Kavitaatio kaksoisimupumpuissa: syyt, juoksupyörän suunnittelu ja ratkaisut

Kavitaatio on yksi yleisimmistä keskipakopumppuihin vaikuttavista hydraulisista ongelmista, erityisesti sovelluksissa, joissa on suuria virtausnopeuksia, vaativia imuolosuhteita tai jatkuvaa käyttöä. Kaksoisimupumpuissa kavitaatio voi heikentää hydraulista suorituskykyä, lisätä tärinää ja melua, vaurioittaa juoksupyörän pintoja ja lyhentää kriittisten komponenttien käyttöikää.

Vaikka kavitaatio liittyy usein riittämättömään imupaineeseen, ongelmaa eivät ratkaise pelkästään imuolosuhteet. Juoksupyörän sisääntulon geometria, virtausnopeus, toimintapiste, nesteen lämpötila ja imuputken vastus vaikuttavat kaikki kavitaatioiden todennäköisyyteen.

Kavitaatiovastuksen parantaminen edellyttää siksi sopivan pumpun valinnan, hydraulisen suunnittelun optimoinnin ja järjestelmän oikean toiminnan yhdistelmää.

Tässä artikkelissa selitetään, kuinka kavitaatio kehittyy kaksinkertaisissa imupumpuissa, tarkastellaan kahta tärkeää juoksupyörän suunnittelun parannusta ja esitellään käytännön menetelmiä kavitaation estämiseksi teollisissa pumppujärjestelmissä.

 

 

1. Mitä on kavitaatio jaetun kotelon pumpussa?

Kavitaatio tapahtuu, kun nesteen paikallinen paine laskee sen höyrynpaineen alapuolelle, jolloin osa nesteestä höyrystyy ja muodostaa pieniä höyrykuplia.

Kun nämä kuplat siirtyvät korkeamman paineen alueille pumpun sisällä, ne romahtavat nopeasti. Toistuva kuplan romahtaminen voi aiheuttaa paikallisia paineiskuja ja vahingoittaa lähellä olevia metallipintoja.

Kaksoisimupumpussa kavitaatio kehittyy yleensä juoksupyörän sisääntulon ympärille, erityisesti siipien etureunojen lähelle, missä paikallinen virtauksen kiihtyvyys voi aiheuttaa paineen alenemisen.

Tyypillisiä oireita ovat:

Epätavallinen rätisevä tai soramainen ääni käytön aikana.

Lisääntynyt tärinä ja epävakaa toiminta.

Juoksupyörän pinnoissa kuoppia tai eroosiota.

Pienempi pumpun korkeus ja hydraulinen hyötysuhde.

Vaihteleva virtausnopeus ja poistopaine.

Laakereiden ja mekaanisten tiivisteiden ennenaikainen vaurioituminen vaikeissa tapauksissa.

Kavitaatio tulee erottaa imuputkeen tulevasta ilmasta. Molemmat voivat aiheuttaa melua ja epävakaata toimintaa, mutta niiden syyt ja korjaavat toimenpiteet ovat erilaisia. Oikeassa diagnoosissa tulee ottaa huomioon imupaine, nesteolosuhteet, käyttötiedot ja sisäiset tarkastustulokset.

 

2. Miksi kaksoisimupumput ovat herkkiä kavitaatiolle?

Kaksoisimupumpussa käytetään tyypillisesti vaakasuoraan jaettua koteloa ja kaksinkertaista juoksupyörää. Nestettä tulee juoksupyörään molemmilta puolilta jakaen kokonaisvirtauksen kahden tulokanavan välillä.

Tämä järjestely tarjoaa etuja suurivirtaussovelluksiin ja voi auttaa tasapainottamaan aksiaalisia hydraulivoimia. Se ei kuitenkaan automaattisesti poista kavitaatiota.

Paine juoksupyörän sisääntulossa riippuu useista tekijöistä:

Suuri tulovirtausnopeus

Kun neste kulkee rajoitetun tai huonosti suunnitellun tulokanavan läpi, sen nopeus voi kasvaa ja paikallinen staattinen paine voi laskea. Jos paikallinen paine laskee nesteen höyrynpaineen alapuolelle, voi muodostua höyrykuplia.

