Analiza kawitacji wirnika pompy odśrodkowej

1. Natura kawitacji
Kawitacja, czyli złożony proces niszczenia fizykochemicznego, przebiega w trzech etapach:

Lokalne parowanie: Kiedy lokalne ciśnienie na wlocie wirnika lub w strefie niskiego ciśnienia spada poniżej ciśnienia pary nasyconej cieczy w jej temperaturze roboczej, ciecz wrze, wytwarzając liczne pęcherzyki pary (komory).

Zapadnięcie się i uszkodzenie pęcherzyków: Te pęcherzyki są przenoszone przez przepływ do strefy wysokiego ciśnienia wirnika, gdzie ciśnienie otoczenia gwałtownie wzrasta, powodując ich niemal natychmiastową implozję. To zapadnięcie się generuje intensywne fale uderzeniowe i mikrostrumienie o lokalnym ciśnieniu sięgającym setek megapaskali, działające w ciągu mikrosekund i na obszarach o skali mikronowej.

Zmęczenie i erozja materiału: Fale uderzeniowe wielokrotnie uderzają w metalową powierzchnię wirnika (tysiące razy na sekundę), powodując zmęczenie mechaniczne i korozyjne. To stopniowo powoduje odrywanie się ziaren metalu, prowadząc do erozji wżerowej, przypominającej plaster miodu lub gąbczastej na powierzchni.

2. Specyficzne zagrożenia kawitacji dla pomp

Spadek wydajności: Pęcherzyki pary blokują kanały przepływu, zakłócają ciągłość płynu i powodują znaczny spadek szybkości przepływu pompy, wysokości podnoszenia i wydajności, często powodując "break" na krzywej wydajności.

Wibracje i hałas: Gwałtowne tworzenie się i zapadanie się pęcherzyków powoduje silne wibracje pompy oraz charakterystyczne trzaski i syczenie, co zagraża stabilności i środowisku pracy.

Uszkodzenie wirnika:

Wżery mechaniczne: powodują charakterystyczną erozję w kształcie plastra miodu.

Korozja elektrochemiczna: Energia uwalniana podczas zapadania się wirnika niszczy ochronną warstwę pasywną wirnika (szczególnie krytyczną w przypadku stali nierdzewnej), przyspieszając korozję chemiczną. Połączenie tych procesów prowadzi do ekstremalnie szybkiej utraty materiału.

W ciężkich przypadkach może dojść do perforacji wirnika i całkowitej awarii pompy.

Krótsza żywotność: Uszkodzenie wirnika w połączeniu z przyspieszonym zużyciem łożysk i uszczelnień z powodu wibracji drastycznie skraca okresy między przeglądami i ogólną żywotność pompy.

3. Identyfikacja i diagnoza

Dźwięk: Uporczywy dźwięk "trzasków, " "trzasków, " lub "syczenia d" dochodzący z pompy, podobny do pompowania żwiru.

Wydajność: Przy stałej prędkości i położeniu zaworu, nagły lub stopniowy spadek przepływu, ciśnienia wylotowego (wysokości podnoszenia) i prądu silnika (poboru mocy).

Wibracje: Nienormalnie wysokie odczyty wibracji pompy, szczególnie w kierunku osiowym.

Kontrola wizualna: Po zakończeniu operacji ujawniono charakterystyczne wżery w kształcie plastra miodu na tylnej stronie krawędzi wlotowych łopatki (strefa niskiego ciśnienia).

4. Przyczyny pierwotne (w systemach wody obiegowej)

Niewystarczająca ilość dostępnego NPSH (NPSHa): przyczyna główna.

Nadmierne podniesienie pompy: Pompa jest zainstalowana zbyt wysoko ponad poziomem podawanej cieczy.

Nadmierne straty w linii ssącej: Rurociąg ssący, który jest zbyt długi, wąski, ma zbyt wiele kolanek lub jest zatkany filtrem/sitkiem/zaworem stopowym, zwiększa spadek ciśnienia.

