Kavitasyon, santrifüj pompaların çalışması sırasında sık karşılaşılan bir sorundur ve pompa titreşiminin ve gürültüsünün artmasına, performansın düşmesine ve bileşenlerde ciddi hasara neden olabilir.
Bu makale, kavitasyonun mesleki teorik bilgisini incelemez, ancak santrifüj pompalardaki çeşitli yaygın kavitasyon türlerine, kavitasyonun tehlikelerine ve sahada kavitasyonu iyileştirmek için yaygın olarak kullanılan önlemlere ayrıntılı bir giriş sağlamak için nispeten basit bir dil kullanmaya çalışır.
1. Kavitasyon türleri
Kavitasyon, meydana geldiği yerden bıçak kavitasyonu, boşluk kavitasyonu, kaba kavitasyon, boşluk kavitasyonu ve geri akış kavitasyonu olarak ayrılabilir.
(1) Yaprak kavitasyonu
Kavitasyon meydana geldiğinde, kabarcıkların oluşumu ve patlaması esas olarak kanatların ön ve arka kısmında meydana gelir; bu, santrifüj pompalardaki kavitasyonun ana şekli olan kanat profili kavitasyonu olarak da bilinir. Pompa çok yükseğe monte edildiğinde, pompa tasarım koşulları altında çalışsa bile, bıçak girişi ve çıkışının arkasında düşük-basınç alanı oluşma eğilimi gösterir:
1) Pompa yüksek debi şartlarında çalıştığında kanatların ön kenarlarında akış ayrılması ve girdaplar meydana gelerek negatif basınç oluşturarak kanatların ön kısmında kavitasyona neden olabilir.
2) Pompa düşük akış koşulları altında çalıştığında kanatların arkasında girdaplar oluşturularak düşük-basınç bölgesi oluşturulur ve kanatların arkasında kavitasyona neden olur.
(2) Boşluk kavitasyonu
Sıvının dar bir kanal veya boşluktan akması sonucu oluşan kavitasyonu ifade eder, bu durum akış hızında yerel bir artışa ve akış bileşenlerinin buharlaşma basıncına yönelik basınçta bir azalmaya neden olur.
Santrifüj pompa gövdesinin aşınmaya dayanıklı-halkası ile pervanenin dış kenarı (kapak plakası) arasındaki boşlukta, pervane girişi ve çıkışının her iki tarafındaki basınç farkı (özellikle büyük basınç farkı) altında, çıkış tarafındaki sıvı yüksek hızla geri akarak yerel basınç düşüşüne ve kavitasyona neden olur
Eksenel akışlı pompa kanatlarının dış kenarı ile pompa gövdesi arasındaki küçük boşlukta, kanatların önü ve arkası arasındaki basınç farkının etkisi altında, boşluktaki sıvının yüksek ters akış hızı da yerel basınç düşüşüne neden olabilir, bu da pompa gövdesindeki kanatların karşılık gelen dış kenarında kavitasyona neden olur ve pervanenin ve kanatların dış kenarında bir petek ve pürüzlü yüzey kavitasyon bölgesi oluşturur.
(3) Kaba kavitasyon
Kaba kavitasyon, sıvı pompa gövdesi içindeki kaba akış bileşenlerinin düzgün olmayan yüzeyinden aktığında, yerel basınç düşüşüne neden olarak kavitasyona yol açan, çıkıntıların aşağısında girdapların oluşmasını ifade eder.
Pompa akış bileşenlerinin dökümü ve işlenmesi sırasında yüzey pürüzlülüğü, kum delikleri, hava delikleri vb. yerel akış durumunda ani değişikliklere neden olabilir ve kavitasyona neden olabilir.
(4) Boşluk kavitasyonu
Boşluktaki kavitasyon, zayıf su giriş koşulları veya yetersiz daldırma derinliği nedeniyle pompanın girişindeki emme odasında spiral bir girdap bandının oluşmasını ifade eder. Girdap kemerinin merkezi basıncı buharlaşma basıncına düştüğünde, güçlü titreşimle birlikte kavitasyon da meydana gelecektir.
(5) Reflü kavitasyonu
Genel olarak konuşursak, kavitasyonun ön koşulu NPSHa'dır.
Pompalama akış hızı çok düşük olduğunda veya giriş basıncı çok yüksek olduğunda geri akış meydana gelir. Pompalama debisi çok düşük olduğunda pervanenin girişinde dahili geri akış meydana gelir; Pompanın giriş basıncı çok yüksek olduğunda çark çıkışında dahili geri akış meydana gelir. İç geri akış, buharlaşma kabarcıklar üretinceye kadar sıvı akış hızında bir artışa neden olur ve bu kabarcıklar daha sonra daha yüksek çevre basıncı altında patlar. Emme portunda dahili geri akış meydana geldiğinde, yüksek-yoğunluktaki patlama sesiyle birlikte pompanın emme portu çevresinde düzensiz çatırtı sesi yayılacaktır.
Reflü kavitasyonu genel olarak aşağıdaki yöntemlerle iyileştirilebilir:
1) Pompanın çıkış debisini artırın.
