A cavitação é um problema comum durante a operação de bombas centrífugas, que pode causar aumento na vibração e ruído da bomba, diminuição no desempenho e sérios danos aos componentes.
Este artigo não explora o conhecimento teórico profissional sobre cavitação, mas apenas tenta usar uma linguagem relativamente simples para fornecer uma introdução detalhada a vários tipos comuns de cavitação em bombas centrífugas, aos perigos da cavitação e às medidas comumente usadas para melhorar a cavitação no local.
1. Tipos de cavitação
A partir do local de ocorrência, a cavitação pode ser dividida em cavitação de lâmina, cavitação de lacuna, cavitação áspera, cavitação de cavidade e cavitação de refluxo.
(1) Cavitação foliar
Quando ocorre a cavitação, a formação e o estouro de bolhas ocorrem principalmente na parte frontal e traseira das pás, também conhecida como cavitação aerofólio, que é a principal forma de cavitação em bombas centrífugas. Quando a bomba é instalada muito alta, mesmo se a bomba estiver funcionando sob as condições de projeto, é provável que ocorra uma área de baixa-pressão na parte traseira da entrada e saída da lâmina:
1) Quando a bomba opera sob condições de alto fluxo, ocorrem separação do fluxo e vórtices na borda dianteira das pás, criando pressão negativa que pode causar cavitação na parte frontal das pás.
2) Quando a bomba opera em condições de baixo fluxo, vórtices são gerados na parte traseira das pás, criando uma zona de baixa-pressão e causando cavitação na parte traseira das pás.
(2) Cavitação de lacuna
Refere-se à cavitação formada quando o líquido flui através de um canal ou lacuna estreita, causando um aumento local na velocidade do fluxo e uma diminuição na pressão até a pressão de vaporização dos componentes do fluxo.
No espaço entre o anel-resistente ao desgaste da carcaça da bomba centrífuga e a borda externa (placa de cobertura) do impulsor, sob a diferença de pressão (especialmente grande diferença de pressão) em ambos os lados da entrada e saída do impulsor, o líquido no lado de saída flui de volta em alta velocidade, causando queda de pressão local e cavitação
Na pequena folga entre a borda externa das pás da bomba de fluxo axial e a carcaça da bomba, sob a ação da diferença de pressão entre a frente e a traseira das pás, a alta velocidade de fluxo reverso do líquido na folga também pode causar queda de pressão local, resultando em cavitação na borda externa correspondente das pás na carcaça da bomba e formando um favo de mel e uma zona de cavitação de superfície áspera na borda externa do impulsor e das pás.
(3) Cavitação grosseira
Cavitação áspera refere-se à geração de vórtices a jusante das saliências quando o líquido flui através da superfície irregular dos componentes de fluxo áspero dentro da carcaça da bomba, causando uma queda de pressão local e levando à cavitação.
Durante a fundição e processamento dos componentes do fluxo da bomba, irregularidades na superfície, buracos de areia, buracos de ar, etc. podem causar mudanças repentinas no estado do fluxo local e resultar em cavitação.
(4) Cavitação cavitária
Cavitação em uma cavidade refere-se à formação de uma faixa de vórtice em espiral na câmara de sucção na entrada de uma bomba devido a más condições de entrada de água ou profundidade de submersão insuficiente. Quando a pressão central da correia de vórtice diminui para a pressão de vaporização, também ocorrerá cavitação, acompanhada por forte vibração.
(5) Cavitação de refluxo
De modo geral, o pré-requisito para cavitação é NPSHa
Quando a vazão do bombeamento é muito baixa ou a pressão de entrada é muito alta, ocorre refluxo. Quando a vazão do bombeamento é muito baixa, ocorre refluxo interno na entrada do impulsor; Quando a pressão de entrada da bomba é muito alta, ocorre refluxo interno na saída do impulsor. O refluxo interno causa um aumento na vazão do líquido até que a vaporização produza bolhas, que então se rompem sob maior pressão circundante. Quando ocorre refluxo interno na porta de sucção, um ruído irregular de crepitação será emitido ao redor da porta de sucção da bomba, acompanhado por um som de detonação de alta-intensidade.
