Cavitația în pompele cu carcasă dublă de aspirație: cauze, proiectarea rotorului și soluții

Cavitația este una dintre cele mai frecvente probleme hidraulice care afectează pompele centrifuge, în special în aplicațiile care implică debite mari, condiții de aspirație solicitante sau funcționare continuă. Pentru pompele cu carcasă dublă de aspirație, cavitația poate reduce performanța hidraulică, crește vibrațiile și zgomotul, poate deteriora suprafețele rotorului și poate scurta durata de viață a componentelor critice.

Deși cavitația este adesea asociată cu o presiune de aspirație insuficientă, problema nu este determinată doar de condițiile de aspirație. Geometria de intrare a rotorului, viteza de curgere, punctul de operare, temperatura fluidului și rezistența conductei de aspirație toate influențează probabilitatea cavitației.

Prin urmare, îmbunătățirea rezistenței la cavitație necesită o combinație de selecție adecvată a pompei, optimizarea designului hidraulic și funcționarea corectă a sistemului.

Acest articol explică modul în care se dezvoltă cavitația în pompele cu carcasă dublă de aspirație, examinează două îmbunătățiri importante ale designului rotorului și introduce metode practice de prevenire a cavitației în sistemele industriale de pompare.

 

 

1. Ce este cavitația într-o pompă cu carcasă divizată?

Cavitația are loc atunci când presiunea locală a unui lichid scade sub presiunea sa de vapori, determinând o parte din lichid să se vaporizeze și să formeze mici bule de vapori.

Pe măsură ce aceste bule se deplasează în regiuni cu presiune mai mare din interiorul pompei, ele se prăbușesc rapid. Colapsul repetat al bulelor poate genera impacturi de presiune localizate și poate deteriora suprafețele metalice din apropiere.

Într-o pompă cu carcasă dublă de aspirație, cavitația se dezvoltă în mod obișnuit în jurul orificiului de admisie a rotorului, în special în apropierea muchiilor anterioare ale palelor, unde accelerația locală a debitului poate produce o reducere a presiunii.

Simptomele tipice includ:

Zgomot neobișnuit de trosnet sau de pietriș în timpul funcționării.

Vibrații crescute și funcționare instabilă.

Sâmburi sau eroziune pe suprafețele rotorului.

Cap redus al pompei și eficiență hidraulică.

Fluctuarea debitului și a presiunii de refulare.

Deteriorări premature ale rulmenților și etanșărilor mecanice în cazuri severe.

Cavitația trebuie să fie diferențiată de aerul care intră în conducta de aspirație. Ambele pot produce zgomot și funcționare instabilă, dar cauzele și măsurile corective ale acestora sunt diferite. Un diagnostic adecvat ar trebui să ia în considerare presiunea de aspirație, condițiile fluidului, datele de funcționare și rezultatele inspecției interne.

 

2. De ce sunt pompele cu carcasă dublă cu aspirație susceptibilă la cavitație?

O pompă cu dublă aspirație cu carcasă împărțită utilizează de obicei o carcasă despicată orizontal și un rotor cu intrare dublă. Lichidul intră în rotor de pe ambele părți, împărțind debitul total între două pasaje de admisie.

Acest aranjament oferă avantaje pentru aplicațiile cu debit mare și poate ajuta la echilibrarea forțelor hidraulice axiale. Cu toate acestea, nu elimină automat cavitația.

Presiunea la intrarea rotorului depinde de mai mulți factori:

Viteza mare de curgere la intrare

Când lichidul trece printr-un pasaj de admisie restrâns sau prost proiectat, viteza acestuia poate crește și presiunea statică locală poate scădea. Dacă presiunea locală scade sub presiunea de vapori a lichidului, se pot forma bule de vapori.

Condiții de funcționare necorespunzătoare

Funcționarea prea departe de intervalul de funcționare recomandat poate cauza modele de debit nefavorabile, pierderi hidraulice crescute, separarea debitului și fluctuații locale de presiune.

Condiții de aspirație insuficiente

O înălțime mare de aspirație, o conductă de aspirație lungă, o conductă subdimensionată, o supapă parțial închisă sau o sită blocată pot crește pierderile de aspirație și pot reduce presiunea disponibilă la admisia pompei.

Temperatura ridicată a lichidului

Pe măsură ce temperatura lichidului crește, presiunea sa de vapori crește în general. Acest lucru reduce marja de presiune disponibilă înainte de formarea vaporilor.

Distribuție neuniformă a fluxului de admisie

Aranjamentele slabe ale conductelor de aspirație, coturile din apropiere, modificările bruște ale diametrului conductei sau alte perturbări în amonte pot produce un profil de viteză neuniform. Acest lucru poate cauza condiții de curgere nefavorabile la intrarea rotorului, chiar și atunci când presiunea totală de aspirație pare acceptabilă.

Înțelegerea acestor factori este esențială înainte de a decide dacă problema necesită o modificare a sistemului, o reproiectare a pompei sau o combinație a ambelor.