Sopimattomat käyttöolosuhteet

Liian kaukana suositellun toiminta-alueen käyttäminen voi aiheuttaa epäsuotuisia virtauskuvioita, lisääntyneitä hydraulihäviöitä, virtauksen erottelua ja paikallisia paineenvaihteluita.

Riittämättömät imuolosuhteet

Suuri imukorkeus, pitkä imuputki, alimitoitettu putki, osittain suljettu venttiili tai tukkeutunut siivilä voivat lisätä imuhäviöitä ja vähentää pumpun tuloaukossa olevaa painetta.

Korkea nesteen lämpötila

Nesteen lämpötilan noustessa sen höyrynpaine yleensä nousee. Tämä vähentää käytettävissä olevaa painemarginaalia ennen höyryn muodostumista.

Epätasainen tulovirtauksen jakautuminen

Huonot imuputkijärjestelyt, lähellä olevat mutkat, putken halkaisijan äkilliset muutokset tai muut ylävirran häiriöt voivat aiheuttaa epäyhtenäisen nopeusprofiilin. Tämä voi aiheuttaa epäsuotuisia virtausolosuhteita juoksupyörän sisääntulossa, vaikka kokonaisimupaine vaikuttaisikin hyväksyttävältä.

Näiden tekijöiden ymmärtäminen on välttämätöntä ennen kuin päätetään, vaatiiko ongelma järjestelmän muutosta, pumpun uudelleensuunnittelua vai molempien yhdistelmää.

 

3. Kaksi tärkeää juoksupyörän suunnittelun parannusta kavitaatiokestävyyteen

Juoksupyörän imuaukon hydraulisen rakenteen parantaminen voi auttaa vähentämään paikallista virtauksen kiihtyvyyttä ja painehäviötä. Kaksi arvioimisen arvoista suunnitteluparametria ovat etuvaipan profiili ja juoksupyörän navan halkaisija.

3.1 Optimoi etuvaipan kääntösäde

Etuvaippa, jota kutsutaan myös etupeitelevyksi, on osa juoksupyörän tulovirtauskanavaa.

Lähellä juoksupyörän siiven etureunaa, etusuojuksen geometria vaikuttaa siihen, miten neste kääntyy ja tulee siipien kanaviin. Äkillinen siirtymä tai sopimaton kaarevuus voi myötävaikuttaa paikalliseen kiihtymiseen, virtauksen erottumiseen ja epäsuotuisaan paineen jakautumiseen.

Etuvaipan kääntösäteen optimointi voi auttaa luomaan tasaisemman tulokanavan.

Mahdollisia etuja ovat:

Vähentää äkillisiä muutoksia virtaussuunnassa.

Nesteen nopeuden jakautumisen parantaminen terän tuloaukon lähellä.

Paikallisten hydraulihäviöiden vähentäminen.

Auttaa estämään epäsuotuisat matalapainealueet juoksupyörän sisääntulon lähellä.

Suunnitteluprosessin aikana kääntösäde tulee arvioida yhdessä imuaukon leveyden, siiven etureunan geometrian ja juoksupyörän yleisen kulkureitin kanssa.

Suurempi säde ei ole automaattisesti parempi jokaisessa pumpussa. Liialliset geometriset muutokset voivat vaikuttaa virtauskulkuun, hydrauliseen suorituskykyyn tai valmistuksen toteutettavuuteen. Lopullinen profiili tulee määrittää hydraulisen suunnittelulaskelman, laskennallisen nestedynamiikan (CFD) ja asianmukaisten suorituskykytestien avulla.

3.2 Pienennä juoksupyörän navan halkaisijaa asianmukaisesti

Napa on juoksupyörän keskiosa, joka kytkeytyy pumpun akseliin ja siirtää pyörimisvoimaa juoksupyörälle.

Suunnitteluvaiheessa navan halkaisijan pienentäminen samalla kun juoksupyörän tuloaukon halkaisija pysyy muuttumattomana, voi lisätä käytettävissä olevaa tulovirtausalaa.

Suurempi tehokas virtausalue voi auttaa vähentämään keskimääräistä tulonopeutta sopivissa olosuhteissa, mikä saattaa parantaa paineen jakautumista juoksupyörän silmukan lähellä.

Navan halkaisija liittyy kuitenkin myös läheisesti mekaaniseen lujuuteen.

