Kavitacija v črpalkah z dvojnim sesanjem v razdeljenem ohišju: vzroki, zasnova rotorja in rešitve

Kavitacija je ena najpogostejših hidravličnih težav, ki prizadene centrifugalne črpalke, zlasti pri aplikacijah, ki vključujejo visoke pretoke, zahtevne pogoje sesanja ali neprekinjeno delovanje. Pri črpalkah z ločenim ohišjem z dvojnim sesanjem lahko kavitacija zmanjša hidravlično zmogljivost, poveča vibracije in hrup, poškoduje površine tekača in skrajša življenjsko dobo kritičnih komponent.

Čeprav je kavitacija pogosto povezana z nezadostnim sesalnim tlakom, težave ne določajo samo pogoji sesanja. Geometrija vstopne odprtine rotorja, hitrost pretoka, delovna točka, temperatura tekočine in upor sesalnega cevovoda vplivajo na verjetnost kavitacije.

Izboljšanje odpornosti proti kavitaciji torej zahteva kombinacijo ustrezne izbire črpalke, optimizacije hidravlične konstrukcije in pravilnega delovanja sistema.

Ta članek pojasnjuje, kako se razvije kavitacija v črpalkah z ločenim ohišjem z dvojnim sesanjem, preučuje dve pomembni izboljšavi zasnove rotorja in uvaja praktične metode za preprečevanje kavitacije v industrijskih črpalnih sistemih.

 

 

1. Kaj je kavitacija v črpalki z ločenim ohišjem?

Kavitacija se pojavi, ko lokalni tlak tekočine pade pod njen parni tlak, kar povzroči, da del tekočine izhlapi in tvori majhne parne mehurčke.

Ko se ti mehurčki premaknejo v področja višjega tlaka znotraj črpalke, se hitro sesedejo. Ponavljajoče se zrušitev mehurčkov lahko povzroči lokalne pritiske in poškoduje bližnje kovinske površine.

Pri črpalki z ločenim ohišjem z dvojnim sesanjem se kavitacija običajno razvije okoli vstopne odprtine rotorja, zlasti v bližini sprednjih robov lopatic, kjer lahko lokalno pospeševanje pretoka povzroči zmanjšanje tlaka.

Tipični simptomi vključujejo:

Nenavaden hrup ali hrup, podoben gramozu, med delovanjem.

Povečane vibracije in nestabilno delovanje.

Jamice ali erozija na površinah rotorja.

Zmanjšana višina črpalke in hidravlična učinkovitost.

Nihajoč pretok in izpustni tlak.

Predčasne poškodbe ležajev in mehanskih tesnil v hujših primerih.

Kavitacijo je treba razlikovati od vstopa zraka v sesalni cevovod. Oba lahko povzročata hrup in nestabilno delovanje, vendar so njuni vzroki in korektivni ukrepi različni. Pravilna diagnoza mora upoštevati sesalni tlak, stanje tekočine, podatke o delovanju in rezultate notranjega pregleda.

 

2. Zakaj so črpalke z ločenim ohišjem z dvojnim sesanjem dovzetne za kavitacijo?

Črpalka z deljenim ohišjem z dvojnim sesanjem običajno uporablja vodoravno deljeno ohišje in rotor z dvojnim vstopom. Tekočina vstopa v propeler z obeh strani in razdeli skupni tok med dva vstopna kanala.

Ta ureditev nudi prednosti pri aplikacijah z velikim pretokom in lahko pomaga uravnotežiti aksialne hidravlične sile. Vendar pa ne odpravi samodejno kavitacije.

Tlak na vstopu v rotor je odvisen od več dejavnikov:

Visoka vstopna hitrost

Ko tekočina teče skozi omejen ali slabo zasnovan vstopni prehod, se lahko njena hitrost poveča in lokalni statični tlak zmanjša. Če lokalni tlak pade pod parni tlak tekočine, lahko nastanejo parni mehurčki.

