Что такое кавитация насоса

Явление кавитации возникает в трубопроводах, клапанах, насосах и других механизмах, используемых для транспортировки воды. Для ее появления необходимо выполнение определенных условий. Например, кавитация часто возникает в насосах центробежного типа. Что ускоряет износ его деталей и, прежде всего, его рабочего колеса. 

Что такое кавитация — простыми словами, каковы ее признаки и последствия — в этой статье.

Суть явления

Вода обладает уникальными свойствами, позволяющими ей существовать при одинаковой температуре в жидкой и газообразной форме. Увидеть этот насыщенный пар можно на вращающемся винте корабля. Но для перехода в иное агрегатное состояние должны создаться условия. 

Чтобы узнать, какие причины вызывают кавитацию, рассмотрим простой пример. При движении воды в трубе с ровными стенками и постоянным диаметром насыщенный пар не образуется. Но при резком сужении сечения, а затем расширении кавитация возникнет. Физика явления выглядит следующим образом:

• В первой, широкой, части трубы давление высокое, но равномерное.
• В узкой части скорость потока возрастает, но давление падает. В этот момент и возникает кавитация. Часть воды переходит в состояние насыщенного пара. Пузырьки следуют в общем потоке, пока не создавая никаких негативных последствий.
• В третьей, широкой, части трубы давление снова возрастает. И пузырьки схлопываются. Далее жидкость следует единым жидким потоком.

Причины возникновения кавитации в центробежных насосах аналогичны. Она вызвана местным изменением давления. Скорость жидкости увеличивается за счет передачи ей кинетической энергии рабочего колеса с лопатками. Что приводит к образованию пузырьков пара, как и в разобранном выше примере обычного трубопровода.

Отметим, что переход воды в пар может вызываться и изменением температуры. Но для агрегатов, перекачивающих жидкость, не нагревая и не охлаждая ее, местное изменение давления остается ключевой причиной. 

Признаки кавитации

• Шум при работе насоса. Шум представляет собой какофонию звуков схлопывания большого числа микропузырьков. Громкость его зависит от их размеров и количества. В масштабных гидросистемах могут образовываться, а затем схлопываться, достаточно крупные пузыри, приводящие к образованию ударов силой до 10 тонн на см².
• Провал подачи. Признак можно заметить, постепенно увеличивая вентилем поток воды, поступающей в центробежный насос. Сначала подача постоянно растет. Но при определенном размере пропускного отверстия вентиля происходит провал на выходе из насоса. Этот момент и есть начало кавитации.
• Визуальное наблюдение пузырьков газа. Стоит отметить, что применительно к насосу такое возможно только для моделей с прозрачным корпусом. Также пузырьки можно наблюдать в экспериментальных лабораториях при проведении опытов по изменению конструкции агрегатов. 

Заглянуть в непрозрачный корпус невозможно. Но можно увидеть негативные последствия на рабочем колесе и других деталях, разобрав его. 

Вредные последствия кавитации

Как было отмечено выше, гидравлический удар при схлопывании пузырей пара при возвращении воды в привычное нам жидкое состояние, может достигать значительных значений. Часть этих гидроударов принимают на себя детали агрегата. Они вызывают микротрещины, которые достаточно быстро превращаются в каверны за счет коррозии в агрессивной водной среде.

Klausbärbel, CC BY-SA 3.0, Wikimedia Commons 

Опасность кавитации состоит в постоянном воздействии на поверхность деталей агрегатов. Размер каверн растет пропорционально времени работы механизма. И в какой-то момент становится причиной поломки, если не принять меры. 

Существуют методы борьбы с негативными проявлениями этого процесса. Они применяются производителями оборудования и инженерными службами предприятий, когда избежать кавитации невозможно. К распространенным методам относятся:

• Использование более прочных сплавов в деталях. К сожалению, это сказывается на стоимости агрегатов.
• Изменение формы клапанов, чтобы сделать процесс перехода жидкости из области низкого давления в зону высокого более плавным.
• Усложнение конструкции за счет деталей с перфорацией. Это позволяет разделить поток жидкости, тем самым уменьшая и размер пузырьков. Но эти меры снижают пропускную способность труб.

Как бороться с кавитацией в насосах

Мы выяснили, что остановить негативные последствия кавитации, если она идет непрерывно, нельзя. Но можно предотвратить ее появление и переход в форму, когда гидроудары станут разрушительны для агрегата.

Например, для центробежного насоса можно установить предельное значение подачи, выше которого негативный процесс становится заметен. Оно зависит от конфигурации системы. Влияет и то, выше или ниже агрегата находится емкость, из которой он забирает жидкость. Поэтому в каждом случае точка возникновения кавитации определяется расчетным или экспериментальным путем.

Также положительное значение имеет регулярное обслуживание фильтров, участков труб, расположенных в системе после центробежного насоса. Сужение проходного отверстия труб из-за накопившихся загрязнений и засорение фильтрующих элементов могут привести к кавитации. 

Другие изменения в системе — причины кавитации насоса, могут быть следующими:

• Изменение конфигурации трубопровода после насоса, вызывающие увеличение сопротивления. 
• Увеличение скорости вращения рабочего колеса. Например, после замены электродвигателя на более высокооборотный или изменение токовых характеристик в его системе питания.
• Увеличение температуры перекачиваемой воды. В нагретом состоянии она быстрее переходит в состояние газа.
• Изменение свойств перекачиваемой среды. Так, увеличение растворенных в воде газов увеличивает величину кавитации и размеры образующихся пузырей. Соответственно, и повреждения, наносимые ими трубам и деталям, увеличиваются.

Если вы устраните причины кавитации насоса, то продлите срок его службы.

Автор статьи: Александр Шихов