Кавітація в насосах

          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 кавитаційної 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 зрос 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 многодвигательном електроприводі. Обидва способи слід віднести до неекономічним, оскільки тиск Н втрачається в засувках, дроселирующих 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 ΔH в