La cavitación es un problema común durante el funcionamiento de las bombas centrífugas, que puede provocar un aumento de la vibración y el ruido de la bomba, una disminución del rendimiento y daños graves a los componentes.
Este artículo no explora el conocimiento teórico profesional de la cavitación, solo intenta utilizar un lenguaje relativamente simple para proporcionar una introducción detallada a varios tipos comunes de cavitación en bombas centrífugas, los peligros de la cavitación y las medidas comúnmente utilizadas para mejorar la cavitación en el sitio.
1. Tipos de cavitación
Según el lugar de aparición, la cavitación se puede dividir en cavitación de pala, cavitación de espacio, cavitación rugosa, cavitación de cavidad y cavitación de reflujo.
(1) cavitación foliar
Cuando se produce cavitación, la formación y explosión de burbujas se produce principalmente en la parte delantera y trasera de las palas, también conocida como cavitación aerodinámica, que es la principal forma de cavitación en las bombas centrífugas. Cuando la bomba se instala demasiado alta, incluso si la bomba está funcionando según las condiciones de diseño, es probable que se produzca un área de baja-presión en la parte posterior de la entrada y salida de la pala:
1) Cuando la bomba funciona en condiciones de alto flujo, se producen separación del flujo y vórtices en el borde delantero de las palas, lo que crea una presión negativa que puede causar cavitación en la parte frontal de las palas.
2) Cuando la bomba funciona en condiciones de bajo flujo, se generan vórtices en la parte posterior de las palas, lo que crea una zona de baja-presión y provoca cavitación en la parte posterior de las palas.
(2) Cavitación del espacio
Se refiere a la cavitación que se forma cuando el líquido fluye a través de un canal o espacio estrecho, provocando un aumento local en la velocidad del flujo y una disminución de la presión hasta la presión de vaporización de los componentes del flujo.
En el espacio entre el anillo-resistente al desgaste de la carcasa de la bomba centrífuga y el borde exterior (placa de cubierta) del impulsor, bajo la diferencia de presión (especialmente una gran diferencia de presión) en ambos lados de la entrada y salida del impulsor, el líquido en el lado de salida regresa a alta velocidad, provocando una caída de presión local y cavitación.
En el pequeño espacio entre el borde exterior de las aspas de la bomba de flujo axial y la carcasa de la bomba, bajo la acción de la diferencia de presión entre la parte delantera y trasera de las aspas, la alta velocidad de flujo inverso del líquido en el espacio también puede causar una caída de presión local, lo que resulta en cavitación en el borde exterior correspondiente de las aspas en la carcasa de la bomba, y formando una zona de cavitación en forma de panal y de superficie rugosa en el borde exterior del impulsor y las aspas.
(3) Cavitación rugosa
La cavitación brusca se refiere a la generación de vórtices aguas abajo de las protuberancias cuando el líquido fluye a través de la superficie irregular de los componentes de flujo rugoso dentro de la carcasa de la bomba, provocando una caída de presión local y provocando cavitación.
Durante la fundición y el procesamiento de los componentes del flujo de la bomba, las irregularidades de la superficie, los orificios de arena, los orificios de aire, etc. pueden causar cambios repentinos en el estado del flujo local y provocar cavitación.
(4) Cavitación de la cavidad
La cavitación en una cavidad se refiere a la formación de una banda de vórtice en espiral en la cámara de succión en la entrada de una bomba debido a malas condiciones de entrada de agua o una profundidad de inmersión insuficiente. Cuando la presión central del cinturón de vórtice disminuye hasta la presión de vaporización, también se produce cavitación, acompañada de fuertes vibraciones.
(5) Cavitación por reflujo
En términos generales, el requisito previo para la cavitación es NPSHa.
Cuando el caudal de bombeo es demasiado bajo o la presión de entrada es demasiado alta, se produce un reflujo. Cuando el caudal de bombeo es demasiado bajo, se produce reflujo interno en la entrada del impulsor; Cuando la presión de entrada de la bomba es demasiado alta, se produce reflujo interno en la salida del impulsor. El reflujo interno provoca un aumento en el caudal del líquido hasta que la vaporización produce burbujas, que luego se rompen bajo una presión circundante más alta. Cuando se produce un reflujo interno en el puerto de succión, se emitirá un crujido irregular alrededor del puerto de succión de la bomba, acompañado de un sonido de detonación de alta-intensidad.
La cavitación por reflujo generalmente se puede mejorar mediante los siguientes métodos:
1) Aumente el caudal de salida de la bomba.
