Кавитация в центробежных насосах: Причины и последствия

Cavitation in Centrifugal Pumps
Major places where cavitation occurs are in pumps, on impellers, or
propellers. In centrifugal pumps, cavitation results from a reduction in suction
pressure, an increase in suction temperature, or an increase in the flow rate above
that the pump has been designed.
There are two basic types of pump cavitation:
1) Suction Cavitation:
Suction cavitation - impeller-minSuction cavitation, or classic cavitation,
occurs when a pump is under low pressure or high vacuum conditions. When the
liquid being pumped enters the eye of a centrifugal pump, the pressure is
significantly reduced. In some cases, the pressure drop is great enough to cause the
liquid to flash to steam when the local pressure falls below the saturation pressure
for the fluid that is being pumped. Bubbles or cavities will form at the eye of the
impeller, and subsequently, the formed vapor bubbles move into regions of higher
pressure as they travel towards the pump discharge. In the higher pressure region,
the vapor bubbles collapse suddenly on the outer portions of the impeller. This can
cause significant damage to all moving parts of a centrifugal pump.
2) Discharge cavitation occurs when the pump discharge
pressure is extremely high or when the discharge flow is restricted and cannot
leave the pump. An extremely high discharge pressure results in the majority of the
pumped fluid circulating inside the pump.
This type of cavitation originates from two sources. First, this internal
circulation (from high-pressure zones into low-pressure zones) is forced through
the clearance between the impeller and the pump housing at high velocity resulting
in the formation of a low-pressure region in which cavitation can occur. Second,
the liquid is circulating inside the volute of the pump, and it rapidly overheats.
In both cases, cavitation has similar consequences. The implosion of bubbles
triggers intense shockwaves, causing premature wear of the impeller tips and pump
housing. In an extreme case, discharge cavitation can cause the impeller shaft to
break.
Cavitation is, in many cases, an undesirable occurrence. In centrifugal
pumps, cavitation causes damage to components (erosion of the material),
vibrations, noise, and a loss of efficiency.
Perhaps the most important engineering problem caused by cavitation is
the material damage that cavitation bubbles can cause when they collapse in the
vicinity of a solid surface.
Перевод текста:
Кавитация в центробежных насосах
Кавитация представляет собой явление, возникающее в насосах,
на рабочих колесах или пропеллерах. В центробежных насосах
кавитация возникает в результате снижения давления на всасывании,
повышения температуры на всасывании или увеличения расхода
жидкости, превышающего проектные параметры насоса.
Существуют два основных типа кавитации в насосах:
1.
Кавитация на всасывании: Кавитация на всасывании, также
известная как классическая кавитация, возникает, когда насос
функционирует при низком давлении или в условиях высокого вакуума.
Когда перекачиваемая жидкость попадает в глазок центробежного
насоса, давление значительно снижается. В некоторых случаях падение
давления становится достаточным для того, чтобы жидкость перешла в
паровую фазу, когда местное давление оказывается ниже давления
насыщения для данной жидкости. В результате в области глазка
рабочего колеса образуются пузырьки или полости, которые затем
перемещаются в зоны с более высоким давлением по мере
продвижения к выходу насоса. В области с высоким давлением
паровые пузырьки внезапно схлопываются на внешних частях рабочего
колеса, что может привести к серьезным повреждениям всех
движущихся частей центробежного насоса.
2.
Кавитация на выходе: Кавитация на выходе возникает, когда
давление на выходе насоса чрезвычайно высоко или когда расход
жидкости ограничен и не может покинуть насос. Чрезвычайно высокое
давление на выходе приводит к тому, что большая часть
перекачиваемой жидкости циркулирует внутри насоса.
Этот тип кавитации имеет два источника. Во-первых, внутренняя
циркуляция (из зон с высоким давлением в зоны с низким давлением)
вынужденно протекает через зазор между рабочим колесом и корпусом
насоса с высокой скоростью, что приводит к образованию области с
низким давлением, в которой может возникнуть кавитация. Во-вторых,
жидкость циркулирует внутри спирали насоса и быстро перегревается.
В обоих случаях кавитация приводит к схожим последствиям.
Взрыв пузырьков вызывает интенсивные ударные волны, что может
привести к преждевременному износу лопаток рабочего колеса и
корпуса насоса. В экстремальных случаях кавитация на выходе может
привести к поломке вала рабочего колеса.
Кавитация, как правило, является нежелательным явлением. В
центробежных насосах она вызывает повреждение компонентов
(эрозию материала), вибрации, шум и снижение эффективности. Одной
из наиболее значительных инженерных проблем, связанных с
кавитацией, является материальный ущерб, который пузырьки
кавитации могут нанести при схлопывании вблизи твердой
поверхности.
Glossary:
Cavitation – Кавитация
Centrifugal pumps – Центробежные насосы
Impeller – Колесо насоса
Propeller – Винт
Suction pressure – Давление на всасывании
Suction temperature – Температура на всасывании
Flow rate – Скорость потока
Suction cavitation – Кавитация на всасывании
Pressure drop – Падение давление
Flash to steam – Вспышка в пар
Saturation pressure – Давление насыщения
Bubbles - Пузырьки
Cavities – Пустоты
Impeller eye – Глазок колеса насоса
Discharge cavitation – Кавитация на нагнетании
Discharge pressure – Давление на нагнетании
Internal circulation – Внутренняя циркуляция
High velocity – Высокая скорость
Low-Pressure region – Область низкого давления
Overheats - Перегрев
Implosion - Имплозия
Shockwaves – Ударные волны
Premature wear – Преждевременный износ
Erosion of material – Эрозия металла
Vibrations - Вибрации
Efficiency - Эффективность
Material damage – Повреждение материала
Questions
1.
What are the three main operational conditions that can lead to
cavitation in centrifugal pumps?
2.
How does suction cavitation differ from discharge cavitation in
terms of cause and location of bubble formation?
3.
Why do vapor bubbles formed at the impeller eye collapse on
the outer portions of the impeller, and what causes the resulting damage?
4.
List at least four negative effects of cavitation in centrifugal
pumps mentioned in the text.
5.
Explain how high discharge pressure (or flow restriction) can
create low-pressure zones inside the pump—despite the overall high
pressure—leading to discharge cavitation.
Test
1. Where do vapor bubbles most commonly form during suction
cavitation?
A) In the discharge volute
B) In the clearance between the impeller and pump casing
C) At the impeller eye (inlet)
D) At the impeller blade tips on the discharge side
2. Which of the following is NOT a direct cause of cavitation in
centrifugal pumps?
A) Increase in suction fluid temperature
B) Decrease in suction pressure
C) Flow rate exceeding the pump’s design capacity
D) Increase in fluid viscosity
3. What happens to vapor bubbles after they form in a low-pressure
zone inside the pump?
A) They remain stable and exit the pump with the flow
B) They gradually dissolve as temperature decreases
C) They travel to higher-pressure regions and collapse (implode) violently
D) They coalesce into larger vapor pockets without damage
4. According to the text, what is a severe potential consequence of
discharge cavitation?
A) Increased noise level only
B) Reduced pump efficiency
C) Impeller shaft failure (breakage)
D) Seal leakage due to vibration
5. What creates localized low-pressure zones during discharge
cavitation, despite high overall discharge pressure?
A) Air entrainment at the suction inlet
B) High-velocity recirculation flow through the impeller–casing clearance
C) Turbulence in the suction piping
D) Thermal expansion of the fluid in the volute