2) Pompanın girişi ve çıkışı arasına bir bypass takın (bu yöntemin pratik uygulamalarda müşteriler tarafından kabul edilmesi zordur).
3) Pervanenin yapısını optimize edin (pervanenin giriş alanını azaltın).
2. Kavitasyonun tehlikeleri
(1) Performans düşüşü, boru hattı hasarı
Kavitasyon pompanın performansını önemli ölçüde azaltabilir. Genellikle santrifüj pompalarda, giriş basıncı belirli bir seviyeye düştüğünde performansları keskin bir şekilde düşer, buna kavitasyon kırılması da denir. Kavitasyon ayrıca sıvının içinde kararsızlığa da neden olabilir, bu da akış ve basınçta salınımlara yol açabilir. Bu salınımların yardımıyla pompaya ve onun giriş ve çıkış boru hatlarına zarar verebilir.
(2) Pompanın aşırı akım bileşenlerinde ciddi hasar
Kavitasyon bileşenlerin yüzeyinde hasara neden olabilir. Kabarcıklar patladığında çevredeki sıvı 49 MPa'ya kadar son derece yüksek darbe basıncı (tepe basıncı) üretir. Kavitasyonun hidrolik mukavemeti, malzemenin bu darbeye karşı koyma kabiliyetini aştığında, yerel duvar malzemesi yorulma arızasına ve yüzey malzemesinin ayrılmasına yol açabilir. Kavitasyon, kimyasal ve elektrokimyasal korozyonla aynı anda meydana gelir. Kavitasyonun erken aşamasında korozyon ve malzemelerin plastik deformasyonu nedeniyle oluşan çukurların boyutu yaklaşık 10 μm ila 50 μm arasındadır, özellikle de korozyon direnci zayıf olan ve uzun-süreli kavitasyon altında bal peteği benzeri yapılar sergileyebilen bazı malzemeler için.
(3) Titreşim ve gürültü üretir
Baloncuğun yoğunlaşması, büzülmesi ve parçalanması anında, baloncuğun etrafındaki sıvı, (kabarcığının yoğunlaşması ve yırtılmasıyla oluşan) boşluğu yüksek hızla doldurarak basınç titreşimleri oluşturarak titreşim ve gürültüyü tetikler. Kavitasyon gürültüsünün frekansı genellikle 10 kHz ile 100 kHz arasında olup, reflü ve basınç titreşiminden kaynaklanan kavitasyon gürültüsünün frekansı birkaç yüz Hz civarındadır ve bu da insan kulağını özellikle hassas hale getirir. Aynı zamanda kavitasyon titreşimi de uyarabilir ve kavitasyonun ürettiği titreşimin ana frekansı genellikle 1 kHz civarındadır.
Kavitasyon yalnızca yüksek gürültü seviyeleriyle değil, aynı zamanda pompa tabanının yetersiz sertliği ve zayıf boru hattı desteği gibi yapısal rezonansa neden olabilecek titreşim göstergeleriyle de karakterize edilir; Pompanın kurulumundan sonra taban betonla doldurulur ve boru hattının destek sertliği yeterlidir, bu da genellikle güçlü titreşim olaylarına neden olmaz. Ancak pompa gövdesinde yapılan titreşim ölçümü sayesinde, kavitasyonun oluşturduğu titreşim frekansının yüksek-frekans bileşeni baskın olup, titreşimin ivme değeri, titreşim yer değiştirmesi ve titreşim hızından daha yüksektir.
3. Kavitasyon performansını iyileştirmeye yönelik ortak önlemler
(1) Santrifüj pompaların kavitasyon önleyici performansını iyileştirmeye yönelik önlemler
1) Pompanın emme portu tasarımını geliştirin
Çarkın taşlanmasıyla akış alanı arttırılabilir;
Sıvı akışının hızlı hızlanmasını ve basınç düşüşünü azaltmak için pervane kapak plakasının giriş bölümünün eğrilik yarıçapını artırın;
Bıçak girişinin kalınlığını uygun şekilde azaltın ve bıçak girişini yuvarlaklaştırın (bıçak kafasını parlatın, girişin darbe kaybını azaltmak ve giriş açısının hassasiyetini azaltmak için keskinleştirin ve gerekli kavitasyon payı yaklaşık 0,5 metre kadar azaltılabilir), bunu bir düzeneğe yakın hale getirin ve ayrıca bıçak kafası etrafındaki ivmeyi ve basınç düşüşünü azaltın;
Direnç kaybını azaltmak için pervanenin ve bıçak girişinin yüzey düzgünlüğünü iyileştirin;
Sıvı akışının önceden iş almasına ve basıncı artırmasına olanak sağlamak için bıçak giriş kenarını pervane girişine doğru uzatın.
2) Ön indüksiyon tekerleği ekleyin
Sıvı akış basıncını artırmak için sıvı akışının ön endüksiyon çarkında önceden çalışmasını sağlayın (bu şema, yapısal değişiklikler ve çeşitli tasarım parametrelerinin yeniden kalibre edilmesini gerektirir).