A cavitação de refluxo geralmente pode ser melhorada através dos seguintes métodos:
1) Aumente a vazão de saída da bomba.
2) Instale um bypass entre a entrada e a saída da bomba (este método é difícil de ser aceito pelos clientes em aplicações práticas).
3) Otimize a estrutura do impulsor (reduza a área de entrada do impulsor).
2. Os perigos da cavitação
(1) Degradação de desempenho, danos na tubulação
A cavitação pode reduzir significativamente o desempenho da bomba. Normalmente, para bombas centrífugas, quando a pressão de entrada cai até certo ponto, seu desempenho diminui drasticamente, o que também é conhecido como fratura por cavitação. A cavitação também pode causar instabilidade no interior do fluido, o que pode levar a oscilações no fluxo e na pressão. Com o auxílio dessas oscilações, poderá causar danos à bomba e às tubulações de entrada e saída.
(2) Danos graves aos componentes de sobrecorrente da bomba
A cavitação pode causar danos à superfície dos componentes. Quando as bolhas estouram, o líquido circundante gera uma pressão de impacto extremamente alta (pressão de pico) de até 49 MPa. Quando a resistência hidráulica da cavitação excede a capacidade do material de resistir a esse impacto, isso pode levar à falha por fadiga do material da parede local e ao desprendimento do material da superfície. A cavitação ocorre simultaneamente com a corrosão química e eletroquímica. O tamanho dos poços gerados pela corrosão e deformação plástica de materiais no estágio inicial da cavitação é de cerca de 10 μm a 50 μm, especialmente para alguns materiais com baixa resistência à corrosão, que podem apresentar estruturas semelhantes a favos de mel sob cavitação de longo-prazo.
(3) Gerar vibração e ruído
No momento em que a bolha se condensa, encolhe e rompe, o líquido ao redor da bolha preenche o vazio em alta velocidade (formado pela condensação e ruptura da bolha), gerando pulsações de pressão e, assim, excitando vibrações e ruídos. A frequência do ruído de cavitação está geralmente entre 10 kHz e 100 kHz, enquanto a frequência do ruído de cavitação causado pelo refluxo e pulsação de pressão é de cerca de algumas centenas de Hz, o que torna o ouvido humano particularmente sensível. Ao mesmo tempo, a cavitação também pode estimular a vibração, e a principal frequência de vibração gerada pela cavitação é geralmente em torno de 1 kHz.
A cavitação não é caracterizada apenas por altos níveis de ruído, mas também por indicadores de vibração, como rigidez insuficiente da base da bomba e suporte deficiente da tubulação, que podem causar ressonância estrutural; Após a instalação da bomba, a base é preenchida com concreto, e a rigidez de suporte da tubulação é suficiente, o que geralmente não causa fortes fenômenos de vibração. No entanto, através da medição de vibração no corpo da bomba, o componente-de alta frequência da frequência de vibração gerada pela cavitação é dominante, e o valor de aceleração da vibração é maior que o deslocamento e a velocidade de vibração.
3. Medidas comuns para melhorar o desempenho da cavitação
(1) Medidas para melhorar o desempenho anti-cavitação das próprias bombas centrífugas
1) Melhore o design da porta de sucção da bomba
Ao retificar o impulsor, a área de fluxo pode ser aumentada;
Aumentar o raio de curvatura da seção de entrada da placa de cobertura do impulsor para reduzir a rápida aceleração e queda de pressão do fluxo líquido;
Reduza a espessura da entrada da lâmina de forma adequada e arredonde a entrada da lâmina (polir a cabeça da lâmina, afiá-la para reduzir a perda de impacto da entrada e reduzir a sensibilidade do ângulo de entrada, e a cavitação necessária pode ser reduzida em cerca de 0,5 metros), tornando-a próxima de um formato aerodinâmico e também reduzindo a aceleração e a queda de pressão ao redor da cabeça da lâmina;
Melhore a suavidade da superfície do impulsor e da entrada da lâmina para reduzir a perda de resistência;
Estenda a borda de entrada da lâmina em direção à entrada do impulsor para permitir que o fluxo de líquido receba trabalho antecipadamente e aumente a pressão.
