Кавітація в насосах

КАВІТАЦІЯ В НАСОСАХ

Вперше кавітація була виявлена на початку ХХ століття, коли з’явилися швидкохідні морські судна, гвинти яких стали руйнуватися в дуже короткі терміни. Дослідженнями встановлено, що при високих швидкостях рідини або тіла всередині рідини суцільність потоку порушується. У потоці виникають порожнини (каверни), заповнені парами рідини і газами. Тиск цих парів визначається температурою навколишнього середовища. Ці порожнини (cavitas), від яких отримало назву явище, переносяться в зону більш високих тисків і низьких швидкостей, де пар швидко конденсується.

У місцях конденсації парогазових каверн частки рідини спрямовуються назустріч один до одного з великою швидкістю, що призводить до місцевого підвищення тиску. Після зіткнення, частинки рухаються в протилежному напрямку і місцевий тиск в потоці різко знижується. Цей процес повторюється з великою частотою і відбувається також на поверхнях деталей. При багаторазовому впливу високих і низьких тисків метал «втомлюється» і починає руйнуватися. Руйнування починається з появи мікротріщин, а надалі воно носить наростаючий характер, і металева поверхня деталі стає губчастої. У кавітаційному руйнуванні беруть участь і хімічні процеси. Парогазова суміш в бульбашках багата киснем. В результаті хімічних реакцій, що проходять при високому тиску і підвищеній температурі, метал окислюється.

Кавітаційне руйнування в більшій чи меншій міри властиво усім відомим матеріалам. У гідравлічних машин спостерігається два етапи кавітації. На першому етапі з’являється так зване «холодне кипіння», слабкі шум і невеликі руйнування металу робочого колеса і лопатей. Другий етап кавітаційного процесу характеризується падінням ККД і потужністю гідромашини, сильною вібрацією. Можливість утворення каверн у потоці випливає зі рівняння Бернуллі. Дійсно, при Z = 0 рівняння буде мати вигляд

(1)

Якщо швидкості будуть зростати, тиск повинен зменшуватися. При зниженні його до насиченої пари даній температурі, вода починає випаровуватися і всередині потоку утворюються порожнини, за які йшла мова. Кавітацією називають процеси порушення суцільності потоку рідини, що відбуваються там, де місцеве тиск знижується і досягає критичного значення, тиску насичених парів рідини.

Кавітація виникає при зниженні тиску на вході в насос, при якому починається перехід рідини у газоподібний стан — пари (холодне кипіння) і утворення розривів потоку — пустот (порожнин). Порожнини або бульбашки, (cavitas), від яких отримало назву явище, заповнені парою, захоплюються потоком у області підвищеного тиску.

Тут пар конденсується і порожнини, заповнені парою, закриваються. Конденсація бульбашок супроводжується миттєвим місцевим підвищенням тиску, що досягає сотень мегапаскалей. Швидкості частинок рідини досить високі, тому при закритті каверн відбувається місцевий гідравлічний удар, супроводжуваний шумом і вібрацією. Накладення безліч місцевих гідравлічних ударів починають руйнувати поверхню робочого колеса. За дією кавітації поверхні стають шорсткими, губчастими, що сприяє швидкому їх стирання завислими речовинами. Це явище називається ерозією.

При початковій стадії розвитку кавітації в насосі можна судити по сухому тріску на вході. Така кавітація на енергетичні показники не впливає. Під час її розвитку, як ми писали, з’являється вібрація і зменшуються напір, подача і ККД насоса внаслідок зменшення щільності рідини, потім може настати зрив режиму роботи гідромашини.

Захлопування бульбашок призводить до вищерблювання матеріалу стінок каналів. Описаний механічний процес руйнування стінок каналів називається ерозією і є найбільш небезпечним наслідком кавітації. Інтенсивність руйнування буває досить високою і може досягати 10 … 40 мм на рік. Найбільш схильні до кавітаційного руйнування чавун і вуглецева сталь. Більш стійкі в цьому відношенні бронза і нержавіючі сталі. З метою підвищення стійкості деталей насосів застосовують захисні покриття.

Рис. 1. Приклади руйнування коліс відцентрових насосів внаслідок кавітації

Для виявлення причин виникнення кавітації напишемо рівняння тиску на вході в насос (за рівнянням Бернуллі)

кавітація тиск насос напилення З рівняння видно, що тиск біля входу в насос тим менше, чим більше висота всмоктування і гідравлічний опір трубопроводу, що підводить і чим менше тиск в приймальному резервуарі.

Щоб забезпечити безкавітаційну роботу насоса, необхідно правильно визначати геометричну висоту всмоктування — Нs і не завищувати її величину.

Основними причинами падіння тиску на вході в насос можна назвати:

1. Високе розташування насоса відносно до рівня води в джерелі.