 

3. Două îmbunătățiri importante ale designului rotorului pentru rezistența la cavitație

Îmbunătățirea designului hidraulic al admisiei rotorului poate ajuta la reducerea accelerației locale a debitului și a pierderii de presiune. Doi parametri de proiectare care merită evaluați sunt profilul carcasei frontale și diametrul butucului rotorului.

3.1 Optimizați raza de viraj a carcasei frontale

Carcasa frontală, denumită și placa de acoperire frontală, face parte din pasajul fluxului de admisie al rotorului.

Lângă marginea anterioară a palei rotorului, geometria carcasei frontale influențează modul în care lichidul se rotește și intră în pasajele palelor. O tranziție bruscă sau o curbură necorespunzătoare poate contribui la accelerarea locală, separarea fluxului și distribuția nefavorabilă a presiunii.

Optimizarea razei de viraj a carcasei frontale poate contribui la crearea unui pasaj de admisie mai fin.

Beneficiile potențiale includ:

Reducerea schimbărilor bruște ale direcției curgerii.

Îmbunătățirea distribuției vitezei lichidului lângă intrarea lamei.

Reducerea pierderilor hidraulice locale.

Ajută la prevenirea regiunilor nefavorabile de joasă presiune din apropierea intrării rotorului.

În timpul procesului de proiectare, raza de viraj ar trebui evaluată împreună cu lățimea admisiei, geometria marginii de sus a palei și trecerea totală a rotorului.

O rază mai mare nu este automat mai bună în fiecare pompă. Modificările geometrice excesive pot afecta trecerea fluxului, performanța hidraulică sau fezabilitatea producției. Profilul final trebuie determinat prin calcule de proiectare hidraulică, dinamică computațională a fluidelor (CFD) și teste de performanță adecvate.

3.2 Reduceți în mod corespunzător diametrul butucului rotorului

Butucul este partea centrală a rotorului care se conectează la arborele pompei și transferă puterea de rotație rotorului.

În faza de proiectare, reducerea diametrului butucului, menținând neschimbat diametrul de intrare a rotorului, poate crește suprafața disponibilă a debitului de admisie.

O zonă eficientă de curgere mai mare poate ajuta la reducerea vitezei medii de intrare în condiții adecvate, îmbunătățind potențial distribuția presiunii în apropierea ochiului rotorului.

Cu toate acestea, diametrul butucului este, de asemenea, strâns legat de rezistența mecanică.

Următorii factori trebuie luați în considerare înainte de a schimba geometria butucului:

Diametrul arborelui și rezistența mecanică.

Grosimea peretelui butucului și integritatea structurală.

Materialul rotorului și viteza de rotație.

Concentrarea tensiunilor în jurul butucului și conexiunii arborelui.

Cerințe de atașare și asamblare a rotorului.

Performanță hidraulică în intervalul de funcționare prevăzut.

Reducerea diametrului butucului fără o evaluare structurală adecvată poate slăbi rotorul sau poate afecta fiabilitatea ansamblului rotativ.

Prin urmare, această modificare ar trebui tratată ca o optimizare la nivel de proiectare, mai degrabă decât o reparație de rutină pe teren. Dimensiunile finale trebuie să satisfacă atât cerințele hidraulice, cât și cele mecanice.

 

4. Importanța NPSH în prevenirea cavitației

Geometria rotorului este doar o parte a prevenirii cavitației. De asemenea, trebuie evaluată relația dintre înălțimea netă de aspirație pozitivă disponibilă a sistemului și înălțimea de aspirație netă pozitivă necesară a pompei.

NPSH înseamnă cap net pozitiv de aspirație. Este utilizat pentru a evalua dacă este disponibilă o presiune suficientă la aspirația pompei pentru a limita formarea vaporilor.

Există doi parametri importanți:

NPSHa (Cap de aspirație pozitiv net disponibil):NPSH furnizat de sistemul de pompare în condiții reale de funcționare.

NPSHr (Cap de aspirație pozitiv net necesar):Cerința NPSH a pompei la un debit și o viteză specificate, determinate prin testarea performanței pompei.

O condiție de bază de selecție este:

NPSHa > NPSHr

În inginerie practică, trebuie menținută și o marjă de siguranță adecvată. Marja necesară depinde de proiectarea pompei, condițiile de funcționare, standardul aplicabil și recomandările producătorului.

NPSHa poate fi redusă prin:

Pierderi excesive prin frecare în conducta de aspirație.

Ridicare mare de aspirare.

Nivel scăzut de lichid în rezervorul de alimentare.

Temperatura ridicată a lichidului.

Supape de aspirație restricționate sau filtre blocate.

Condiții nefavorabile de presiune a sistemului.

O pompă poate avea un rotor bine proiectat, dar totuși experimentează cavitație dacă NPSH disponibil este insuficient. Prin urmare, trebuie luate în considerare atât cerințele din partea pompei, cât și condițiile din partea sistemului.

 

5. Măsuri practice de reducere a cavitației în sistemele de pompare existente

Pe lângă îmbunătățirea designului hidraulic al pompei, mai multe ajustări la nivel de sistem pot ajuta la reducerea cavitației.