2) Instale un bypass entre la entrada y la salida de la bomba (este método es difícil de aceptar para los clientes en aplicaciones prácticas).
3) Optimice la estructura del impulsor (reduzca el área de entrada del impulsor).
2. Los peligros de la cavitación
(1) Degradación del rendimiento, daños a las tuberías
La cavitación puede reducir significativamente el rendimiento de la bomba. Por lo general, en el caso de las bombas centrífugas, cuando la presión de entrada cae hasta cierto punto, su rendimiento disminuirá drásticamente, lo que también se conoce como fractura por cavitación. La cavitación también puede causar inestabilidad dentro del fluido, lo que puede provocar oscilaciones en el flujo y la presión. Con la ayuda de estas oscilaciones, puede causar daños a la bomba y sus tuberías de entrada y salida.
(2) Daños graves a los componentes de sobrecorriente de la bomba.
La cavitación puede causar daños a la superficie de los componentes. Cuando estallan las burbujas, el líquido circundante genera una presión de impacto extremadamente alta (presión máxima) de hasta 49 MPa. Cuando la resistencia hidráulica de la cavitación excede la capacidad del material para resistir este impacto, puede provocar fallas locales por fatiga del material de la pared y desprendimiento del material de la superficie. La cavitación ocurre simultáneamente con la corrosión química y electroquímica. El tamaño de las picaduras generadas por la corrosión y la deformación plástica de los materiales en la etapa inicial de la cavitación es de aproximadamente 10 μm a 50 μm, especialmente para algunos materiales con poca resistencia a la corrosión, que pueden exhibir estructuras en forma de panal bajo cavitación a largo plazo-.
(3) Generar vibraciones y ruido.
En el momento en que la burbuja se condensa, se contrae y se rompe, el líquido alrededor de la burbuja llena el vacío a gran velocidad (formado por la condensación y ruptura de la burbuja), generando pulsaciones de presión y excitando así vibraciones y ruidos. La frecuencia del ruido de cavitación se sitúa generalmente entre 10 kHz y 100 kHz, mientras que la frecuencia del ruido de cavitación provocado por el reflujo y las pulsaciones de presión se sitúa en torno a unos cientos de Hz, lo que hace que el oído humano sea especialmente sensible. Al mismo tiempo, la cavitación también puede estimular la vibración, y la principal frecuencia de vibración generada por la cavitación es generalmente de alrededor de 1 kHz.
La cavitación no sólo se caracteriza por altos niveles de ruido, sino también por indicadores de vibración como rigidez insuficiente de la base de la bomba y soporte deficiente de la tubería, que pueden causar resonancia estructural; Después de la instalación de la bomba, la base se llena con hormigón y la rigidez de soporte de la tubería es suficiente, lo que generalmente no causa fuertes fenómenos de vibración. Sin embargo, a través de la medición de la vibración en el cuerpo de la bomba, el componente de alta-frecuencia de la frecuencia de vibración generada por la cavitación es dominante y el valor de aceleración de la vibración es mayor que el desplazamiento y la velocidad de la vibración.
3. Medidas comunes para mejorar el rendimiento de la cavitación.
(1) Medidas para mejorar el rendimiento anticavitación de las propias bombas centrífugas
1) Mejorar el diseño del puerto de succión de la bomba.
Al rectificar el impulsor, se puede aumentar el área de flujo;
Aumente el radio de curvatura de la sección de entrada de la placa de cubierta del impulsor para reducir la rápida aceleración y la caída de presión del flujo de líquido;
Reduzca apropiadamente el espesor de la entrada de la hoja y redondee la entrada de la hoja (pula el cabezal de la hoja, afílelo para reducir la pérdida por impacto de la entrada y reducir la sensibilidad del ángulo de entrada, y el margen de cavitación necesario se puede reducir en aproximadamente 0,5 metros), acercándolo a una forma aerodinámica y también reduciendo la aceleración y la caída de presión alrededor del cabezal de la hoja;
Mejorar la suavidad de la superficie del impulsor y la entrada de la pala para reducir la pérdida de resistencia;
Extienda el borde de entrada de la pala hacia la entrada del impulsor para permitir que el flujo de líquido reciba trabajo con anticipación y aumente la presión.
2) Agregue una rueda de inducción delantera
Haga que el flujo de líquido funcione con anticipación en la rueda de inducción delantera para aumentar la presión del flujo de líquido (este esquema requiere cambios estructurales y recalibración de varios parámetros de diseño).
