Кавитация и кавитационный запас

Гидродинамической кавитацией в насосе называют процесс холодного кипения жидкости в результате местного понижения давления, сопровождаемый образованием воздушных полостей в сплошном потоке. В центробежных насосах явление гидродинамической кавитации развивается при понижении давления в заборном канале рабочего колеса ниже критического уровня в результате большой скорости движения потока жидкости. Процесс выделения из потока большого количества пузырьков воздуха (пара) в зоне низкого давления движущейся жидкости напоминает кипение жидкости в электрочайнике при нагреве до температуры парообразования, которое из-за низкой температуры среды получило название «холодного кипения»

Микроскопические пузырьки воздуха (пара) и образованные пузырьками устойчивые воздушные полости перемещаются с потоком жидкости в колесо, мгновенно разрушаясь в зоне повышенного давления и создавая при разрушении высокоэнергетическую ударную волну. Насос в состоянии кавитации вибрирует и издает характерный металлический звук частых ударов молотком. Тысячи микровзрывов при схлопывании пузырьков создают звуковой эффект при работе насоса, как будто бы он перекачивает вместо воды песок. Кавитация для центробежных насосов не проходит безболезненно. Даже незначительные кавитационные явления способны стать причиной эрозионного разрушения материалов проточной части, снизить рабочие характеристики и КПД насоса. При достижении предела допустимого понижения давления на входе в насос кавитация приводит к аварии – «обрыву» рабочих характеристик и «сухому» ходу насоса.

Рабочие характеристики погружных насосов рассчитаны производителем оборудования так, что кавитация в насосе не способна возникнуть при работе насоса в допустимых пределах рабочего поля напора и производительности. Для поверхностных насосов с использованием всасывающего канала и отрицательной высоты всасывания выполняют расчет кавитационного запаса. Под кавитационным запасом понимают избыток удельной энергии жидкости над удельной энергией (упругостью) ее насыщенных паров или, проще говоря, необходимый уровень давления жидкости на входе в функционирующий насос.

Общепринятым в Европе обозначением кавитационного запаса принято считать аббревиатуру NPSH (Net Positive Suction Head). Характеристика NPSH отражает неспособность насоса создавать на входе абсолютный вакуум и обеспечивать всасывание жидкости с высоты равной или большей чем 10,33 метра, соответствующей значению атмосферного давления на уровне моря. С физической точки зрения параметр NPSH показывает абсолютное давление на входе в насос, достаточное для предотвращения кавитационного процесса. Кавитация будет сопровождать попытку насоса осуществить подъем определенного количества воды с глубины, превышающей допустимую характеристиками высоту всасывания. Производитель насосного оборудования среди основных характеристик насоса указывает максимальную высоту всасывания и предоставляет характеристическую кривую NPSH как функцию зависимости от скорости потока жидкости. Максимальная высота всасывания и кавитационная характеристика насоса NPSH взаимосвязаны:

H_max = A - NPSH - H_asp – H_r, м, где

А - абсолютное давление в метрах на свободную поверхность жидкости во всасывающей емкости. При всасывании жидкости из открытого источника, находящегося в прямом контакте с атмосферой, давление А равно атмосферному давлению;

H_asp - потери напора на преодоление сопротивления движению потока жидкости во всасывающем трубопроводе, м;

H_r - давление парообразования жидкости в метрах водяного столба;

На значение требуемого NPSH оказывает влияние подача насоса: требуемое значение NPSH увеличивается с увеличением скорости потока перекачиваемой среды. Часто для обеспечения нормального режима работы насоса достаточно частично перекрыть задвижку в магистральном трубопроводе, снизив, таким образом, производительность насоса. При необходимости обеспечить производительность насоса в условиях недостаточного кавитационного запаса решениеможет быть связано с увеличением типоразмера насоса с более низким требуемым значением NPSH при заданной производительности насоса.