Высокоэффективный центробежный насос

  Центробежные насосы Центробежные насосы широко используются в промышленном производстве и инженерных системах для перекачки различных жидких сред. Однако в процессе эксплуатации часто возникает явление, существенно влияющее на производительность и срок службы насосов, — кавитация. Кавитация не только снижает КПД центробежных насосов, но и вызывает серьёзные повреждения таких важных компонентов, как рабочие колёса, и может привести к полному выходу оборудования из строя. Поэтому изучение и понимание причин возникновения кавитации в центробежных насосах имеет большое значение для рационального проектирования, правильного монтажа и безопасной эксплуатации насосов. Ниже, Аньхой Шэнши Датанг предоставлю вам подробное введение. 1. Основная концепция кавитации Кавитация – это явление, при котором при течении жидкости через рабочее колесо насоса локальное давление падает ниже давления насыщенных паров жидкости при её рабочей температуре, что приводит к частичному испарению жидкости и образованию множества мельчайших пузырьков пара. Когда эти пузырьки переносятся потоком жидкости в область с более высоким давлением, окружающее давление быстро возрастает, что приводит к их мгновенному схлопыванию и конденсации обратно в жидкость. Схлопывание этих пузырьков создаёт интенсивные ударные волны и локальные высокие температуры, которые воздействуют на поверхность рабочего колеса, приводя к усталостной язвенной коррозии или выкрашиванию металла. Это явление кавитации в центробежных насосах. Суть кавитации – результат совместного действия гидродинамики и термодинамики. Основной причиной является неравномерное распределение давления в жидкости. При слишком высокой локальной скорости потока или неоптимальной геометрической конструкции локальное давление падает, запуская циклический процесс испарения и схлопывания пузырьков. 2. Основная причина кавитации Основная причина кавитации в центробежных насосах заключается в том, что локальное давление жидкости внутри насоса падает ниже давления насыщенных паров жидкости при данной температуре. В центробежном насосе жидкость поступает из всасывающего патрубка во входное отверстие рабочего колеса. По мере постепенного сужения проточного канала скорость жидкости увеличивается, и статическое давление, следовательно, уменьшается. Когда локальное давление падает до давления насыщенных паров жидкости, жидкость начинает испаряться, образуя пузырьки пара. Эти пузырьки переносятся в область высокого давления к середине и выходу рабочего колеса, где они быстро схлопываются под высоким давлением. Высокоэнергетические ударные волны, высвобождаемые при схлопывании пузырьков, вызывают эрозию металла на поверхности рабочего колеса, повышенную вибрацию насоса, повышенный шум и такие проблемы, как снижение расхода и напора. 3. Основные факторы, приводящие к кавитации а. Чрезмерная высота всасывания: Если насос установлен слишком высоко или уровень всасываемой жидкости слишком низкий, давление на стороне всасывания падает. По мере движения жидкости к входу рабочего колеса давление падает ещё больше. Когда давление падает ниже давления насыщенных паров, происходит испарение. Если высота всасывания превышает допустимый NPSH (чистый положительный напор), кавитация неизбежна. б. Чрезмерное сопротивление всасывающей линии: Слишком длинный, слишком узкий всасывающий трубопровод, слишком большое количество колен или частично закрытый клапан приводят к значительным потерям давления на трение и локальным потерям давления. Пониженное давление на всасывающем конце приводит к дальнейшему падению давления на входе в рабочее колесо, что повышает вероятность кавитации. Кроме того, утечка воздуха или ненадлежащее уплотнение во всасывающем трубопроводе могут привести к попаданию газа в жидкость, что усиливает кавитацию. в. Чрезмерно высокая температура жидкости: Повышение температуры жидкости значительно увеличивает давление её насыщенных паров, что делает её более склонной к испарению. Например, давление насыщенных паров воды относительно низкое при комнатной температуре, но существенно возрастает при высоких температурах. Даже если давление всасывания остаётся неизменным, условие испарения может быть выполнено при повышении температуры, что приводит к кавитации. г. Низкое давление на входе или