Îmbunătățiți conducta de aspirație

Utilizați o conductă de aspirație de dimensiuni adecvate pentru a evita viteza excesivă a curgerii și pierderile prin frecare. Păstrați conducta de aspirație cât mai scurtă și directă posibil și evitați coturile inutile, modificările bruște de diametru și fitingurile restrictive.

Asigurați-vă că supapele de aspirație sunt complet deschise în timpul funcționării normale și că filtrele sau filtrele sunt inspectate și curățate în mod regulat.

Mențineți o aprovizionare adecvată cu lichid

Verificați nivelul lichidului din rezervorul de alimentare și verificați cota instalației pompei. Acolo unde condițiile permit, reducerea înălțimii de aspirație sau creșterea nivelului de lichid static poate îmbunătăți NPSHa.

Pentru sistemele închise, verificați dacă presiunea sistemului este adecvată pentru temperatura fluidului și cerințele de funcționare.

Operați în apropierea intervalului de funcționare recomandat

Verificați debitul real în raport cu curba de performanță a pompei a producătorului.

Evitați funcționarea prelungită la debite excesiv de mici sau mari, unde se poate dezvolta instabilitate hidraulică. Selectați o pompă al cărei punct de eficiență maxim și domeniul de funcționare permis sunt adecvate pentru funcționarea așteptată a sistemului.

Monitorizați temperatura și condițiile fluidului

Pentru lichide fierbinți, evaluați presiunea vaporilor acestora la temperatura reală de funcționare. Modificările temperaturii lichidului, compoziției, vâscozității sau conținutului de gaz pot influența performanța de aspirație.

Cerința NPSH a pompei ar trebui evaluată pentru fluidul real și condițiile de funcționare, mai degrabă decât să se bazeze doar pe date de referință pe bază de apă.

Inspectați rotoarele și pasajele de curgere interioare

În timpul întreținerii programate, inspectați marginile anterioare ale palelor rotorului, carcasele și alte suprafețe umede pentru a detecta zgârieturi, eroziune, coroziune și depuneri.

Dacă se găsesc daune, stabiliți dacă este asociată cu cavitație, uzură abrazivă, coroziune sau alt mecanism înainte de a selecta o metodă de reparare.

 

6. Cum să selectați o pompă cu carcasă divizată cu o rezistență mai bună la cavitație

Selectarea unei pompe cu caracteristici de aspirație adecvate este deosebit de importantă pentru alimentarea cu apă cu debit mare, circulația apei de răcire, irigare și aplicații în procesele industriale.

Înainte de a selecta o pompă cu dublă aspirație cu carcasă divizată, inginerii ar trebui să evalueze următoarele informații:

Factorul de selecție	Informații de confirmat
Debitul	Debit de operare normal, minim și maxim
Cap dinamic total	Cap necesar în condițiile actuale ale sistemului
Proprietăți lichide	Tip, temperatură, densitate, vâscozitate și presiune de vapori
Condiții de aspirație	Nivelul rezervorului de alimentare, presiunea, gradul de aspirație și pierderile din conductă
NPSH	NPSHa disponibil și NPSHr necesar pentru pompă
Viteza pompei	Viteza motorului și condițiile de funcționare așteptate
Instalare	Fundația, aranjarea țevilor și condițiile debitului de admisie
Materiale	Rezistență la coroziune și adecvare pentru lichidul pompat

Pompa trebuie evaluată folosind curbele de performanță complete, inclusiv debit, înălțime, eficiență, putere și NPSHr.

Pentru aplicații cu presiune de aspirație limitată sau condiții solicitante de admisie, o pompă cu caracteristici hidraulice adecvate de NPSH scăzut poate fi mai potrivită decât simpla selectare a unui motor mai mare sau a unui model de capacitate mai mare.

 

Concluzie

Cavitația în pompele cu carcasă dublă de aspirație este influențată atât de sistemul de pompare, cât și de designul hidraulic intern. NPSH insuficient, viteza excesivă de intrare, distribuția nefavorabilă a fluxului și condițiile de funcționare necorespunzătoare pot contribui la dezvoltarea acestuia.

La nivel de proiectare, optimizarea razei de viraj a carcasei frontale și reducerea adecvată a diametrului butucului rotorului poate ajuta la îmbunătățirea condițiilor de debit de admisie. Cu toate acestea, aceste modificări trebuie evaluate împreună cu rezistența rotorului, designul arborelui, performanța hidraulică și cerințele de fabricație.

Pentru instalațiile existente, îmbunătățirea condițiilor conductei de aspirație, menținerea alimentării adecvate cu lichid, funcționarea în intervalul recomandat și monitorizarea NPSH sunt la fel de importante.

O abordare sistematică care combină designul hidraulic solid, selecția precisă a pompei și funcționarea corectă a sistemului poate ajuta la reducerea daunelor cauzate de cavitație și la îmbunătățirea fiabilității pe termen lung a pompelor centrifuge industriale.