Seuraavat tekijät on otettava huomioon ennen navan geometrian vaihtamista:

Akselin halkaisija ja mekaaninen lujuus.

Navan seinämän paksuus ja rakenteellinen eheys.

Juoksupyörän materiaali ja pyörimisnopeus.

Jännityskeskittymä navan ja akseliliitoksen ympärillä.

Juoksupyörän kiinnitys- ja asennusvaatimukset.

Hydraulinen suorituskyky suunnitellulla toiminta-alueella.

Napan halkaisijan pienentäminen ilman riittävää rakenteellista arviointia voi heikentää juoksupyörää tai vaikuttaa pyörivän kokoonpanon luotettavuuteen.

Tätä muutosta tulisi siksi käsitellä suunnittelutason optimoinnina eikä rutiininomaisena kenttäkorjauksena. Lopullisten mittojen tulee täyttää sekä hydrauliset että mekaaniset vaatimukset.

 

4. NPSH:n merkitys kavitaation ehkäisyssä

Juoksupyörän geometria on vain yksi osa kavitaation ehkäisyä. Järjestelmän käytettävissä olevan positiivisen nettoimukorkeuden ja pumpun vaaditun nettopositiivisen imukorkeuden välinen suhde on myös arvioitava.

NPSH tarkoittaa Net Positive Suction Head. Sitä käytetään arvioimaan, onko pumpun imussa riittävä paine höyryn muodostumisen rajoittamiseksi.

On kaksi tärkeää parametria:

NPSHa (Net Positive Suction Head saatavana):Pumppausjärjestelmän tarjoama NPSH todellisissa käyttöolosuhteissa.

NPSHr (tarvitaan nettopositiivinen imupää):Pumpun NPSH-vaatimus tietyllä virtausnopeudella ja nopeudella määritettynä pumpun suorituskykytestauksella.

Perusvalintaehto on:

NPSHa > NPSHr

Käytännön suunnittelussa tulee myös säilyttää sopiva turvamarginaali. Tarvittava marginaali riippuu pumpun suunnittelusta, käyttöolosuhteista, sovellettavasta standardista ja valmistajan suosituksista.

NPSHa:ta voidaan vähentää seuraavilla tavoilla:

Liialliset imuputken kitkahäviöt.

Korkea imuteho.

Matala nestetaso syöttösäiliössä.

Korkea nesteen lämpötila.

Rajoitetut imuventtiilit tai tukkeutuneet suodattimet.

Epäsuotuisat järjestelmän paineolosuhteet.

Pumpussa voi olla hyvin suunniteltu juoksupyörä, mutta siinä voi silti esiintyä kavitaatiota, jos käytettävissä oleva NPSH ei ole riittävä. Siksi sekä pumppupuolen että järjestelmäpuolen vaatimukset on otettava huomioon.

 

5. Käytännön toimenpiteitä kavitaatioiden vähentämiseksi olemassa olevissa pumppujärjestelmissä

Pumpun hydraulisen rakenteen parantamisen lisäksi useat järjestelmätason säädöt voivat auttaa vähentämään kavitaatiota.

Paranna imuputkistoa

Käytä sopivan kokoista imuputkea liiallisen virtausnopeuden ja kitkahäviöiden välttämiseksi. Pidä imuputki mahdollisimman lyhyenä ja suorana ja vältä tarpeettomia mutkia, äkillisiä halkaisijamuutoksia ja rajoittavia liitoksia.

Varmista, että imuventtiilit ovat täysin auki normaalin käytön aikana ja että siivilät tai suodattimet tarkastetaan ja puhdistetaan säännöllisesti.

Huolehdi riittävästä nestehuollosta

Tarkista nesteen taso syöttösäiliössä ja tarkista pumpun asennuskorkeus. Jos olosuhteet sen sallivat, imukorkeuden vähentäminen tai staattisen nestetason nostaminen voi parantaa NPSHa:ta.

Suljetuissa järjestelmissä varmista, että järjestelmän paine vastaa nesteen lämpötilaa ja käyttövaatimuksia.

Käytä suositellun toiminta-alueen lähellä

Tarkista todellinen virtausnopeus valmistajan pumpun suorituskykykäyrästä.

