La cavitazione è un problema comune durante il funzionamento delle pompe centrifughe, che può causare un aumento delle vibrazioni e del rumore della pompa, una diminuzione delle prestazioni e gravi danni ai componenti.
Questo articolo non esplora la conoscenza teorica professionale della cavitazione, ma tenta solo di utilizzare un linguaggio relativamente semplice per fornire un'introduzione dettagliata a diversi tipi comuni di cavitazione nelle pompe centrifughe, ai rischi della cavitazione e alle misure comunemente utilizzate per migliorare la cavitazione in loco.
1. Tipi di cavitazione
Dal punto in cui si verifica, la cavitazione può essere suddivisa in cavitazione della lama, cavitazione dello spazio vuoto, cavitazione ruvida, cavitazione della cavità e cavitazione del riflusso.
(1) Cavitazione fogliare
Quando si verifica la cavitazione, la formazione e lo scoppio di bolle si verificano principalmente sulla parte anteriore e posteriore delle pale, fenomeno noto anche come cavitazione del profilo alare, che è la principale forma di cavitazione nelle pompe centrifughe. Quando la pompa è installata troppo in alto, anche se funziona nelle condizioni di progetto, è probabile che si formi un'area di bassa-pressione sul retro dell'ingresso e dell'uscita della pala:
1) Quando la pompa funziona in condizioni di flusso elevato, si verificano separazione del flusso e vortici sul bordo anteriore delle pale, creando una pressione negativa che può causare cavitazione sulla parte anteriore delle pale.
2) Quando la pompa funziona in condizioni di flusso basso, vengono generati vortici sul retro delle pale, creando una zona di bassa-pressione e causando cavitazione sul retro delle pale.
(2) Cavitazione tra spazi
Si riferisce alla cavitazione che si forma quando il liquido scorre attraverso un canale o uno spazio stretto, provocando un aumento locale della velocità del flusso e una diminuzione della pressione rispetto alla pressione di vaporizzazione dei componenti del flusso.
Nello spazio tra l'anello-resistente all'usura del corpo della pompa centrifuga e il bordo esterno (piastra di copertura) della girante, sotto la differenza di pressione (in particolare una grande differenza di pressione) su entrambi i lati dell'ingresso e dell'uscita della girante, il liquido sul lato di uscita rifluisce ad alta velocità, causando caduta di pressione locale e cavitazione
Nel piccolo spazio tra il bordo esterno delle pale della pompa a flusso assiale e il corpo della pompa, sotto l'azione della differenza di pressione tra la parte anteriore e posteriore delle pale, l'elevata velocità del flusso inverso del liquido nello spazio può anche causare una caduta di pressione locale, con conseguente cavitazione sul corrispondente bordo esterno delle pale nel corpo della pompa e formazione di una zona di cavitazione a nido d'ape e con superficie ruvida sul bordo esterno della girante e delle pale.
(3) Cavitazione grossolana
Per cavitazione irregolare si intende la generazione di vortici a valle delle sporgenze quando il liquido scorre attraverso la superficie irregolare dei componenti a flusso irregolare all'interno del corpo della pompa, causando una caduta di pressione locale e portando alla cavitazione.
Durante la fusione e la lavorazione dei componenti del flusso della pompa, irregolarità della superficie, fori di sabbia, fori d'aria, ecc. possono causare cambiamenti improvvisi nello stato del flusso locale e provocare cavitazione.
(4) Cavitazione della cavità
Per cavitazione in una cavità si intende la formazione di una fascia di vortice a spirale nella camera di aspirazione all'ingresso di una pompa a causa di cattive condizioni di ingresso dell'acqua o di una profondità di immersione insufficiente. Quando la pressione centrale della cintura a vortice diminuisce fino alla pressione di vaporizzazione, si verificherà anche la cavitazione, accompagnata da forti vibrazioni.
(5) Cavitazione da reflusso
In generale, il prerequisito per la cavitazione è NPSHa
Quando la portata di pompaggio è troppo bassa o la pressione in ingresso è troppo alta, si verifica un riflusso. Quando la portata di pompaggio è troppo bassa si verifica un riflusso interno all'ingresso della girante; Quando la pressione in ingresso della pompa è troppo elevata, all'uscita della girante si verifica un riflusso interno. Il riflusso interno provoca un aumento della portata del liquido finché la vaporizzazione non produce bolle, che poi si rompono sotto una maggiore pressione circostante. Quando si verifica un riflusso interno alla porta di aspirazione, attorno alla porta di aspirazione della pompa verrà emesso un crepitio irregolare, accompagnato da un suono di detonazione ad alta-intensità.