пониженное давление окружающей среды: Когда давление на всасывающем отверстии насоса падает (например, из-за падения уровня жидкости, вакуума в расходной емкости или низкого атмосферного давления окружающей среды (например, на большой высоте)), давление на всасывающем отверстии становится недостаточным, что значительно облегчает испарение жидкости на входе в рабочее колесо. е. Неправильная конструкция или установка насоса: Конструкция насоса напрямую влияет на его кавитационные характеристики. Например, слишком малый диаметр входного отверстия рабочего колеса, необоснованно большой угол наклона передней кромки лопасти или шероховатая поверхность рабочего колеса могут привести к нестабильному потоку жидкости, что приводит к резкому локальному падению давления. Кроме того, несоблюдение требований производителя к требуемому кавитационному запасу жидкости (NPSHr) при монтаже или установка насоса на слишком большой высоте также могут привести к кавитации. е. Ненадлежащие условия эксплуатации: Когда насос работает с расходом, отклоняющимся от расчетного значения, работает в течение длительного времени при низком расходе или при резкой регулировке клапанов, распределение давления жидкости изменяется, что также может вызвать локальное испарение и кавитацию. 4. Последствия и опасности кавитации Опасности кавитации для центробежные насосы проявляются в основном в следующих аспектах: а. Повреждение металлической поверхности: Удары высокого давления, возникающие при схлопывании пузырьков, вызывают точечную эрозию на поверхности рабочего колеса. Длительное развитие этого процесса может привести к усталости материала, выкрашиванию и даже перфорации рабочего колеса. б. Снижение производительности: Кавитация приводит к значительному снижению расхода, напора и эффективности, изменяя характеристические кривые насоса. в. Вибрация и шум: Ударные силы, возникающие вследствие кавитации, вызывают механическую вибрацию и высокочастотный шум, влияющие на стабильную работу оборудования. г. Сокращение срока службы: Длительная работа в условиях кавитации ускоряет механический износ, сокращая срок службы подшипников, уплотнений и рабочего колеса. 5. Меры по предотвращению кавитации Для предотвращения или уменьшения кавитации необходимо принять меры с точки зрения проектирования, монтажа и эксплуатации: а. Выберите разумную высоту установки. для обеспечения достаточного давления на стороне всасывания, благодаря чему доступный NPSH (NPSHa) превышает требуемый NPSH насоса (NPSHr). б) Оптимизировать всасывающий трубопровод. сократив ее длину, уменьшив количество колен, увеличив диаметр трубы, оставив всасывающие клапаны полностью открытыми и не допуская попадания воздуха. в. Контролировать температуру жидкости путем охлаждения или снижения температуры в резервуаре для хранения с целью уменьшения давления насыщенных паров жидкости. г. Увеличить давление на входе, например, путем установки подкачивающего насоса, повышения давления на поверхность жидкости или размещения емкости с жидкостью на большей высоте. е. Улучшить конструкцию рабочего колеса путем использования материалов и геометрий с хорошими антикавитационными свойствами, например, путем добавления индуктора или оптимизации угла входа лопатки. f. Поддерживайте работу насоса вблизи его проектного значения., избегая длительной работы при низких расходах или других ненормальных рабочих условиях. Подводя итог, можно сказать, что возникновение кавитации в центробежных насосах в первую очередь обусловлено слишком низким давлением жидкости на входе в рабочее колесо, ниже давления насыщенных паров, что приводит к испарению и последующему схлопыванию пузырьков. К факторам, приводящим к этому явлению, относятся чрезмерная высота всасывания, чрезмерное сопротивление всасыванию, высокая температура жидкости, низкое давление на входе, а также неправильная конструкция или эксплуатация. Кавитация не только влияет на производительность насоса, но и приводит к серьёзным повреждениям оборудования. Поэтому как при проектировании, так и при эксплуатации необходимо уделять особое внимание предотвращению и контролю кавитации. Рациональная конфигурация системы, оптимизация конструктивных параметров и улучшение условий эксплуатации обеспечивают безопасную и эффективную работу могут быть обеспечены центробежные насосы.  