Wysoka temperatura cieczy: Słaba wymiana ciepła lub wysokie obciążenie cieplne w układzie powoduje wzrost temperatury wody i ciśnienia pary, co prowadzi do zmniejszenia NPSHa.

Niskie ciśnienie w układzie: Wahania ciśnienia lub niewystarczająca ilość wody uzupełniającej w zamkniętych układach obniżają ciśnienie w zbiorniku ssącym.

Wymagane wysokie NPSH dla pompy (NPSHr):

Niewłaściwa konstrukcja pompy lub niekorzystna geometria wlotu wirnika/duża prędkość wlotowa.

Zużycie lub zatkanie wirnika, co wpływa negatywnie na oryginalną konstrukcję hydrauliczną.

5. Zapobieganie i rozwiązania

Optymalizacja projektu systemu (zwiększenie NPSHa):

Obniż wysokość montażu pompy i w miarę możliwości stosuj zalewanie ssące (poziom cieczy powyżej środkowej linii pompy).

Zoptymalizuj przewody ssące: skróć je, zwiększ średnicę, zminimalizuj liczbę złączek/zaworów i regularnie czyść filtry/sitka.

Kontrola temperatury cieczy: zapewnienie efektywnej pracy wież chłodniczych, wymienników ciepła itp.

Stabilizacja ciśnienia w układzie: Utrzymywanie właściwego ciśnienia i uzupełnianie ubytków w zamkniętych układach.

Właściwy wybór i modyfikacja (zmniejszenie NPSHr):

Wybierz pompy z odpowiednim marginesem: Upewnij się, że NPSHa > NPSHr ma wystarczający margines bezpieczeństwa (zwykle ≥ 0,5–1,0 m).

Wybierz pompy odporne na kawitację: Modele z wirnikami dwussącymi (mniejsza prędkość wlotowa) lub łopatkami induktora.

Modyfikacja wirnika: Wymień standardowy wirnik na model antykawitacyjny (z grubszymi krawędziami wlotowymi i specjalnymi profilami) lub profesjonalnie przekształć/podetnij standardowy wlot wirnika, aby uzyskać ostrzejszy, cieńszy profil.

Eksploatacja i konserwacja:

Nakładanie powłok/powłok: Nakładanie materiałów odpornych na kawitację (np. stopów na bazie kobaltu, węglika wolframu) poprzez nakładanie laserowe, natryskiwanie plazmowe lub napawanie.

Powłoki polimerowe: W przypadku mniej krytycznych zastosowań należy stosować powłoki epoksydowe o wysokiej wydajności.

Uszkodzone wirniki należy niezwłocznie naprawić lub wymienić.

Unikaj pracy przy niskim przepływie: Wewnętrzna recyrkulacja przy niskim przepływie sprzyja kawitacji. Pracuj w preferowanym zakresie pracy pompy (BEP).

Użyj napędów o zmiennej częstotliwości (VFD): znaczne zmniejszenie prędkości pompy powoduje obniżenie jej NPSHr (proporcjonalnie do kwadratu prędkości), co jest skutecznym rozwiązaniem.

Ochrona i naprawa powierzchni:

Streszczenie
Kawitacja wirnika w pompach odśrodkowych to problem systemowy wynikający z braku równowagi, w którym dostępna dodatnia wysokość ssania (NPSHa) z systemu jest niewystarczająca, aby spełnić wymaganą dodatnią wysokość ssania (NPSHr) pompy. Rozwiązanie leży w podwójnym podejściu: zwiększeniu podaży i zmniejszeniu zapotrzebowania " — zwiększeniu NPSHa systemu przy jednoczesnym zmniejszeniu NPSHr pompy. Poprzez systematyczną konstrukcję, dobór, obsługę i konserwację, kawitacji można skutecznie zapobiegać i nią zarządzać.