Кавитация и NPSH (net positive suction head – кавитационный запас)
NPSH (net positive suction head), т. е. кавитационный запас – одно из наиболее проблемных понятий в гидравлике насосов. Во многих статьях говорится о проблемах, вызываемых кавитацией, но, как правило, не раскрывается само это понятие. Ниже упрощённо объясняются связи кавитации и NPSH (кавитационного запаса).
При составлении системы с центробежным насосом и выборе насосов во избежание проблем следует всегда учитывать требование кавитационного запаса (именуемого в дальнейшем NPSH).
Если давление насыщенных паров перекачиваемой жидкости падает ниже абсолютного давления жидкости в зоне входа на лопатки рабочего колеса, то в жидкости образуются пузырьки пара. При работе насоса образовавшиеся пузырьки пара движутся вдоль поверхности лопатки рабочего колеса от центра в сторону. (Рис. 1).
При движении пузырьков таким образом постоянно возрастает давление жидкости, окружающей пузырьки пара. Когда пузырёк достигает зоны, в которой давление окружающей жидкости больше, чем давление внутри пузырька, пузырёк разрушается – коллапсирует. Это явление является противоположностью взрыву. Как правило, таких пузырьков сотни, и они все коллапсируют на лопатке рабочего колеса практически на одной линии.
Такой коллапс создаёт как гидравлические, так и механические проблемы. И для предотвращения данной ситуации и устанавливается изготовителем насоса требование минимально потребного кавитационного запаса, при котором данное явление не возникает или же оно минимально. Это требование обозначается NPSHr, а единицей является метр высоты столба жидкости. (NPSHr – “required” – требуемый кавитационный запас, т. е. необходимый для работы насоса).
Коллапсирующие пузырьки создают специфический звук, будто в насосе движутся камешки. Шум может оказаться настолько сильным, что начнёт оказывать существенное влияние на рабочую среду.
Вторым проявлением возникающих проблем является «выпадение» насоса из графика. Кавитируя, насос создаёт давление значительно ниже ожидаемого, и его производительность падает (Рис. 2)
Третьим проявлением являются механические повреждения, которые происходят в результате кавитации. Кавитация создаёт сильную вибрацию, поскольку чередующиеся на рабочем колесе пузырьки газа и жидкость создают неравномерную нагрузку. Лопаясь, каждый пузырёк создаёт также ударную волну, которая с течением времени разрушает рабочее колесо, постепенно вырывая материал с его поверхности. Скорость такого процесса, т. е. количество удаляемого материала зависит от интенсивности кавитации и от материала рабочего колеса.
Если рабочее колесо состоит из ферритового материала, такого, например, как чугун, то при прокачке воды чугун корродирует и, в то же время, в результате ударной волны происходит эрозия материала. Если используемый материал является более коррозионностойким, как, например, бронза, то мы имеем дело только с эрозией, вызванной ударной волной, однако меньшая прочность этого материала приводит к тому, что на нём образуются следы эрозии, схожие с чеканкой – напоминающие поверхность, обработанную молоточком для чеканки. Материалы с высокой коррозионной стойкостью, такие, как нержавеющая сталь, дуплексная сталь и т. п. благодаря своей твёрдости дольше выдерживают воздействие эрозии от ударной волны, т. е. кавитации, однако с течением времени агрессивная кавитация разрушает любое рабочее колесо и выводит из строя подшипники насоса.
С течением времени кавитация образует в рабочем колесе отверстие, однако ещё до этого возникают механические проблемы, поскольку рабочее колесо больше не является сбалансированным, и вибрация разрушает как подшипники, так и уплотнения.
Выше описан результат, возникающий при нарушении нормы NPSH (допускаемого кавитационного запаса). Ниже приводим примерный подход на практике к значениям NPSH.
NPSHa (NPSH “availible” – располагаемый).
* Используем международно принятый способ написания) рассчитывается по формуле:
NPSHa = p – Hh + Hs – Hvp, где (1)
p – абсолютное давление,
Hh – это потери в трубопроводе от трения
HS – статическая высота уровня жидкости от оси рабочего колеса насоса.
Hvp – давление насыщенных паров жидкости
Все единицы представлены в метрах или в футах водяного столба.
В открытой системе при давлении воздуха 760 мм рт. ст. со стороны нашей атмосферы NPSHa (располагаемый кавитационный запас насоса) составляет 10,33 м.в.ст. Данное давление влияет на уровень жидкости (в формуле p).
На практике используется единица м.в.ст. (метры водяного столба, кратко – метры, англ.: mwc – meter water column)
Необходимо помнить, что если мы оперируем с жидкостями, удельный вес которых не равен единице, то полученный в результате произведенных действий результат следует всегда умножать на удельный вес жидкости.
При выборе насосов необходимо обеспечить, чтобы: NPSHa > NPSHr
(NPSHr – “required” – требуемый кавитационный запас, т. е. необходимый для работы насоса).
Кроме конструкции насоса, NPSHr зависит также от расположения рабочей точки насоса на графике «давление/производительность», и на графиках насосов представляется отдельно графиком «NPSHr/производительность».
На рисунке 3 приведены следующие размеры:
Hs – статическая высота всасывания, Формула 1
Hd – статическое дифференциальное давление насоса.
Абсолютное дифференциальное давление насоса получим, прибавив к данному статическому значению потери в трубопроводе при движении жидкости.