3) Adopción de impulsor de doble succión
Aumente el área de entrada del impulsor y reduzca el caudal de líquido de entrada (disminución del caudal y aumento de la presión).
4) Usar un ángulo de ataque positivo ligeramente mayor
Para aumentar el ángulo de entrada de la hoja, reduzca la flexión en la entrada de la hoja, minimice el bloqueo de la hoja y, por lo tanto, aumente el área de entrada;
Mejorar las condiciones de trabajo en condiciones de alto flujo para reducir las pérdidas de flujo. Pero el ángulo de ataque positivo no debe ser demasiado grande, de lo contrario afectará la eficiencia.
5) Usar una bomba de baja-velocidad
Cuanto menor sea la velocidad de rotación, menor será el NPSHr.
6) Uso de materiales anticavitación
La práctica ha demostrado que cuanto mayor sea la resistencia, dureza y tenacidad de un material, mejor será su estabilidad química y mayor será su resistencia a la cavitación.
(2) Medidas para aumentar el margen de cavitación del dispositivo
1) Aumente la presión del nivel de líquido en el tanque de almacenamiento antes de la bomba para mejorar el margen de cavitación efectivo.
2) Reducir la altura de instalación de la bomba en el dispositivo de succión, especialmente cuando se transporta agua caliente como medio, y considerar la relación entre la altura de succión y la temperatura del medio.
3) Reemplace el dispositivo de succión con un dispositivo de reflujo.
4) Reducir la pérdida de flujo en la tubería de succión antes de la bomba. Si es posible, acorte la tubería dentro del rango requerido, use el diámetro apropiado de la tubería de succión y el área de filtración del filtro (si corresponde) para reducir el caudal en la tubería, reduzca la cantidad de codos y válvulas, y aumente la apertura de la válvula tanto como sea posible.
5) Si la cavitación del espacio es severa, se puede adoptar el método de perforar orificios de equilibrio en el impulsor para reducir el caudal de fuga y aliviar el grado de cavitación. Los orificios de equilibrio de las palas tienen un efecto destructivo y de interferencia en el flujo de líquido inyectado en la entrada del impulsor. El área de los orificios de equilibrio no debe ser inferior a 5 veces el área libre del anillo de sellado para reducir el caudal de fuga, reduciendo así el impacto en el flujo de líquido principal y mejorando la capacidad anticavitación de la bomba.
6) La experiencia ha demostrado que, a partir del mecanismo de cavitación, complementar una cantidad adecuada de gas en el puerto de succión puede alterar las condiciones para que se produzca la cavitación. Sin embargo, utilizar la reposición de aire para evitar la cavitación de la bomba es muy técnico y sólo con el volumen, la ubicación y el método de reposición de aire adecuados se pueden lograr buenos resultados. De lo contrario, provocará una disminución significativa en el caudal, la altura y la eficiencia de la bomba, e incluso provocará una interrupción del flujo y consecuencias adversas durante el funcionamiento.
Teniendo en cuenta la dificultad de controlar la cantidad adecuada de suministro de aire y una medición precisa, combinada con la práctica del autor, se recomienda utilizar una válvula de aguja que pueda ajustar el caudal de la válvula de suministro de aire. Durante-el ajuste en el sitio, el ruido de cavitación se puede utilizar para distinguir: ajustar el volumen de admisión a través de la válvula de aguja hasta que se minimice el ruido de cavitación (algunos sistemas pueden eliminar completamente el ruido, pero algunos sistemas solo pueden reducir el ruido de cavitación, no eliminarlo por completo), luego ajustar la válvula de aguja hacia atrás un poco para reducir el volumen de admisión, observar el funcionamiento durante un período de tiempo hasta que no se produzcan anomalías en el rendimiento en diversas condiciones operativas específicas y luego bloquear la apertura de la válvula de aguja. ¡Este método nunca debe bajar el sonido al nivel más bajo! Si la presión de entrada es positiva cuando la bomba deja de funcionar, se debe instalar una válvula de retención para evitar fugas.
7) Las investigaciones han descubierto que cuando el medio contiene gases volátiles y partículas sólidas como arena, el rendimiento de cavitación de la bomba disminuirá. Para garantizar que la bomba no experimente cavitación, la altura de succión de la bomba debe reducirse al menos 4,2 metros desde la altura calculada del agua limpia. Vale la pena prestar atención a esto en la industria municipal.