2. Зростання відносної швидкості потоку внаслідок збільшення подачі при підйомі рівня води в джерелі (наприклад, коли відбувається повінь).

3.Збільшення частоти обертання (в час пуску насоса зі відкритою засувкою при спорожненому трубопроводу).

4. Зростання втрат тиску у всмоктувальної ділянці.

5. Зростання температури води, яку перекачує насос.

Для безкавітаційній роботи насоса необхідно забезпечити умови, при яких тиск на вході в насос був би більш критичного, тобто більше тиску насиченої пари рідини.

Тому на вході в насос слід створити певний запас, який називається кавітаційним запасом.

Кавітаційний запас — це перевищення питомої енергії потоку над енергією, яка відповідає тиску насиченої пари рідини.

h = Э_{1 — рнпж / g (3)}

де р_н.п.р — тиск насиченої пари рідини. При температурі води +20^о С тиск насиченої пари рідини — дорівнює 0,24 м. Для кожного насоса існує деяке мінімальне значення h_{мiн. При зменшенні кавітаційного запасу нижче цього значення в насосі починає розвиватися кавітація. З рівняння видно, що найменшим значенням hмiн відповідає найбільше значення геометричної висоти всмоктування, яке часто називають критичною висотою всмоктування.}

На основі великого числа досліджень та узагальнення дослідних даних С. С. Руднєвим отримана формула для визначення мінімального кавітаційного запасу:

С — стала величина, що залежить від конструктивних особливостей насоса. При визначенні Дh_мін для насосів двостороннього входу в формулу додається 0,5 Q. За звичайних умов (температура води +20^о С і установка розташована на висоті 300 м над рівнем моря) геометрична висота всмоктування визначається за формулою:

Н _{s = 10 — Дhhвс — hн.п.ж. ^* (7)}

При зміні умов формула набуває вигляду

Н _{s = h а - Дhдoп — h н.п.ж — hвс, (8)}

h _н.п.р - приведена висота тиску насиченої пари рідини ;

h_а — приведена висота атмосферного тиску.

Тиск насиченої пари рідини залежить від температури води. Значення тиску насиченої пари рідини h_нпр, в залежності від температури води, наведено нижче (табл.1). З викладеного можна зробити наступний висновок:

Геометрична висота всмоктування менша вакууметричної на величину повних втрат тиску у всмоктувальній лінії і величину швидкісного напору у всмоктуючому патрубку насоса;

Найбільша геометрична висота всмоктування обмежується допустимою вакуумметричною висотою всмоктування. Допустима вакуумметрична висота всмоктування залежить від атмосферного тиску і температури рідини, яка перекачується. На заводахвиробниках спеціальними кавітаційними випробуваннями визначають величину для атмосферного тиску 0,1 МПа і температури перекачуємої рідини 20 °C. Якщо насосна установка проектується для перекачування води з температурою більше 20 °C, тиск насиченої пари рідини слід брати за таблицею 1.

Значення тиску насичених парів h_н.п.р. в залежності від температури води.

Таблиця № 1

Наведену висоту тиску насиченої пари рідини (в м. ст. рідини) прийнято позначати h_н.п.р, а наведену висоту атмосферного тиску — h_{а .Тоді формулу (7) * можна представити у такому вигляді}

Н^доп_{s= h а— Дhдoп — h нпж — hвс* (9)}

Значення наведеної висоти атмосферного тиску в залежності від розташування над рівнем моря вказані нижче, в таблиці 2.

Значення висоти атмосферного тиску в залежності від розташування місцевості над рівнем моря наведено у таблиці 2.

Таблиця № 2

Завдання 1.

За каталогом кавітаційний запас насоса дорівнює h = 3,5 м і він розташований на відмітки 600 м. Втрати напору у всмоктувальній лінії становлять 0,8 м. Визначити допустиму геометричну висоту всмоктування, якщо відомо, що насос перекачує воду при температурі + 40 °C.

Рішення: Для відмітки 600 м h _а = 9,6м: при t = 40 °C h_нпж. Формулою (7) * визначаємо

(або Н_s=4,55 м) Тоді відмітку осі насоса можна визначити за формулою:

ОН = УВ мiн. + Нs (10)

Найефективніший засіб боротьби з кавітацією — створення таких умов роботи гідромашини, при яких це явище протікати не може. Теоретично це можна досягти правильним визначенням висоти всмоктування. Кавітація виникає, якщо тиск в потоці на виході з робочого колеса нижче тиску насиченої пари p_н.n.р.