La cavitazione da reflusso può generalmente essere migliorata attraverso i seguenti metodi:
1) Aumentare la portata in uscita della pompa.
2) Installare un bypass tra l'ingresso e l'uscita della pompa (questo metodo è difficilmente accettabile dai clienti nelle applicazioni pratiche).
3) Ottimizzare la struttura della girante (ridurre l'area di ingresso della girante).
2. I rischi della cavitazione
(1) Degrado delle prestazioni, danni alla tubazione
La cavitazione può ridurre significativamente le prestazioni della pompa. Di solito, nelle pompe centrifughe, quando la pressione in ingresso diminuisce in una certa misura, le loro prestazioni diminuiscono drasticamente, fenomeno noto anche come frattura da cavitazione. La cavitazione può anche causare instabilità all'interno del fluido, che può portare a oscillazioni di flusso e pressione. Con l'aiuto di queste oscillazioni, si potrebbe causare danni alla pompa e alle sue tubazioni di ingresso e uscita.
(2) Gravi danni ai componenti di sovracorrente della pompa
La cavitazione può causare danni alla superficie dei componenti. Quando le bolle scoppiano, il liquido circostante genera una pressione d'impatto estremamente elevata (pressione di picco) fino a 49 MPa. Quando la forza idraulica della cavitazione supera la capacità del materiale di resistere a questo impatto, può portare al cedimento per fatica locale del materiale della parete e al distacco del materiale superficiale. La cavitazione avviene contemporaneamente alla corrosione chimica ed elettrochimica. La dimensione degli alveoli generati dalla corrosione e dalla deformazione plastica dei materiali nella fase iniziale della cavitazione varia da circa 10 μm a 50 μm, soprattutto per alcuni materiali con scarsa resistenza alla corrosione, che possono mostrare strutture a nido d'ape sotto cavitazione a lungo-termine.
(3) Generare vibrazioni e rumore
Nel momento in cui la bolla si condensa, si restringe e si rompe, il liquido attorno alla bolla riempie ad alta velocità il vuoto (formato dalla condensazione e dalla rottura della bolla), generando pulsazioni di pressione e quindi eccitando vibrazioni e rumore. La frequenza del rumore di cavitazione è generalmente compresa tra 10 kHz e 100 kHz, mentre la frequenza del rumore di cavitazione causato dal riflusso e dalle pulsazioni di pressione si aggira intorno a poche centinaia di Hz, il che rende l'orecchio umano particolarmente sensibile. Allo stesso tempo, la cavitazione può anche stimolare la vibrazione e la frequenza principale della vibrazione generata dalla cavitazione è generalmente intorno a 1 kHz.
La cavitazione non è caratterizzata solo da elevati livelli di rumore, ma anche da indicatori di vibrazione come l'insufficiente rigidità della base della pompa e uno scarso supporto della tubazione, che possono causare risonanza strutturale; Dopo l'installazione della pompa, il basamento viene riempito di calcestruzzo, ed è sufficiente la rigidezza di sostegno della tubazione, che generalmente non provoca forti fenomeni di vibrazione. Tuttavia, attraverso la misurazione delle vibrazioni sul corpo della pompa, la componente ad alta-frequenza della vibrazione generata dalla cavitazione è dominante e il valore di accelerazione della vibrazione è superiore allo spostamento e alla velocità della vibrazione.
3. Misure comuni per migliorare le prestazioni di cavitazione
(1) Misure per migliorare le prestazioni anti cavitazione delle stesse pompe centrifughe
1) Migliorare il design della porta di aspirazione della pompa
Rettificando la girante è possibile aumentare l'area di flusso;
Aumentare il raggio di curvatura della sezione di ingresso della piastra di copertura della girante per ridurre la rapida accelerazione e la caduta di pressione del flusso di liquido;
Ridurre adeguatamente lo spessore dell'ingresso della lama e arrotondare l'ingresso della lama (lucidare la testa della lama, affilarla per ridurre la perdita di impatto dell'ingresso e ridurre la sensibilità dell'angolo di ingresso e il margine di cavitazione necessario può essere ridotto di circa 0,5 metri), avvicinandola a una forma snella e riducendo anche l'accelerazione e la caduta di pressione attorno alla testa della lama;
Migliorare la levigatezza della superficie della girante e dell'ingresso della pala per ridurre la perdita di resistenza;
Estendere il bordo di ingresso della pala verso l'ingresso della girante per consentire al flusso del liquido di ricevere lavoro in anticipo e aumentare la pressione.
2) Aggiungi una ruota a induzione anteriore
Far funzionare in anticipo il flusso del liquido nella ruota di induzione anteriore per aumentare la pressione del flusso del liquido (questo schema richiede modifiche strutturali e ricalibrazione di vari parametri di progettazione).
