Кавитация насосов и NPSH. Расчёт максимальной высоты всасывания.

Почти на всех характеристиках насосов можно найти четыре кривые:

  1. Расходно-напорная характеристика;
  2. КПД насоса;
  3. Мощность насоса;
  4. NPSH.

И если первые три не вызывают вопросов, то NPSH остаётся во многом непонятным параметром с неясным назначением. Именно об этом параметре мы и расскажем.

Одна из самых главных проблем, решаемых при эксплуатации насосного оборудования – обеспечить бесквавитационную работу насоса. Кавитация – это процесс образования пустот (пузырьков) в рабочей жидкости. Когда давление рабочей среды опускается ниже давления насыщенного пара, происходит разрыв потока газовыми полостями, заполненными паром и растворёнными в жидкости газами. Жидкость начинает «кипеть» и, как правило, это происходит на всасывающей линии насоса и на входе в рабочее колесо насоса.

Сама по себе кавитация значительно снижает рабочие характеристики насоса. Но самое страшное случается дальше – по мере движения жидкости к зоне нагнетания, давление повышается, и образовавшиеся ранее пузырьки схлопываются, происходит серия микровзрывов. Это сопровождается локальным повышением давления до 1 000 атмосфер и значительным нагревом до 2 000°C, которые распространяются ударной волной.

Именно в этот момент и начинается активная фаза кавитационной эрозии, которая характеризуется сразу тремя типами воздействий на поверхность материала элементов проточной части:

  1. Механическое. Из-за повышения давления при схлопывании происходит локальный гидроудар, который приводит к разрушению материала проточной части насоса и появлению выбоин и трещин.
  2. Химическое. В следствии повышенного содержания в пузырьках кислорода происходит окисление даже тех материалов, которые в обычных условиях инертны.
  3. Тепловое. Из-за повышения температуры материалы теряют свои расчётные свойства и становятся сильнее подвержены механическому и химическому воздействию.

Рабочее колесо до и после воздействия кавитации.

Исходя из написанного выше очевидно, что кавитация приводит к быстрому и необратимому разрушению насосного оборудования. Возникает логичный вопрос – как же предотвратить появление кавитации? Необходимо всего лишь обеспечить достаточное давление на входе.

Расчёт максимальной высоты всасывания насоса

Рассчитать это давление H можно с помощью формулы:

H = Pb•10.2 — NPSH — Hf — Hv — Hs,

где Pb — атмосферное давление (1 бар). Давление в закрытом трубопроводе может быть принято в соответствии с давлением (бар) в закрытой системе,

Hf — суммарные гидравлические потери напора во всасывающем трубопроводе при максимальной подаче(м),

Hv — давление насыщенных паров рабочей жидкости (м). Значение зависит от типа жидкости и её рабочей температуры,

Hs — запас,

HPSH — параметр насоса, характеризующий всасывающую способность. Именно для этого кривая NPSH и отмечена на графиках и чем этот параметр меньше, тем лучше.

При расчёте, если величина Н получается положительной, то это значит, что насос может работать в данной системе без кавитации. Если Н отрицательный, то чтобы избежать кавитации, уровень жидкости должен быть выше уровня установки насоса.

Именно величина H и является максимально допустимой высотой подъёма жидкости на всасывании. Но следует помнить, что для этого и насос и всасывающий патрубок должны быть предварительно заполнены!

Как правило, вышеуказанные расчеты не выполняются. Значение "Н" следует рассчитывать в следующих случаях:

  1. Высокая температура рабочей жидкости;
  2. Когда подача значительно превышает расчётную;
  3. Если высота всасывания относительно велика;
  4. При низком давлении в системе;
  5. Есть значительные сопротивления на всасывающей линии (фильтры, клапаны и т.д.).

И для нас, как для специалистов по фонтанному оборудованию, очень важен именно пункт о сопротивлении на всасывающей линии (всасывающей трубе) фонтанного насоса. Если защитный фильтр насоса недостаточен по размеру и площади фильтрации, то он быстро засоряется мусором, это неизбежно приведёт к кавитации насоса с его последующим фатальным разрушением. Защитный фильтр фонтанных насосов обычно представляет собой большую корзину из перфорированной листовой стали с усиливающим каркасом. Геометрия фильтра должна обеспечивать такое распределение мусора по фильтрующей поверхности, чтобы значительная часть фильтра оставалась не засорённой. Особую опасность представляют упавшие в фонтан полимерные плёнки, пакеты и предметы одежды. По этим причинам не допускается применение в фонтане трубных проточных фильтров, устанавливаемых непосредственно на трубе или на всасывающем фланце фонтанного насоса. Иначе придётся останавливать фонтан через каждые пару часов, чтобы проверить и прочистить такие фильтры. Кроме того, такие фильтры требуют установки двух задвижек, чтобы отсечь фильтр от гидравлической системы фонтана при его вскрытии, чтобы не сливать воду со всего фонтана. После прочистки такого фильтра необходимо гарантировать полное открытие этих задвижек перед повторным пуском фонтана. Если не открыть задвижку на всасывающей линии, то это приведёт к кавитации ещё быстрее чем засор защитного фильтра насоса. В случае применения трубных проточных фильтров, на фонтане должен постоянно дежурить работник соответствующей квалификации. Или необходимо оснастить фонтан системой автоматической остановки насосов при обнаружении кавитации. А это ещё дороже, и такая система реагирует только на явные признаки кавитации: сильная вибрация, сильный шум или значительное падение давления на всасе насоса). Кавитация может не иметь заметных внешних признаков, но результат будет тот же, неизбежно, просто через более продолжительное время.