КАВІТАЦІЯ НАСОСІВ І ШЛЯХИ ЇЇ УСУНЕННЯ

Мабуть, головне джерело проблем з насосами — кавітація. Фізично це явище пояснюється тим, що в рідині завжди присутня якась кількість розчиненого газу. При русі рідини в ній можуть виникати зони розрідження. В результаті виділяються бульбашки. Потрапляючи з потоком у зону більш високих тисків, бульбашки лопаються, виділяючи енергію, яка руйнує поверхню робочих коліс, спірального корпусу, рис. 2. і т.д.

Рис. 2. Кавітація спірального корпусу за рік роботи насоса.

Ця енергія також створює ударні хвилі, що викликають вібрацію, що поширюється на робоче колесо, вал, ущільнення, підшипники, підвищуючи їх знос. Виникнення кавітації обумовлено різними причинами Будь-який вид кавітації пов’язаний з неврахуванням важливих правил гідравліки і гідродинаміки.

Кожен насос характеризується величиною кавітаційного запасу Дh_тр, що позначається західними насосними фірмами NPSHR. Це той мінімальний тиск, в межах якого у рідини, що потрапляє в насос, зберігається стан власне рідини. Величину Дh_тр в номіналі і криву залежності Дh_тр від подачі / напору зобов’язаний надавати виробник насоса. Насос в станцію необхідно підбирати, встановлювати і обв’язувати так, щоб він мав у зоні своєї роботи (визначається накладенням характеристик насосів і системи водоводів) тим допустимим кавітаційним запасом Дh_доп (або NPSHA), величина якого була б вищою Дh_тр (NPSHA> NPSHR). Іншими словами Дh_доп — є потенційна енергія рідини у отвору всмоктування насоса

Дh_{доп = Ha + Hs — Hvp -Hf -Hi, (11)}

H_a — атмосферний тиск (10 м водяного стовпа на рівні моря); Hs — статичний напір (позитивний чи негативний), який визначається як різниця рівнів між вільною поверхнею рідини і віссю насоса, м; Hvp — тиск пари рідини, що перекачується, залежне від температури, м; H_f — втрати на тертя у всмоктувальній лінії, м; H_i — втрати в просторі між горловиною і голівкою робочого колеса насоса (якщо невідомі, можна прийняти рівними 0,6 м).

Приклад. Потрібно визначити геометричну висоту всмоктування Н_о (рис 3) для насоса з Дh_тр = 7,0 м.

Розрахунком з таблиць отримуємо втрати: на вході в насос H_i = 0,6 м; на тертя у всмоктувальній лінії H_f = 0,3 м; на засувці Н_v = 0,1 м; на конфузорі Н_к = 0,1 м; тиск насичених парів H_vp = 0,2 м. Величина Н_о дорівнює H_s зі знаком мінус.

Для отримання шуканої Н_о застосуємо систему з трьох рівнянь.

Дhдоп = 1,1 Дh_тр, (12)

де 1,1 — коефіцієнт запасу, що приймається в залежності від умов роботи насоса 1,1 — 1,5;

Н_о = - Hs, оскільки рівень води негативний по відношенню до осі насоса.

Дh_доп = H_a + H_s — H_vp — Н_к — Н_v — H_f -H_i (13)

Звідси Н_о= - (1,1 Дhтр — Ha + Hvp + Нк + Нv + Hf + Hi) або (14)

Н_о = - (1,1×7,0 — 10 + 0,2 +0,1 + 0,1 + 0,3 + 0,6) = - (- 1,0) = 1 м.

Необхідний кавітаційний запас Дh_TP зазвичай обчислюють за характеристикою, що додається виробником насоса. Характеристика Дh_тр починається з точки нульової подачі і повільно зростає із збільшенням. Коли подача перевищує точку найбільшого ККД насоса крива Дh_тр різко зростає, по експоненті. Зона праворуч від точки максимального ККД зазвичай є кавітаційно небезпечною.

Кавітаційний запас не піддається контролю з точки зору механіки, і оператор насосної станції (особливо, якщо він не ознайомлений з характеристиками насосів) вловлює по металевому шуму і клацаннях вже розвинену кавітацію. На жаль, на ринку занадто мало приладів, які дозволяють спостерігати і запобігати кавітацію. Хоча датчик тиску на всмоктуючої стороні насоса, що подає сигнал тривоги при падінні тиску нижче допустимого за конкретним агрегатом, може й мав би застосовуватися повсюдно.

Багато операторів знають, що звук пропадає після прикриття засувки. Але, знижуючи тим самим подачу і кавітацію, можна не досягти технологічних параметрів виробничого процесу або водопостачання / водовідведення. Для того, щоб правильно усунути кавітацію, потрібно використовувати принцип — на вході в насос повинно завжди бути рідини більше, ніж на виході.