3) Adozione della doppia girante di aspirazione
Aumentare l'area di ingresso della girante e ridurre la portata del liquido in ingresso (diminuzione della portata e aumento della pressione).
4) Utilizzando un angolo di attacco positivo leggermente più grande
Per aumentare l'angolo di ingresso della lama, ridurre la flessione all'ingresso della lama, minimizzare il blocco della lama e quindi aumentare l'area di ingresso;
Migliorare le condizioni di lavoro in condizioni di flusso elevato per ridurre le perdite di flusso. Ma l'angolo di attacco positivo non dovrebbe essere troppo grande, altrimenti influenzerebbe l'efficienza.
5) Utilizzo di una pompa a bassa-velocità
Minore è la velocità di rotazione, minore è l'NPSHr.
6) Utilizzo di materiali anti cavitazione
La pratica ha dimostrato che maggiore è la resistenza, la durezza e la tenacità di un materiale, migliore è la sua stabilità chimica e più forte la sua resistenza alla cavitazione.
(2) Misure per aumentare la capacità di cavitazione del dispositivo
1) Aumentare la pressione del livello del liquido nel serbatoio di stoccaggio prima della pompa per migliorare l'effettiva tolleranza alla cavitazione.
2) Ridurre l'altezza di installazione della pompa nel dispositivo di aspirazione, soprattutto quando si trasporta acqua calda come mezzo, e considerare il rapporto tra l'altezza di aspirazione e la temperatura del mezzo.
3) Sostituire il dispositivo di aspirazione con un dispositivo di riflusso.
4) Ridurre la perdita di flusso nella tubazione di aspirazione prima della pompa. Se possibile, accorciare la tubazione entro l'intervallo richiesto, utilizzare il diametro della tubazione di aspirazione e l'area di filtraggio del filtro adeguati (se presente) per ridurre la portata nella tubazione, ridurre il numero di curve e valvole e aumentare il più possibile l'apertura della valvola.
5) Se la cavitazione è grave, è possibile adottare il metodo di praticare fori di bilanciamento sulla girante per ridurre la portata della perdita e alleviare il grado di cavitazione. I fori di bilanciamento sulle pale hanno un effetto distruttivo e interferente sul flusso del liquido iniettato all'ingresso della girante. L'area dei fori di bilanciamento non deve essere inferiore a 5 volte l'area libera dell'anello di tenuta per ridurre la portata delle perdite, riducendo così l'impatto sul flusso del liquido principale e migliorando la capacità anticavitazione della pompa.
6) L'esperienza ha dimostrato che, partendo dal meccanismo della cavitazione, l'integrazione di una quantità adeguata di gas nella bocca di aspirazione può perturbare le condizioni affinché si verifichi la cavitazione. Tuttavia, l’utilizzo del rifornimento d’aria per prevenire la cavitazione della pompa è altamente tecnico e solo con un volume, una posizione e un metodo di rifornimento d’aria adeguati è possibile ottenere buoni risultati. In caso contrario, ciò causerà una significativa diminuzione della portata, della prevalenza e dell'efficienza della pompa e porterà anche all'interruzione del flusso e a conseguenze negative durante il funzionamento.
Considerando la difficoltà nel controllare la quantità appropriata di fornitura d'aria e una misurazione accurata, combinata con la pratica dell'autore, si consiglia di utilizzare una valvola a spillo in grado di regolare la portata della valvola di fornitura d'aria. Durante la regolazione in loco-, il rumore di cavitazione può essere utilizzato per distinguere: regolare il volume di aspirazione attraverso la valvola a spillo fino a ridurre al minimo il rumore di cavitazione (alcuni sistemi possono eliminare completamente il rumore, ma alcuni sistemi possono solo ridurre il rumore di cavitazione, non eliminarlo completamente), quindi regolare leggermente indietro la valvola a spillo per ridurre il volume di aspirazione, osservare il funzionamento per un periodo di tempo finché non si verificano anomalie di prestazione nelle varie condizioni operative specificate, quindi bloccare l'apertura della valvola a spillo. Questo metodo non dovrebbe mai abbassare il suono al livello più basso! Se la pressione in ingresso è positiva quando la pompa smette di funzionare, è necessario installare una valvola di ritegno per evitare perdite.
7) La ricerca ha scoperto che quando il mezzo contiene gas volatili e particelle solide come la sabbia, le prestazioni di cavitazione della pompa diminuiscono. Per garantire che la pompa non subisca cavitazione, l'altezza di aspirazione della pompa deve essere ridotta di almeno 4,2 metri dall'altezza calcolata dell'acqua pulita. Vale la pena prestare attenzione a questo nell'industria municipale.
