Cavitatie is een veelvoorkomend probleem tijdens de werking van centrifugaalpompen, wat een toename van de trillingen en het geluid van de pomp, een afname van de prestaties en ernstige schade aan componenten kan veroorzaken.
Dit artikel onderzoekt niet de professionele theoretische kennis van cavitatie, maar probeert alleen relatief eenvoudige taal te gebruiken om een gedetailleerde introductie te geven over verschillende veel voorkomende soorten cavitatie in centrifugaalpompen, de gevaren van cavitatie en veelgebruikte maatregelen om cavitatie ter plaatse te verbeteren.
1. Soorten cavitatie
Vanaf de plaats van optreden kan cavitatie worden onderverdeeld in bladcavitatie, spleetcavitatie, ruwe cavitatie, holtecavitatie en terugstroomcavitatie.
(1) Bladcavitatie
Wanneer cavitatie optreedt, vindt de vorming en het barsten van bellen voornamelijk plaats aan de voor- en achterkant van de bladen, ook wel aerodynamische cavitatie genoemd, de belangrijkste vorm van cavitatie in centrifugaalpompen. Als de pomp te hoog wordt geïnstalleerd, zelfs als de pomp onder ontwerpomstandigheden draait, kan er een lage- drukgebied ontstaan aan de achterkant van de inlaat en uitlaat van het blad:
1) Wanneer de pomp werkt onder omstandigheden met een hoog debiet, treden er scheiding van de stroming en wervels op aan de voorrand van de bladen, waardoor een negatieve druk ontstaat die cavitatie aan de voorkant van de bladen kan veroorzaken.
2) Wanneer de pomp werkt onder omstandigheden met een laag debiet, worden er wervels gegenereerd aan de achterkant van de bladen, waardoor een lage-drukzone ontstaat en cavitatie aan de achterkant van de bladen ontstaat.
(2) Spleetcavitatie
Het verwijst naar de cavitatie die wordt gevormd wanneer de vloeistof door een smal kanaal of opening stroomt, waardoor een lokale toename van de stroomsnelheid en een afname van de druk op de verdampingsdruk van de stroomcomponenten ontstaat.
Bij de opening tussen de slijtvaste ring- van het centrifugaalpomphuis en de buitenrand (afdekplaat) van de waaier, onder het drukverschil (vooral groot drukverschil) aan beide zijden van de inlaat en uitlaat van de waaier, stroomt de vloeistof aan de uitlaatzijde met hoge snelheid terug, waardoor lokaal drukverlies en cavitatie ontstaat
In de kleine opening tussen de buitenrand van de axiale stromingspompbladen en het pomphuis, onder invloed van het drukverschil tussen de voor- en achterkant van de bladen, kan de hoge tegenstroomsnelheid van de vloeistof in de opening ook een lokale drukval veroorzaken, resulterend in cavitatie aan de overeenkomstige buitenrand van de bladen in het pomphuis, en het vormen van een honingraat- en ruw oppervlakcavitatiezone aan de buitenrand van de waaier en de bladen.
(3) Ruwe cavitatie
Ruwe cavitatie verwijst naar het genereren van wervels stroomafwaarts van uitsteeksels wanneer vloeistof door het oneffen oppervlak van ruwe stromingscomponenten in het pomphuis stroomt, wat een plaatselijke drukval veroorzaakt en tot cavitatie leidt.
Tijdens het gieten en verwerken van pompstromingscomponenten kunnen oneffenheden in het oppervlak, zandgaten, luchtgaten enz. plotselinge veranderingen in de plaatselijke stromingstoestand veroorzaken en tot cavitatie leiden.
(4) Holtecavitatie
Cavitatie in een holte verwijst naar de vorming van een spiraalvormige wervelband in de zuigkamer bij de inlaat van een pomp als gevolg van slechte waterinlaatomstandigheden of onvoldoende onderdompelingsdiepte. Wanneer de centrale druk van de vortexband afneemt tot de verdampingsdruk zal er tevens cavitatie optreden, gepaard gaande met sterke trillingen.
(5) Refluxcavitatie
Over het algemeen is NPSHa de voorwaarde voor cavitatie
Wanneer het pompdebiet te laag is of de inlaatdruk te hoog, treedt terugstroming op. Wanneer het pompdebiet te laag is, treedt interne reflux op bij de inlaat van de waaier; Wanneer de inlaatdruk van de pomp te hoog is, treedt er interne reflux op aan de uitlaat van de waaier. Interne reflux veroorzaakt een toename van de vloeistofstroomsnelheid totdat verdamping bellen produceert, die vervolgens scheuren onder hogere omgevingsdruk. Wanneer er interne terugstroming optreedt bij de aanzuigpoort, zal er een onregelmatig knetterend geluid worden geproduceerd rond de aanzuigpoort van de pomp, vergezeld van een ontploffingsgeluid met hoge-intensiteit.