Ось декілька простих способів, як цього досягти:

— замініть діаметр всмоктуючого патрубка більшим;

— установити насос ближче до живлячої резервуару, але не ближче 5−10 діаметрів всмоктуючої труби;

— понизити опір у всмоктувальній трубі, заміною її матеріалу на менш шорсткий, засувки на шиберного, що характеризується меншими місцевими втратами, видаленням зворотного клапана;

— якщо всмоктувальна труба має повороти, то зменшіть кількість і (або) замініть відводи малих великими радіусами повороту, зорієнтувавши в одній площині (іноді правильно замінити жорстку трубу гнучкою);

— збільште тиск на всмоктувальній стороні насоса підвищенням рівня в

живильному резервуарі або зниженням осі установки насоса, або використанням бустерного насоса. Викладені способи прості і зрозумілі будь-якому фахівцеві, але. Іноді зустрічаються парадокси: проект виконаний авторитетною проектною організацією і з’ясовується, що насос з подачею 1400 м³ / год, обладнаний засувками (рис. 4) має діаметри 400 мм з напірної і 300 мм зі всмоктуючої сторони (!?) «Ви переплутали діаметри» — кажу сам собі - «Не може насос, що виготовляється солідною європейською фірмою, бути виконаний всупереч класичному правилу: всмоктуючий патрубок повинен бути більше напірного!»

Виявилося, що патрубки мають однакові діаметри по 300 мм. Наприклад, концерн GRUNDFOS теж випускає насоси горизонтальні консольні з однаковими діаметрами.

Чим керується насосна фірма здогадатися не важко. З відповідним під дану подачу всмоктуючим патрубком Ш400 або Ш500 зросли б розмір равлики і ціна. Але, якби проектувальник підрахував одержувані швидкості на вході в насос 5,5 м / с, а за насосом 3,1 м / с, то зміг би переконати замовника відмовитися від насоса, здатного кавітіровать, хоча і менш дорощого.

Другий приклад:

В одній насосній станції, змонтовано агрегати сухої горизонтальної установки вище рівня води в приймальної камери 2,8 м. Номінальні параметри насосів: Q = 3500 м³ / год, Н = 26 м, Дh_тр (NPSHR) = 7.7м. Насоси кавітуючі. Реально вони працюють в точці Q = 3900 м³ / год, Н = 24 м, де Дh_тр (NPSHR) = 8,6 м. Діапазон продуктивності насосної станції 6000−10 000 м³ / год.

Вирішення проблеми:

За допомогою формули підраховуємо Дh_доп (NPSHA) = 5.8м. Звідси Дh_доп <1,1Дh_тр = 8,5 м, що неприпустимо. В фактичній же точці роботи, де різниця 1,1Дh_тр-Дh_доп = 1,1×8,6 = 3,7 — Умови ще жорсткіші.

Розглянемо два варіанти виводу насосів з роботи в зоні кавітації:

— Дроселювання напірної лінії за допомогою регульованого клапана.

— Збільшення тиску на всмоктуючої стороні, установкою в приймальному відділенні бустерного насоса.

Варіант 1 (з регульованим клапаном).

Аналізуючи характеристики QH і Q-Дhтр насоса, знаходимо Q = 2000 м³/год, при якому Дhтр = 3,8 м <�Дh_доп. Підбираємо регулюючий клапан, здатний підтримувати тиск в напірній лінії кожного насоса на рівні 3,5 бар, що відповідає одиничній подачі 2000 м³/год. Будуємо графіки спільної роботи трьох насосів з трьома клапанами і трубопроводів (рис 5). Три насоса справляються з мінімальним припливом 6000 м³ / год.

Варіант 2 (з бустерних насосом).

З попередніх розрахунків видно, що нестача напору на всмоктуючої стороні насоса становить 3,7 м. Найбільш просто монтуються і придатними для значних обсягів на невелику висоту є насоси з осьовими або діагональними робочими колесами (рис 5,6). Такі агрегати встановлюються безпосередньо в нагнітальну колону (в даному випадку відкриту). Підбираємо насос з номінальними параметрами Q = 3000 м³ / год, Н = 5,5 м, ККД = 83%.

Будуємо характеристики роботи пари послідовно з'єднаних насосів (рис. 7) і трьох пар послідовно — паралельно з'єднаних насосів (рис. 8) спільно з водоводом.

Пуск існуючого насоса здійснюється з затримкою, після того, як осьовий бустерний агрегат наповнить колону водою до можливого виливу.

Аналіз характеристик показує:

Подача бустерного агрегату (рис. 7) в робочому діапазоні вище, ніж у існуючого, що забезпечило стабільний підпір останньому.

Робоча точка двох пар, паралельно діючих насосів, (рис. 8) відповідає Q = 7200 м³ / год, Н = 30 м і знаходиться в зоні оптимуму обох агрегатів.

