kavitasjonsmekanismen kan tilskudd av en passende mengde gass til sugeporten forstyrre forholdene for kavitasjon. Å bruke luftpåfylling for å forhindre pumpekavitasjon er imidlertid svært teknisk, og bare med passende luftpåfyllingsvolum, plassering og metode kan gode resultater oppnås. Ellers vil det føre til en betydelig reduksjon i strømningshastigheten, trykkhøyden og effektiviteten til pumpen, og til og med føre til strømningsavbrudd og negative konsekvenser under drift.
Tatt i betraktning vanskeligheten med å kontrollere riktig mengde lufttilførsel og nøyaktig måling, kombinert med forfatterens praksis, anbefales det å bruke en nåleventil som kan justere strømningshastigheten for lufttilførselsventilen. Under-justering på stedet kan kavitasjonsstøy brukes til å skille: juster inntaksvolumet gjennom nåleventilen til kavitasjonsstøyen er minimert (noen systemer kan helt eliminere støy, men noen systemer kan bare redusere kavitasjonsstøy, ikke helt eliminere den), deretter justere nåleventilen litt tilbake for å redusere inntaksvolumet, observere unormale driftsforhold, og observere under ulike driftsforhold lås åpningen til nåleventilen. Denne metoden skal aldri senke lyden til det laveste nivået! Hvis innløpstrykket er positivt når pumpen slutter å gå, bør en tilbakeslagsventil installeres for å forhindre lekkasje.
7) Forskning har funnet at når mediet inneholder flyktige gasser og faste partikler som sand, vil kavitasjonsytelsen til pumpen reduseres. For å sikre at pumpen ikke opplever kavitasjon, bør pumpens sugehøyde reduseres med minst 4,2 meter fra beregnet høyde på rentvannet. Dette er verdt å være oppmerksom på i kommunenæringen.