Vältä pitkäaikaista käyttöä liian pienillä tai suurilla virtausnopeuksilla, joissa hydraulinen epävakaus saattaa kehittyä. Valitse pumppu, jonka paras hyötysuhde ja sallittu toiminta-alue sopivat odotettuun järjestelmän käyttöön.

Seuraa lämpötilaa ja nesteiden olosuhteita

Kuumien nesteiden höyrynpaine on arvioitava todellisessa käyttölämpötilassa. Muutokset nesteen lämpötilassa, koostumuksessa, viskositeetissa tai kaasupitoisuudessa voivat vaikuttaa imutehoon.

Pumpun NPSH-vaatimus tulee arvioida todellisten neste- ja käyttöolosuhteiden mukaan sen sijaan, että luottaisi vain vesipohjaisiin vertailutietoihin.

Tarkasta juoksupyörät ja sisäiset virtauskanavat

Tarkista määräaikaishuollon aikana juoksupyörän siipien etureunat, suojukset ja muut kostuneet pinnat pistesyöpymien, eroosion, korroosion ja kerrostumien varalta.

Jos vaurioita havaitaan, määritä ennen korjausmenetelmän valitsemista, liittyykö se kavitaatioon, kulumiseen, korroosioon tai muuhun mekanismiin.

 

6. Jaetun kotelon pumpun valitseminen, jolla on parempi kavitaatiovastus

Sopivien imuominaisuuksien omaavan pumpun valinta on erityisen tärkeää suurivirtausvesihuollon, jäähdytysveden kierto-, kastelu- ja teollisuusprosessisovelluksissa.

Ennen kuin valitset kaksoisimupumpun, insinöörien tulee arvioida seuraavat tiedot:

Valintatekijä	Vahvistavat tiedot
Virtausnopeus	Normaali, pienin ja suurin käyttövirtaus
Täysin dynaaminen pää	Vaadittu pää todellisissa järjestelmäolosuhteissa
Nestemäiset ominaisuudet	Tyyppi, lämpötila, tiheys, viskositeetti ja höyrynpaine
Imuolosuhteet	Syöttösäiliön taso, paine, imukorkeus ja putkistohäviöt
NPSH	Saatavilla NPSHa ja pumpun vaatima NPSHr
Pumpun nopeus	Moottorin nopeus ja odotetut käyttöolosuhteet
Asennus	Perustus, putkijärjestely ja tulovirtausolosuhteet
Materiaalit	Korroosionkestävyys ja soveltuvuus pumpattavalle nesteelle

Pumppu tulee arvioida käyttämällä sen täydellisiä suorituskykykäyriä, mukaan lukien virtaus, nosto, hyötysuhde, teho ja NPSHr.

Sovelluksissa, joissa imupaine on rajoitettu tai vaativissa tuloolosuhteissa, pumppu, jolla on sopivat matalan NPSH:n hydrauliset ominaisuudet, voi olla sopivampi kuin pelkkä suuremman moottorin tai suuremman kapasiteetin mallin valinta.

 

Johtopäätös

Kavitaatioon kaksiimuisissa jaetuissa pumppuissa vaikuttavat sekä pumppausjärjestelmä että sisäinen hydrauliikkarakenne. Riittämätön NPSH, liiallinen tulonopeus, epäsuotuisa virtauksen jakautuminen ja sopimattomat käyttöolosuhteet voivat kaikki vaikuttaa sen kehittymiseen.

Suunnittelutasolla etuvaipan kääntösäteen optimointi ja juoksupyörän navan halkaisijan sopiva pienentäminen voivat auttaa parantamaan tulovirtausolosuhteita. Nämä muutokset on kuitenkin arvioitava juoksupyörän lujuuden, akselin rakenteen, hydraulisen suorituskyvyn ja valmistusvaatimusten ohella.

Olemassa olevissa asennuksissa imuputkiston olosuhteiden parantaminen, riittävän nestesaannin ylläpitäminen, toiminta suositellulla alueella ja NPSH:n seuranta ovat yhtä tärkeitä.

Järjestelmällinen lähestymistapa, jossa yhdistyvät järkevä hydrauliikkasuunnittelu, tarkka pumpun valinta ja järjestelmän oikea toiminta, voi auttaa vähentämään kavitaatiovaurioita ja parantamaan teollisuuden keskipakopumppujen luotettavuutta pitkällä aikavälillä.