Необхідний кавітаційний запас існуючих насосів сухої установки в цій точці Дh_тр = 6 м Підраховуємо наявний кавітаційний запас за формулою (13):

Дh_доп = 10 + 2,0−0,2−0,2−0,1−0,3−0,6 = 10,6 м Звідси Дh_доп = 10,6> 1,1Дh_тр = 6,6 м Загрози кавітації немає.

Енергетичні витрати за варіантами показують явну перевагу у використанні бустерних насосів, а грошова різниця їх порівнянна із закупівельною ціною за агрегат.

Крім того, установка редукційного клапана не виключить проблем.

Наявність повітря у всмоктуючому трубопроводі, отже нестійкої роботи насосів;

Зменшення ресурсу роботи підшипникових вузлів і ущільнень (при подачі 2000 м³/год насос працює на грані обмеження по Qmin, з підвищеними осьовими і радіальними силами).

Таким чином, можна оцінити доцільність та ефективність заходів щодо усунення кавітації.

ЗАХИСТ ПОВЕРХНІ ВІД КАВІТАЦІЇ ЗА ДОПОМОГОЮ ГАЗОТЕРМІЧНОГО НАПИЛЕННЯ І НАПЛАВЛЕННЯ ПОКРИТТІВ

Кавітація — (від латинського cavitas — порожнеча) — утворення в рідині порожнин (кавітаційних бульбашок, або каверн), заповнених газом, парою або їх сумішшю. Гідродинамічна кавітація виникає в результаті місцевого пониження тиску в рідині, яке може відбуватися при збільшенні її швидкості. Фізично процес кавітації близький процесу закипання рідини. Основна відмінність між ними укладено в тому, що при закипанні зміна фазового стану рідини відбувається при середньому за обсягом рідини тиску, рівному тиску насиченої пари, тоді як при кавітації середній тиск рідини вище тиску насиченої пари, а падіння тиску носить локальний характер. Провідну роль в утворенні бульбашок при кавітації грають гази, що виділяються всередину утворених бульбашок. Ці гази завжди містяться в рідині, і при місцевому зниженні тиску починають інтенсивно виділятися всередину зазначених бульбашок.

Оскільки під впливом змінного місцевого тиску рідини бульбашки можуть різко скорочуватися і розширюватися, то температура газу всередині бульбашок коливається в широких межах, і може досягати декількох сотень градусів за Цельсієм. Є розрахункові дані, що температура всередині бульбашок може досягати 150⁰ С. Оскільки в розчинених у рідині газах міститься більше кисню в процентному відношенні, ніж у повітрі, гази в бульбашках при кавітації хімічно більш агресивні, ніж атмосферне повітря.

Хімічна агресивність гарячих газів в кавітаційних бульбашках викликає ерозію матеріалів. Великі закидання тиску, що виникають при схлопуванні бульбашок призводять до пошкоджень поверхні матеріалів. Експерименти показали, що шкідливому, руйнівному впливу кавітації піддаються навіть хімічно інертні до кисню речовини (золото, скло та ін.).

Кавітаційний знос (ерозія) викликається головним чином механічним впливом кавітуючого потоку, який проявляється у вигляді ударів, що виникають при закритті каверн на обтічної поверхні або поблизу неї. Особливість впливу полягає в тому, що частота цих ударів дуже висока. При цьому виявляються втомні явища в металах. Руйнування відбувається у формі викришування, вибивання окремих кристалів, і поверхня металу замість гладкої стає губчастої. Інтенсивність руйнування іноді вельми висока і може досягати глибини 10−40 мм на рік. Це викликає необхідність частих ремонтів, зміни робочих органів, що призводить до значного подорожчання експлуатації гідромашин.

При кавітації, крім розглянутих механічних впливів, проявляються хімічні та електричні явища. Яка роль цих додаткових факторів, поки повністю не встановлено, але, очевидно, вони сприяють збільшенню інтенсивності кавітаційної ерозії.

Кавітація викликає руйнування гребних гвинтів суден, робочих органів насосів, гідротурбін ГЕС і т. п., а так само шум, вібрацію та зниження ефективності роботи пристроїв.

Найбільш ефективним способом боротьби з кавітацією є конструктивна зміна геометрії пристрою таким чином, щоб кавітаційні явища відбувалися на видаленні від поверхні. Однак, це не завжди можливо. Якщо необхідно захистити від кавітації поверхню робочих органів насосів, гідротурбін, гребних гвинтів та інших пристроїв, на допомогу приходить газотермічне напилення зносостійких корозійно-стійких металевих і металокерамічних покриттів. Покриття товщиною від десятків до сотень мікрон наносяться на високій швидкості, що дозволяє забезпечити високу щільність і адгезію покриттів до поверхні, а значить — надійно захистити деталь від кавітації. Вироби з антікавітаціонной металевими і металокерамічними покриттями широко застосовуються в суднобудуванні, будівництві гідротурбін гідроелектростанцій, виробництві відцентрових насосів.