Neprimerni pogoji delovanja

Delovanje predaleč od priporočenega delovnega območja lahko povzroči neugodne vzorce pretoka, povečane hidravlične izgube, ločitev toka in lokalna nihanja tlaka.

Nezadostni pogoji sesanja

Visoka sesalna višina, dolg sesalni cevovod, premajhna cev, delno zaprt ventil ali zamašeno cedilo lahko povečajo sesalne izgube in zmanjšajo tlak, ki je na voljo na vstopu v črpalko.

Visoka temperatura tekočine

Ko se temperatura tekočine poveča, njen parni tlak običajno naraste. To zmanjša mejo tlaka, ki je na voljo, preden pride do tvorbe hlapov.

Neenakomerna porazdelitev vstopnega toka

Slaba razporeditev sesalnih cevi, bližnja kolena, nenadne spremembe premera cevi ali druge motnje navzgor lahko povzročijo neenakomeren profil hitrosti. To lahko povzroči neugodne pogoje pretoka na vhodu rotorja, tudi če se skupni sesalni tlak zdi sprejemljiv.

Razumevanje teh dejavnikov je bistvenega pomena, preden se odločite, ali težava zahteva spremembo sistema, preoblikovanje črpalke ali kombinacijo obojega.

 

3. Dve pomembni izboljšavi zasnove rotorja za odpornost proti kavitaciji

Izboljšanje hidravlične zasnove dovoda propelerja lahko pomaga zmanjšati lokalni pospešek pretoka in izgubo tlaka. Dva konstrukcijska parametra, ki ju je vredno oceniti, sta profil sprednjega pokrova in premer pesta rotorja.

3.1 Optimizirajte radij obračanja sprednjega ohišja

Sprednji pokrov, imenovan tudi sprednja pokrivna plošča, tvori del vstopnega pretoka tekača.

V bližini vodilnega roba lopatice rotorja geometrija sprednjega pokrova vpliva na to, kako se tekočina obrača in vstopa v prehode lopatic. Nenaden prehod ali neustrezna ukrivljenost lahko prispeva k lokalnemu pospešku, ločitvi toka in neugodni porazdelitvi tlaka.

Optimiziranje polmera obračanja sprednjega pokrova lahko pomaga ustvariti bolj gladek vstopni prehod.

Potencialne koristi vključujejo:

Zmanjšanje nenadnih sprememb smeri toka.

Izboljšanje porazdelitve hitrosti tekočine v bližini vstopne odprtine rezila.

Zmanjšanje lokalnih hidravličnih izgub.

Pomaga pri preprečevanju neugodnih območij nizkega tlaka v bližini vhoda rotorja.

Med postopkom načrtovanja je treba polmer obračanja oceniti skupaj s širino vstopne odprtine, geometrijo sprednjega roba lopatice in celotnim prehodom rotorja.

Večji polmer ni samodejno boljši pri vsaki črpalki. Prekomerne geometrijske spremembe lahko vplivajo na pretok, hidravlično zmogljivost ali izvedljivost izdelave. Končni profil je treba določiti z izračuni hidravlične konstrukcije, računalniško dinamiko tekočin (CFD) in ustreznim testiranjem delovanja.

3.2 Ustrezno zmanjšajte premer pesta rotorja

Pesto je osrednji del rotorja, ki je povezan z gredjo črpalke in prenaša vrtilno moč na rotor.

V fazi načrtovanja lahko zmanjšanje premera pesta ob nespremenjenem vstopnem premeru rotorja poveča razpoložljivo površino vstopnega toka.

Večje efektivno pretočno območje lahko pomaga zmanjšati povprečno vstopno hitrost pod ustreznimi pogoji, kar potencialno izboljša porazdelitev tlaka v bližini ušesa rotorja.

Vendar je premer pesta tesno povezan tudi z mehansko trdnostjo.

Pred spreminjanjem geometrije pesta je treba upoštevati naslednje dejavnike:

Premer gredi in mehanska trdnost.