Refluxcavitatie kan over het algemeen worden verbeterd door de volgende methoden:
1) Verhoog het uitgangsdebiet van de pomp.
2) Installeer een bypass tussen de inlaat en uitlaat van de pomp (deze methode is voor klanten moeilijk te accepteren in praktische toepassingen).
3) Optimaliseer de structuur van de waaier (verklein het inlaatoppervlak van de waaier).
2. De gevaren van cavitatie
(1) Prestatievermindering, schade aan pijpleidingen
Cavitatie kan de prestaties van de pomp aanzienlijk verminderen. Meestal zullen bij centrifugaalpompen, wanneer de inlaatdruk tot op zekere hoogte daalt, hun prestaties sterk afnemen, wat ook bekend staat als cavitatiebreuk. Cavitatie kan ook instabiliteit in de vloeistof veroorzaken, wat kan leiden tot schommelingen in stroming en druk. Met behulp van deze trillingen kan dit schade aan de pomp en de inlaat- en uitlaatleidingen veroorzaken.
(2) Ernstige schade aan de overstroomcomponenten van de pomp
Cavitatie kan schade aan het oppervlak van componenten veroorzaken. Wanneer bellen barsten, genereert de omringende vloeistof een extreem hoge impactdruk (piekdruk) van maximaal 49 MPa. Wanneer de hydraulische sterkte van cavitatie groter is dan het vermogen van het materiaal om deze impact te weerstaan, kan dit leiden tot plaatselijke vermoeiingsproblemen van het wandmateriaal en het loslaten van oppervlaktemateriaal. Cavitatie treedt gelijktijdig op met chemische en elektrochemische corrosie. De grootte van de putten die worden gegenereerd door corrosie en plastische vervorming van materialen in het vroege stadium van cavitatie is ongeveer 10 μm tot 50 μm, vooral voor sommige materialen met een slechte corrosieweerstand, die bij langdurige cavitatie honingraatachtige structuren kunnen vertonen.
(3) Genereer trillingen en geluid
Op het moment dat de bel condenseert, krimpt en scheurt, vult de vloeistof rond de bel de leegte met hoge snelheid (gevormd door de condensatie en het scheuren van de bel), waardoor drukpulsaties worden gegenereerd en daardoor trillingen en geluid worden opgewekt. De frequentie van cavitatiegeluid ligt doorgaans tussen 10 kHz en 100 kHz, terwijl de frequentie van cavitatiegeluid veroorzaakt door reflux- en drukpulsatie rond de enkele honderden Hz ligt, wat het menselijk oor bijzonder gevoelig maakt. Tegelijkertijd kan cavitatie ook trillingen stimuleren, en de hoofdfrequentie van de trillingen die door cavitatie worden gegenereerd, ligt doorgaans rond de 1 kHz.
Cavitatie wordt niet alleen gekenmerkt door hoge geluidsniveaus, maar ook door trillingsindicatoren zoals onvoldoende stijfheid van de pompbasis en slechte ondersteuning van de pijpleiding, wat structurele resonantie kan veroorzaken; Na de installatie van de pomp wordt de basis gevuld met beton en is de steunstijfheid van de pijpleiding voldoende, wat over het algemeen geen sterke trillingsverschijnselen veroorzaakt. Door trillingsmetingen op het pomplichaam is de hoogfrequente component van de door cavitatie gegenereerde trillingsfrequentie echter dominant, en is de versnellingswaarde van de trilling hoger dan de trillingsverplaatsing en trillingssnelheid.
3. Gemeenschappelijke maatregelen om de cavitatieprestaties te verbeteren
(1) Maatregelen om de anti-cavitatieprestaties van centrifugaalpompen zelf te verbeteren
1) Verbeter het ontwerp van de zuigpoort van de pomp
Door de waaier te slijpen kan het stroomoppervlak vergroot worden;
Vergroot de kromtestraal van het inlaatgedeelte van de waaierafdekplaat om de snelle versnelling en drukval van de vloeistofstroom te verminderen;
Verminder de dikte van de bladinlaat op de juiste manier en rond de bladinlaat (polijst de bladkop, slijp deze om het impactverlies van de inlaat te verminderen en de gevoeligheid van de inlaathoek te verminderen, en de noodzakelijke cavitatietoeslag kan met ongeveer 0,5 meter worden verminderd), waardoor deze een gestroomlijnde vorm krijgt en ook de versnelling en drukval rond de bladkop wordt verminderd;
Verbeter de oppervlaktegladheid van de waaier en de bladinlaat om weerstandsverlies te verminderen;
Verleng de inlaatrand van het blad richting de waaierinlaat, zodat de vloeistofstroom van tevoren werk kan krijgen en de druk kan worden verhoogd.
2) Voeg een inductiewiel aan de voorkant toe
Laat de vloeistofstroom vooraf werken in het voorste inductiewiel om de vloeistofstroomdruk te verhogen (dit schema vereist structurele veranderingen en herkalibratie van verschillende ontwerpparameters).