Дослідження кавітаційних явищ були проведені на реальній каналізаційної насосної станції м. Одеси. Насосна станція КНС-25 була побудована в 1969р. (об'єкт «Невідкладні заходи щодо зниження рівня води Хаджибейського лиману»). У назви об'єкта закладений сенс і стратегічне значення цієї НС для міста. Ця станція працює до сіх пір. Її призначення розширилося, і зараз вона перекачує стоки від СБО «Північна» в Чорне море, а влітку — в лиман. Нами були проведені дослідження режимів роботи насосної станції для виявлення причин зниження основних параметрів і погіршення роботи насосів. А також для виявлення причин такого великого споживання електроенергії. Як ми зазначали спочатку, втрата електроенергії відбувається з багатьох причин.

Основною причиною є витрата електроенергії, пов’язаної з нераціональним підвищенням напору, який має місце:

— при збільшенні гідравлічного опору системи; при роботі насосної установки з перевищенням динамічної або статичної складових напору;

— при роботі насосів в режимі, не відповідному їх номінальним параметрам.

Нераціональне підвищення напору має місце на насосній станції КНС-25. Причиною збільшення гідравлічного опору труб є їх внутрішня корозія, в результаті якої знижується пропускна здатність трубопроводів і виникає необхідність у підвищенні напору, щоб при підвищеному гідравлічному опорі забезпечити подачу тієї ж кількості води.

Співробітниками ОДАБА були проведені дослідження з визначення реального опору напірного водоводу при різних режимах роботи насосних агрегатів на КНС-25.

Комплекс виконаних досліджень дозволив визначити, що після 35-річної експлуатації водоводу гідравлічний опір трубопроводу зріс на 18%, а перетин труби зменшився на 10%, що призвело до зниження подачі насосної станції.

При розгляді режиму енергоспоживання насосних станцій встановлено, що на частку основних насосних агрегатів, які забезпечують перекачку рідини, витрачається від 75% до 95% всієї споживаної електроенергії.

Для забезпечення економічної роботи насосної установки, повинна бути, насамперед, забезпечена економічна робота основних насосних агрегатів.

На насосній станції КНС-25 встановлено 6 насосів (4 робочих і 2 резервних) типу Д5000−50, з електродвигунами СДН15−39−10 потужністю N = 1000 кВт, частотою обертання n = 600 об/хв. Напірний водовід, діаметром 1400 мм і довжиною 2900 м із сталевих труб, прокладений наземним способом. Насосна станція перекачує в зимовий період очищені СВ СБО «Північна» і скидний стік з Хаджибейського лиману в Чорне море. Напірний водовід має складний профіль з перегином на ПК25 + 60.

Щоб встановити в якому режимі працює насос, необхідно визначити режимну точку, яка повинна знаходитися в межах робочої зони (зона максимальних ККД). Навмисне зміна подачі і напору насосів відповідно з новим режимом роботи системи називається регулюванням. Найбільш поширеними на насосних станціях способами регулювання є дроселювання і зміна кількості працюючих агрегатів в електроприводі. Обидва способи слід віднести до неекономічним, оскільки тиск Н втрачається в засувках, дроселюючих напірні комунікації.

Прикриваючи або відкриваючи засувку, змінюють крутизну характеристики SQ² трубопроводу (рис.9), яка залежить від його гідравлічного опору. Прикриваючи засувку, збільшують крутизну характеристики, при цьому робоча точка А₁ переміщається в положення А₂. Подача зменшується до значення Q₂, напір, що розвивається насосом, зростає до значення Н₂, а напір на трубопроводі за засувкою знижується до значення Н₁ за рахунок втрат напору ДH в засувці.

На перевищення напору нераціонально витрачається додаткова потужність, кВт: ?N = сgQ? Н/ 1000з, (15)

Якщо насос працює протягом часу t з перевищенням напору Н, то кількість марно втрачаємої електроенергії, кВт · год, дорівнює:

ДW = ДN · t. (16)

Протягом розрахункового періоду подача і перевищення напору весь час змінюються. При цьому отримується перевитрата електроенергії за розрахунковий період визначається як сума електроенергії, що витрачається в різні періоди часу роботи установки:

??W = (сg? 1000з)?(Q_і ?H_і t_і), (17)

где: Q_і ,?H_і , t_{і -} Подача і перевищення напору за період часу t_і.