Debelina stene pesta in strukturna celovitost.

Material rotorja in hitrost vrtenja.

Koncentracija napetosti okoli povezave pesta in gredi.

Zahteve za pritrditev rotorja in montažo.

Hidravlična zmogljivost v predvidenem območju delovanja.

Zmanjšanje premera pesta brez ustrezne strukturne ocene lahko oslabi rotor ali vpliva na zanesljivost vrtljivega sklopa.

To spremembo je zato treba obravnavati kot optimizacijo na ravni zasnove in ne kot rutinsko popravilo na terenu. Končne dimenzije morajo izpolnjevati tako hidravlične kot mehanske zahteve.

 

4. Pomen NPSH pri preprečevanju kavitacije

Geometrija rotorja je le en del preprečevanja kavitacije. Prav tako je treba oceniti razmerje med razpoložljivo neto pozitivno sesalno višino sistema in zahtevano neto pozitivno sesalno višino črpalke.

NPSH pomeni neto pozitivno sesalno višino. Uporablja se za oceno, ali je pri sesanju črpalke na voljo zadosten tlak za omejitev tvorbe hlapov.

Obstajata dva pomembna parametra:

NPSHa (na voljo neto pozitivna sesalna glava):NPSH, ki ga zagotavlja črpalni sistem v dejanskih delovnih pogojih.

NPSHr (potrebna neto pozitivna sesalna višina):Zahteva NPSH črpalke pri določenem pretoku in hitrosti, določena s testiranjem delovanja črpalke.

Osnovni izbirni pogoj je:

NPSHa > NPSHr

V praktičnem inženirstvu je treba vzdrževati tudi ustrezno varnostno rezervo. Zahtevana rezerva je odvisna od konstrukcije črpalke, pogojev delovanja, veljavnega standarda in priporočil proizvajalca.

NPSHa se lahko zmanjša z:

Prevelike izgube zaradi trenja sesalnega cevovoda.

Visoka sesalna višina.

Nizek nivo tekočine v dovodnem rezervoarju.

Visoka temperatura tekočine.

Zamašeni sesalni ventili ali zamašeni filtri.

Neugodni sistemski tlačni pogoji.

Črpalka ima lahko dobro zasnovan rotor, vendar še vedno doživlja kavitacijo, če razpoložljivi NPSH ni zadosten. Zato je treba upoštevati zahteve na strani črpalke in pogoje na strani sistema.

 

5. Praktični ukrepi za zmanjšanje kavitacije v obstoječih črpalnih sistemih

Poleg izboljšanja hidravlične zasnove črpalke lahko številne prilagoditve na ravni sistema pomagajo zmanjšati kavitacijo.

Izboljšajte sesalni cevovod

Uporabite sesalno cev ustrezne velikosti, da se izognete preveliki hitrosti pretoka in izgubam zaradi trenja. Naj bo sesalni cevovod tako kratek in neposreden, kolikor je praktično, in se izogibajte nepotrebnim kolenom, nenadnim spremembam premera in omejevalnim nastavkom.

Prepričajte se, da so sesalni ventili med običajnim delovanjem popolnoma odprti in da se cedila ali filtri redno pregledujejo in čistijo.

Ohranjajte zadostno oskrbo s tekočino

Preverite nivo tekočine v dovodni posodi in preverite višino namestitve črpalke. Kjer razmere to dopuščajo, lahko zmanjšanje sesalne višine ali povečanje statične ravni tekočine izboljša NPSHa.

Pri zaprtih sistemih preverite, ali je sistemski tlak primeren za temperaturo tekočine in delovne zahteve.

Delujte blizu priporočenega delovnega območja

Preverite dejanski pretok glede na krivuljo delovanja črpalke proizvajalca.