Принцип работы центробежных насосов Принцип работы центробежные насосы Принцип действия основан на действии центробежной силы. При вращении рабочего колеса с высокой скоростью жидкость под действием центробежной силы отбрасывается от центра рабочего колеса к его внешнему краю, приобретая кинетическую энергию и энергию давления. Конкретный рабочий процесс выглядит следующим образом: 1.Жидкость поступает в центральную область рабочего колеса через всасывающее отверстие насоса. 2. Вращение рабочего колеса создает центробежную силу, заставляющую жидкость перемещаться от центра рабочего колеса к внешнему краю вдоль каналов лопаток. 3. Жидкость приобретает кинетическую энергию и энергию давления внутри рабочего колеса, а затем выбрасывается в корпус насоса. 4.Внутри корпуса насоса часть кинетической энергии жидкости преобразуется в энергию давления, и жидкость в конечном итоге выбрасывается через выпускное отверстие. Во время работы центробежного насоса рабочее колесо совершает работу, преобразуя механическую энергию в энергию жидкости. По мере протекания жидкости через рабочее колесо увеличиваются как её давление, так и скорость. Согласно уравнению Бернулли, увеличение полной энергии жидкости проявляется прежде всего в увеличении энергии давления, что позволяет центробежному насосу перекачивать жидкость на большую высоту или преодолевать большее сопротивление системы. Важно отметить, что необходимым условием для нормальной работы центробежного насоса является заполнение полости насоса жидкостью. Это связано с тем, что центробежная сила действует только на жидкости, но не на газы. При наличии воздуха в полости насоса насос не сможет нормально создавать давление, что приведёт к образованию «паровой пробки», которая в конечном итоге приводит к кавитации. Анализ причин кавитации центробежных насосов 1. Несоответствующая среда на входе или недостаточное давление на входе Недостаточная подача рабочей среды — одна из наиболее частых причин кавитации в центробежных насосах. К недостаточной подаче рабочей среды могут привести следующие ситуации: а. Низкий уровень жидкости: Когда уровень жидкости в бассейне, резервуаре или контейнере для хранения падает ниже всасывающей трубы насоса или минимального эффективного уровня, насос может всасывать воздух вместо жидкости, что приводит к кавитации. б) Чрезмерная высота всасывания: Для несамовсасывающих центробежных насосов, если высота установки превышает допустимую высоту всасывания, даже при погружении всасывающего патрубка в жидкость, насос не сможет всасывать жидкость, что приведёт к её дефициту. Согласно физическим законам, теоретически максимальная высота всасывания для несамовсасывающих центробежных насосов составляет приблизительно 10 метров водяного столба (значение атмосферного давления). Однако, с учётом различных потерь, фактическая высота всасывания обычно составляет менее 6-7 метров. в. Недостаточное давление на входе: В приложениях, требующих положительного давления на входе, если обеспечиваемое давление на входе ниже требуемого значения, насос может испытывать недостаточную подачу жидкости, что приводит к кавитации. г. Плохая конструкция системы: В некоторых конструкциях систем, если всасывающий трубопровод слишком длинный, диаметр трубы слишком мал или имеется слишком много изгибов, сопротивление трубопровода увеличивается, что снижает давление на входе и не позволяет центробежному насосу должным образом всасывать жидкость. Практические исследования показывают, что около 35% отказов центробежных насосов в нефтехимической промышленности вызваны ненадлежащей средой на входе или недостаточным давлением на входе. Эта проблема особенно распространена в системах транспортировки нефти из-за высокой вязкости и давления паров нефтепродуктов. 2.