3) Goedkeuring van dubbele zuigkrachtwaaier
Vergroot het inlaatoppervlak van de waaier en verminder het vloeistofdebiet van de inlaat (verminder het debiet en verhoog de druk).
4) Gebruik een iets grotere positieve aanvalshoek
Om de inlaathoek van het blad te vergroten, vermindert u de buiging bij de bladinlaat, minimaliseert u de bladblokkering en vergroot u zo het inlaatgebied;
Verbeter de werkomstandigheden onder hoge stroomomstandigheden om stroomverliezen te verminderen. Maar de positieve invalshoek mag niet te groot zijn, anders heeft dit invloed op de efficiëntie.
5) Gebruik een pomp met lage- snelheid
Hoe lager de rotatiesnelheid, hoe kleiner de NPSHr.
6) Gebruik van anti-cavitatiematerialen
De praktijk heeft uitgewezen dat hoe hoger de sterkte, hardheid en taaiheid van een materiaal, hoe beter de chemische stabiliteit en hoe sterker de weerstand tegen cavitatie.
(2) Maatregelen om de cavitatietolerantie van het apparaat te vergroten
1) Verhoog de druk van het vloeistofniveau in de opslagtank vóór de pomp om de effectieve cavitatietoeslag te verbeteren.
2) Verklein de installatiehoogte van de pomp in het aanzuigapparaat, vooral wanneer heet water als medium wordt getransporteerd, en houd rekening met de relatie tussen de aanzuighoogte en de mediumtemperatuur.
3) Vervang het zuigapparaat door een terugstroomapparaat.
4) Verminder het stroomverlies in de zuigleiding vóór de pomp. Verkort indien mogelijk de pijpleiding binnen het vereiste bereik, gebruik de juiste diameter van de zuigleiding en het filterfiltratiegebied (indien aanwezig) om de stroomsnelheid in de pijpleiding te verminderen, verminder het aantal bochten en kleppen en vergroot de klepopening zoveel mogelijk.
5) Als de spleetcavitatie ernstig is, kan de methode voor het boren van balansgaten op de waaier worden toegepast om de lekstroomsnelheid te verminderen en de mate van cavitatie te verminderen. De balansgaten op de bladen hebben een destructief en verstorend effect op de geïnjecteerde vloeistofstroom bij de waaierinlaat. Het oppervlak van de balansgaten mag niet minder zijn dan 5 keer het vrije oppervlak van de afdichtring om het lekdebiet te verminderen, waardoor de impact op de hoofdvloeistofstroom wordt verminderd en het anticavitatievermogen van de pomp wordt verbeterd.
6) De ervaring heeft geleerd dat, uitgaande van het cavitatiemechanisme, het aanvullen van een geschikte hoeveelheid gas aan de zuigpoort de omstandigheden voor het optreden van cavitatie kan verstoren. Het gebruik van luchtaanvulling om pompcavitatie te voorkomen is echter zeer technisch, en alleen met het juiste luchtaanvullingsvolume, de juiste locatie en methode kunnen goede resultaten worden bereikt. Anders zal dit een aanzienlijke afname van de stroomsnelheid, de opvoerhoogte en de efficiëntie van de pomp veroorzaken, en zelfs leiden tot stroomonderbreking en nadelige gevolgen tijdens de werking.
Gezien de moeilijkheid bij het regelen van de juiste hoeveelheid luchttoevoer en nauwkeurige metingen, gecombineerd met de praktijk van de auteur, wordt aanbevolen een naaldventiel te gebruiken dat het debiet voor het luchttoevoerventiel kan aanpassen. Tijdens -aanpassing ter plaatse kan cavitatiegeluid worden gebruikt om onderscheid te maken: pas het inlaatvolume aan via de naaldklep totdat het cavitatiegeluid is geminimaliseerd (sommige systemen kunnen het geluid volledig elimineren, maar sommige systemen kunnen het cavitatiegeluid alleen verminderen en niet volledig elimineren), stel vervolgens de naaldklep een beetje terug om het inlaatvolume te verminderen, observeer de werking gedurende een bepaalde periode totdat er geen prestatieafwijkingen optreden onder verschillende gespecificeerde bedrijfsomstandigheden, en vergrendel vervolgens de opening van de naaldklep. Deze methode mag het geluid nooit naar het laagste niveau verlagen! Als de inlaatdruk positief is wanneer de pomp stopt met draaien, moet een terugslagklep worden geïnstalleerd om lekkage te voorkomen.
7) Uit onderzoek is gebleken dat wanneer het medium vluchtige gassen en vaste deeltjes zoals zand bevat, de cavitatieprestaties van de pomp zullen afnemen. Om ervoor te zorgen dat de pomp geen cavitatie ondervindt, dient de aanzuighoogte van de pomp minimaal 4,2 meter verlaagd te worden ten opzichte van de berekende hoogte van het schone water. Dit is de moeite waard om aandacht aan te besteden in de gemeentelijke sector.