Проектом КНС-25 передбачалася робота 4-х насосів на водовід у відносно рівномірному режимі. Аналіз графіка спільної роботи насосів і водоводу (рис.10) показав, що найбільш економічним є режим роботи чотирьох насосів на водовід, а робота одного і двох насосів на водовід без регулювання неприпустима, тому що режимна точка виходить за межі робочої зони насоса. На КНС-25 регулювання режиму роботи одного і двох насосів здійснюється дроселюванням, що призводить до величезної перевитрати електроенергії, тому при Q = 1,7 м³/с і з = 0,83 втрата напору в засувці становить ДH = 22 м.

Втрата електроенергії при регулюванні засувкою насоса становить

?N = сQ? Н/ з (18)

ДN = 9,81 · 1,5 · 22 / 0,83 = 442 кВт.

За добу втрата енергії при регулюванні засувкою на напірної лінії і безперервній роботі одного насоса складе 442 · 24 = 10 609 кВт · год.

За рік 10 609×365 = 3млн.872 тис. кВт•год /рік. Другий насос працює близько 12 годин на добу. Значить сумарна перевитрата електроенергії двох працюючих насосів на рік складає приблизно 5млн.808тис.кВт. !!! І на наш погляд ця цифра занижена в силу багатьох причин. І одна з них — відсутність витратоміра на насосній станції.

Через фінансові ускладнення керівництвом КНС-25 було прийнято рішення перевести НС на новий режим роботи: перекачування тільки СВ СБО " Північна" двома насосами. У зв’язку з цим виникла необхідність дослідження та аналізу роботи насосів в новому режимі. Один насос працює 24 години, а другий приблизно 12 годин.

Дослідження роботи насосів показали, що дана система не може працювати в такому режимі з двох причин:

1. Перевитрата електроенергії;

2. Неможливість забезпечення безкавітаційного режиму роботи насосів при реальній висоті всмоктування.

1. Відомо, що кавітація — це процес порушення суцільності потоку рідини, що відбувається там, де місцево тиск знижується і досягає критичного значення. Кавітація приводить до руйнування поверхні робочих коліс, лопаток і корпусу насоса.

Для безкавітаційної роботи насоса необхідно дотримання умови Н_S^доп>Н_S^реал Н_S^доп — допустима геометрична висота всмоктування;

Н_S^реал — реальна геометрична висота всмоктування.

Визначити допустиму геометричну висоту всмоктування можна за формулою (7*):

Н_Sдоп = 10 — Дh — h_вс — h_н.п.,

де Дh — кавітаційний запас (Дh = 6,5 м при роботі 4-х насосів), hвс — втрати у всмоктуючому трубопроводі (hвс = 1,21 м);

h_н.п.р. — тиск насичених парів рідини (h_н.п.р. = 0,24 м.вод.ст. при температурі t = 20⁰С перекачуваємої рідини).

Н_Sдоп = 10 — 6,5 -1,21 — 0,24 = 2,05 м.

При роботі одного насоса в кінці робочої зони Дh досягає значення 8 м, а в літній період температура води підвищується, і тиск насичених парів рідини збільшується до значення 0,43 м, що ще більше погіршує роботу насосів.

Н_Sдоп = 10 — 8 — 1,21 — 0,43 = 0,36 м.

Відмітка осі насоса на діючій станції дорівнює 2,2 м, а мінімальний рівень води в каналі (-0,15м). Тоді реальна геометрична висота всмоктування становить Н_Sреал = 2,35 м. Таким чином, Н_Sдоп < Н_Sреал, що суперечить умові 4, що забезпечує безкавітаційний режим роботи. При такому режимі роботи, насос повинен бути розташований під затокою. Це одна з основних причин розбалансованості роботи системи.

Треба відзначити, що визначення допустимої висоти всмоктування з урахуванням геодезичної позначки розташування насоса і температури перекачуваємої рідини є першим і найбільш надійним заходом, спрямованим на ослаблення або запобігання кавітації.

Згідно: п. 7.15, паспорту насоса: довгостроково експлуатувати насос на режимах за межами робочої зони характеристики не рекомендується через збільшення навантажень на ротор і кавітаційного руйнування деталей насоса; п. 3.12. ВСН № 33−2.2.12 — 87 *: вибрані насоси повинні забезпечувати стійку безкавітаційну роботу у всьому розрахунковому діапазоні витрат і напорів, визначеному за графіком спільної роботи насосів і водоводів;

п. 11.14. в місцях зміни діаметрів всмоктувальних трубопроводів слід застосовувати ексцентричні переходи для запобігання утворення повітряних мішків.