3) Çift emişli çarkın benimsenmesi
Çarkın giriş alanını arttırın ve giriş sıvısı akış hızını azaltın (akış hızının azalması ve basıncın artması).
4) Biraz daha büyük bir pozitif saldırı açısı kullanmak
Kanat giriş açısını arttırmak için kanat girişindeki bükülmeyi azaltın, kanat tıkanmasını en aza indirin ve böylece giriş alanını artırın;
Akış kayıplarını azaltmak için yüksek akış koşullarında çalışma koşullarını iyileştirin. Ancak pozitif hücum açısı çok büyük olmamalıdır, aksi takdirde verimliliği etkileyecektir.
5) Düşük-hızlı bir pompa kullanmak
Dönme hızı ne kadar düşük olursa NPSHr o kadar küçük olur.
6) Kavitasyon önleyici malzemelerin kullanılması
Uygulama, bir malzemenin mukavemeti, sertliği ve tokluğu ne kadar yüksek olursa, kimyasal stabilitesinin de o kadar iyi olduğunu ve kavitasyona karşı direncinin de o kadar güçlü olduğunu kanıtlamıştır.
(2) Cihazın kavitasyon toleransını artırmaya yönelik önlemler
1) Etkin kavitasyon payını iyileştirmek için pompadan önceki depolama tankındaki sıvı seviyesinin basıncını artırın.
2) Özellikle ortam olarak sıcak su aktarırken, emme cihazındaki pompanın montaj yüksekliğini azaltın ve emme yüksekliği ile ortam sıcaklığı arasındaki ilişkiyi dikkate alın.
3) Emme cihazını bir geri akış cihazıyla değiştirin.
4) Pompadan önceki emme boru hattındaki akış kaybını azaltın. Mümkünse boru hattını gereken aralıkta kısaltın, boru hattındaki akış hızını azaltmak, dirsek ve vana sayısını azaltmak ve vana açıklığını mümkün olduğunca artırmak için uygun emme boru hattı çapını ve filtre filtrasyon alanını (varsa) kullanın.
5) Boşluk kavitasyonu ciddiyse, sızıntı akış hızını azaltmak ve kavitasyonun derecesini hafifletmek için pervane üzerinde denge delikleri açma yöntemi benimsenebilir. Kanatların üzerindeki denge delikleri çark girişinde enjekte edilen sıvı akışına zarar verici ve engelleyici etki yapmaktadır. Sızıntı akış hızını azaltmak, böylece ana sıvı akışı üzerindeki etkiyi azaltmak ve pompanın kavitasyon önleme yeteneğini geliştirmek için denge deliklerinin alanı, sızdırmazlık halkasının açıklık alanının 5 katından az olmamalıdır.
6) Deneyimler, kavitasyon mekanizmasından başlayarak emme portuna uygun miktarda gaz eklenmesinin kavitasyonun oluşma koşullarını bozabileceğini göstermiştir. Bununla birlikte, pompa kavitasyonunu önlemek için hava takviyesinin kullanılması son derece tekniktir ve yalnızca uygun hava takviyesi hacmi, yeri ve yöntemi ile iyi sonuçlara ulaşılabilir. Aksi takdirde pompanın debisinde, basma yüksekliğinde ve veriminde ciddi düşüşlere yol açacak, hatta çalışma sırasında akışın kesilmesine ve olumsuz sonuçlara yol açacaktır.
Uygun miktarda hava beslemesini ve doğru ölçümü kontrol etmenin zorluğu, yazarın uygulamasıyla birleştiğinde, hava besleme valfinin akış hızını ayarlayabilen bir iğneli valf kullanılması tavsiye edilir. Yerinde ayarlama sırasında, kavitasyon gürültüsü aşağıdakileri ayırt etmek için kullanılabilir: kavitasyon gürültüsü en aza indirilene kadar iğne valf yoluyla giriş hacmini ayarlayın (bazı sistemler gürültüyü tamamen ortadan kaldırabilir, ancak bazı sistemler tamamen ortadan kaldırmamak yerine yalnızca kavitasyon gürültüsünü azaltabilir), ardından giriş hacmini azaltmak için iğne valfini biraz geriye ayarlayın, belirtilen çeşitli çalışma koşulları altında herhangi bir performans anormalliği oluşmayıncaya kadar çalışmayı bir süre gözlemleyin ve ardından iğne valfinin açıklığını kilitleyin. Bu yöntem asla sesi en düşük seviyeye indirmemelidir! Pompa durduğunda giriş basıncı pozitif ise sızıntıyı önlemek için çekvalf takılmalıdır.
7) Araştırma, ortamda uçucu gazlar ve kum gibi katı parçacıklar bulunduğunda pompanın kavitasyon performansının azalacağını bulmuştur. Pompada kavitasyon oluşmaması için pompanın emme yüksekliği temiz suyun hesaplanan yüksekliğinden en az 4,2 metre azaltılmalıdır. Belediye sektöründe buna dikkat etmeye değer.