Засорение впускного трубопровода Засорение впускного трубопровода — ещё одна распространённая причина кавитации в центробежных насосах. К конкретным проявлениям относятся: а. Засоренные сетки или фильтры: В процессе длительной эксплуатации сетки или фильтры на впускном трубопроводе могут постепенно засоряться примесями или отложениями, что ограничивает поток жидкости. б) Образование накипи внутри трубопровода: В частности, при работе с жесткой водой, водой с высоким содержанием ионов кальция и магния или со специфическими химическими жидкостями на внутренних стенках трубопровода могут образовываться накипь или кристаллические отложения, со временем уменьшая эффективный диаметр. c. Проникновение постороннего предмета: Случайное попадание таких предметов, как листья, пластиковые пакеты или водные растения, во всасывающий трубопровод может заблокировать колена или клапаны, препятствуя потоку жидкости. г. Частично закрытые клапаны: Ошибки в эксплуатации, такие как неполное открытие клапанов на всасывающем трубопроводе или внутренние неисправности клапанов, также могут привести к недостаточному расходу. е. Неисправность нижнего клапана: В системах, оборудованных донными клапанами, неисправность донного клапана (например, деформация пружины или повреждение уплотнительной поверхности) может повлиять на способность насоса правильно перекачивать жидкость. Статистические данные показывают, что около 25% случаев кавитации центробежных насосов в городских системах водоснабжения и водоотведения вызваны засорами на входном трубопроводе. Эта проблема особенно распространена в системах очистки сточных вод с высоким содержанием взвешенных веществ.     3. Неполное удаление воздуха из полости насоса Неполное удаление воздуха из полости насоса является одной из основных причин кавитации центробежных насосов. Основные проявления включают: а. Недостаточная подготовка перед первоначальным запуском: После первоначальной установки или длительного простоя центробежные насосы необходимо заполнить, чтобы удалить воздух из корпуса. Недостаточная загрузка остаточного воздуха может помешать насосу установить нормальное рабочее давление. б) Недостаточная самовсасывающая способность: Несамовсасывающие центробежные насосы не могут самостоятельно откачивать воздух и требуют внешнего всасывания. Хотя некоторые самовсасывающие насосы обладают определённой способностью к самовсасыванию, неправильный запуск или чрезмерная высота самовсасывания могут привести к плохому откачке воздуха. в. Утечки воздуха в трубопроводной системе: Небольшие трещины в соединениях всасывающего трубопровода, местах уплотнения или изношенных трубах могут привести к попаданию воздуха в систему под отрицательным давлением. Это особенно опасно, поскольку даже при правильной первоначальной заливке насоса со временем может накапливаться воздух, что в конечном итоге приводит к кавитации. г. Разрушение уплотнения: Изношенные или неправильно установленные уплотнения вала (например, торцевые уплотнения или сальниковые уплотнения) могут допустить попадание наружного воздуха в насос, особенно если давление на стороне всасывания ниже атмосферного. В промышленных условиях примерно 20% случаев кавитации в центробежных насосах вызваны неполным удалением воздуха из полости насоса. Эта проблема особенно распространена при первом запуске после установки или технического обслуживания. 4. Другие причины Помимо основных причин, указанных выше, к кавитации центробежного насоса могут привести и другие факторы: а. Испарение жидкости: При работе с высокотемпературными или легколетучими жидкостями, если давление во всасывающем трубопроводе падает ниже давления насыщенных паров жидкости при данной температуре, жидкость может испаряться, образуя пузырьки. Это может помешать насосу всасывать жидкость или вызвать кавитацию. б. Ошибки в работе: Человеческий фактор, такой как неправильная работа клапана или несоблюдение процедур запуска, может привести к кавитации насоса. в. Неисправности системы управления: В автоматизированных системах управления сбои в работе датчиков уровня, датчиков давления или ошибки в логике программирования ПЛК могут привести к запуску или работе насоса в неподходящих условиях, что приведет к кавитации. г. Проблемы с питанием или двигателем: Неправильная последовательность фаз питания, приводящая к переполюсовке двигателя, может помешать насосу нормально качать жидкость. Нестабильность напряжения, приводящая к колебаниям скорости двигателя, также может нарушить нормальную работу насоса. е. Температурные эффекты: В экстремальных условиях окружающей среды, например, в холодных регионах, недостаточная изоляция может привести к замерзанию жидкости в трубопроводе, что затруднит её движение. В условиях высоких температур жидкости могут испаряться, образуя паровые пробки. Исследования показывают, что эти другие причины составляют примерно 20% случаев кавитации в центробежных насосах. Хотя эта доля относительно невелика, в определённых ситуациях или условиях они могут играть важную роль, и их не следует игнорировать.