При обстеженні на КНС-25 було виявлено, що ці вимоги не дотримані:

— виявлені факти завищення геометричної висоти всмоктування в порівнянні з допустимою;

— відсутність ексцентричного переходу на всмоктуючої лінії;

— перевищення швидкості руху води у всмоктуючому трубопроводі вдвічі в порівнянні з допустимою згідно п. 9.1.16 [11];

— підключення більше трьох насосів до водоводу при малій величині геометричного напору;

— різні показання манометрів на напірних патрубках однотипних насосів;

— робота насосів за межами робочої зони та ін. посвідчують про наявність кавітаційних процесів при роботі одного і двох насосів на даний водовід.

Враховуючи перераховані недоліки, а також, та обставина, що насосна станція належить до першої категорії надійності дії згідно п. 11.6. ДБН В.2.5.-74: 2013 слід передбачати, як правило, не менше 2-х напірних водоводів (рис. 11.). Робота досліджуваної системи була б найбільш економічної на 2 н водовода, діаметром 1000 мм кожний, т.я. величина геометричного напору дуже мала. (Відмітка осі труби в точці перетину дорівнює 4,190 м). До дроселювання в цьому випадку вдавалися б лише короткочасно на час запуску другого насоса. І тоді два насоси забезпечували б безкавітаційну роботу в розрахунковому діапазоні подач.

ВИСНОВКИ

1. Проведений аналіз підтверджує явища кавітації через порушення на стадії проектування і доцільність реконструкції та модернізації обладнання насосної станції.

2. Установка заглибних насосів фірми «ITT Flygt» заощадить місту щорічно не менше 6 млн. кВт.· год. електроенергії.

3. З метою забезпечення безкавітаційного режиму роботи насосів при реконструкції слід укласти 2 нитки водоводу d = 1000 мм.

4.Запобігання кавітації в проточній частині насосної системи можна з урахуванням причин загального та місцевого зниження тиску.

Максимальною міцністю до наслідків кавітації володіють насоси, виготовлені з бронзи або нержавіючої сталі, із застосуванням спеціальних захисних покриттів найбільш схильних до стирання і дії кавітації деталей.

Говорять, що нема худа без добра. Кавітація — ворог гідравлічної техніки. Вона з'їдає тисячі тонн металу в рік, обмежує можливості гідравлічних машин. Але вона ж підказала інженерам і чудову можливість використання руйнівної здатності бульбашок .

Практично у всіх випадках кавітацію уникають шляхом зміни конструкції устаткування так, щоб виключити зони виникнення зниженого тиску або ж використовують захисні покриття з твердих складів, наприклад, на основі кобальту, які напилюються газотермічним методом на поверхню деталей, які схильні до руйнівної сили кавітації.

У зв’язку з широким розвитком не лише комунального насосного устаткування, але і шахт і шахтного устаткування, тема захисту від кавітації є дуже актуальною у наш час. Вживана в даний час апаратура управління головним водовідливом не досить надійно контролює робочі режими насосів, що призводить до зниження ефективності роботи водовідливу. Встановлено, що на зміну механічних характеристик насосної установки в процесі експлуатації впливає багато чинників, проте, не всі вони однаково значимі. Жоден параметр не може бути прийнятий як єдиний інформаційний сигнал, достатній для реалізації захисту без додаткового врахування інших параметрів. При реалізації того або іншого захисту слід брати до уваги не менше двох найбільш значимих для конкретних умов параметрів, а інші, менш значимі, слід виключити з розгляду.

ЛІТЕРАТУРА

1. Bachus L, Custodio A. Know and Understand Centrifugal Pumps. Elsevier, Oxford, 2003.

2.Березин С. Е. ЗАО «Водоснабжение и водоотведение», Москва, Россия

3.Лямаев В. Б. Кавитация в насосах 1992 г. Ленинград

4.Возникновение и протекание кавитации. Рой Н.А.

5. Барков Н. К. О некоторых соотношениях в кавитационной области.// Акустический журнал т.11 вып.3, с.287

6.Кавитация. Влияние, негативные и полезные свойства [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.nasosportal.ru/statyi/kavitatsiya.-vliyanie-negativnye-i-poleznye-svoystva/a

7. Чем грозит кавитация [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.mnz1.ru/prod/681/index.html.

8. Николова Р.А. Интенсификация работы насосных установок в системах водоснабжения и водоотведения (по материалам исследования на действующей КНС-25 г. Одессы) «Вістник», № 18, с.171−176 ОДАБА, 2005.

9. Березин С. Е Погружные насосы. Преимущества. Принципы проектирования и подбора.// Водоснабжение и санитарная техника 2006 г. № 3. кавітація тиск насос напилення

10.ДБН В.2.5−74:2013 Водопостачання. Зовнішні мережі та споруди. Основні положення проектування.

11.ДБН В.2.5−75:2013 Водовідведення. Зовнішні мережі та споруди. Основні положення проектування.