Izogibajte se dolgotrajnemu delovanju pri pretirano nizkih ali visokih pretokih, kjer se lahko razvije hidravlična nestabilnost. Izberite črpalko, katere najboljša točka učinkovitosti in dovoljeno območje delovanja sta primerna za pričakovano delovanje sistema.

Spremljajte temperaturo in pogoje tekočine

Pri vročih tekočinah ocenite njihov parni tlak pri dejanski delovni temperaturi. Spremembe temperature tekočine, sestave, viskoznosti ali vsebnosti plina lahko vplivajo na sesalno zmogljivost.

Zahtevo za NPSH črpalke je treba ovrednotiti glede na dejansko tekočino in pogoje delovanja, namesto da bi se zanašali le na referenčne podatke na osnovi vode.

Preglejte rotorje in notranje pretočne kanale

Med načrtovanim vzdrževanjem preglejte vodilne robove lopatic tekača, ohišja in druge mokre površine glede luknjic, erozije, korozije in usedlin.

Če se odkrije poškodba, pred izbiro metode popravila ugotovite, ali je povezana s kavitacijo, abrazivno obrabo, korozijo ali drugim mehanizmom.

 

6. Kako izbrati črpalko z ločenim ohišjem z boljšo odpornostjo proti kavitaciji

Izbira črpalke z ustreznimi sesalnimi lastnostmi je še posebej pomembna za oskrbo z vodo z velikim pretokom, kroženje hladilne vode, namakanje in industrijske procese.

Preden izberejo črpalko z ločenim ohišjem z dvojnim sesanjem, morajo inženirji oceniti naslednje informacije:

Izbirni dejavnik	Informacije za potrditev
Stopnja pretoka	Normalni, najmanjši in največji delovni pretok
Totalna dinamična glava	Zahtevana višina v dejanskih sistemskih pogojih
Lastnosti tekočine	Vrsta, temperatura, gostota, viskoznost in parni tlak
Sesalni pogoji	Nivo dovodnega rezervoarja, tlak, sesalna višina in izgube v cevovodu
NPSH	Na voljo NPSHa in NPSHr, ki ga zahteva črpalka
Hitrost črpalke	Hitrost motorja in pričakovani pogoji delovanja
Namestitev	Temelj, razporeditev cevi in ​​pogoji dovodnega toka
Materiali	Odpornost proti koroziji in primernost za črpano tekočino

Črpalko je treba oceniti z uporabo njenih celotnih krivulj delovanja, vključno s pretokom, višino, učinkovitostjo, močjo in NPSHr.

Za aplikacije z omejenim sesalnim tlakom ali zahtevnimi vstopnimi pogoji je morda primernejša črpalka z ustreznimi hidravličnimi lastnostmi z nizkim NPSH kot preprosta izbira večjega motorja ali modela z večjo zmogljivostjo.

 

Zaključek

Na kavitacijo pri črpalkah z ločenim ohišjem z dvojnim sesanjem vplivata črpalni sistem in notranja hidravlična zasnova. Nezadosten NPSH, prevelika vstopna hitrost, neugodna porazdelitev toka in neprimerni delovni pogoji lahko prispevajo k njegovemu razvoju.

Na ravni zasnove lahko optimiziranje polmera obračanja prednjega pokrova in ustrezno zmanjšanje premera pesta rotorja pomaga izboljšati pogoje vstopnega toka. Vendar je treba te spremembe ovrednotiti skupaj z močjo rotorja, zasnovo gredi, hidravlično zmogljivostjo in proizvodnimi zahtevami.

Za obstoječe naprave so enako pomembni izboljšanje pogojev sesalnega cevovoda, vzdrževanje ustrezne oskrbe s tekočino, delovanje znotraj priporočenega območja in spremljanje NPSH.

Sistematičen pristop, ki združuje dobro hidravlično zasnovo, natančno izbiro črpalke in pravilno delovanje sistema, lahko pomaga zmanjšati poškodbe zaradi kavitacije in izboljša dolgoročno zanesljivost industrijskih centrifugalnih črpalk.