2) Adicione uma roda de indução frontal
Faça o fluxo de líquido funcionar antecipadamente na roda de indução dianteira para aumentar a pressão do fluxo de líquido (este esquema requer mudanças estruturais e recalibração de vários parâmetros de projeto).
3) Adotando impulsor de sucção dupla
Aumente a área de entrada do impulsor e reduza a vazão do líquido de entrada (diminuição da vazão e aumento da pressão).
4) Usando um ângulo de ataque positivo um pouco maior
Para aumentar o ângulo de entrada da lâmina, reduza a flexão na entrada da lâmina, minimize o bloqueio da lâmina e, assim, aumente a área de entrada;
Melhore as condições de trabalho sob condições de alto fluxo para reduzir as perdas de fluxo. Mas o ângulo de ataque positivo não deve ser muito grande, caso contrário afetará a eficiência.
5) Usando uma bomba-de baixa velocidade
Quanto menor a velocidade de rotação, menor será o NPSHr.
6) Usando materiais anti-cavitação
A prática provou que quanto maior a resistência, dureza e tenacidade de um material, melhor será a sua estabilidade química e mais forte será a sua resistência à cavitação.
(2) Medidas para aumentar a capacidade de cavitação do dispositivo
1) Aumente a pressão do nível do líquido no tanque de armazenamento antes da bomba para melhorar a cavitação efetiva.
2) Reduza a altura de instalação da bomba no dispositivo de sucção, principalmente no transporte de água quente como meio, e considere a relação entre a altura de sucção e a temperatura do meio.
3) Substitua o dispositivo de sucção por um dispositivo de refluxo.
4) Reduza a perda de fluxo na tubulação de sucção antes da bomba. Se possível, encurte a tubulação dentro da faixa exigida, use o diâmetro apropriado da tubulação de sucção e a área de filtragem do filtro (se houver) para reduzir a vazão na tubulação, reduzir o número de curvas e válvulas e aumentar a abertura da válvula tanto quanto possível.
5) Se a cavitação da folga for severa, o método de fazer furos de equilíbrio no impulsor pode ser adotado para reduzir a vazão de vazamento e aliviar o grau de cavitação. Os orifícios de equilíbrio nas pás têm um efeito destrutivo e interferente no fluxo do líquido injetado na entrada do impulsor. A área dos orifícios de equilíbrio não deve ser inferior a 5 vezes a área de folga do anel de vedação para reduzir a vazão de vazamento, reduzindo assim o impacto no fluxo de líquido principal e melhorando a capacidade anti-cavitação da bomba.
6) A experiência tem demonstrado que, a partir do mecanismo de cavitação, a suplementação de uma quantidade adequada de gás na porta de sucção pode perturbar as condições para a ocorrência da cavitação. No entanto, usar o reabastecimento de ar para evitar a cavitação da bomba é altamente técnico, e somente com volume, localização e método de reabastecimento de ar apropriados podem ser alcançados bons resultados. Caso contrário, causará uma diminuição significativa na vazão, altura manométrica e eficiência da bomba, e até mesmo levará à interrupção do fluxo e consequências adversas durante a operação.
Considerando a dificuldade em controlar a quantidade adequada de suprimento de ar e a medição precisa, aliada à prática do autor, recomenda-se a utilização de uma válvula agulha que possa ajustar a vazão da válvula de suprimento de ar. Durante o-ajuste no local, o ruído de cavitação pode ser usado para distinguir: ajuste o volume de admissão através da válvula de agulha até que o ruído de cavitação seja minimizado (alguns sistemas podem eliminar completamente o ruído, mas alguns sistemas só podem reduzir o ruído de cavitação, não eliminá-lo completamente), em seguida, ajuste a válvula de agulha um pouco para trás para reduzir o volume de admissão, observe a operação por um período de tempo até que nenhuma anormalidade de desempenho ocorra sob várias condições operacionais especificadas e, em seguida, trave a abertura da válvula de agulha. Este método nunca deve diminuir o som ao nível mais baixo! Se a pressão de entrada for positiva quando a bomba parar de funcionar, uma válvula de retenção deverá ser instalada para evitar vazamentos.
7) A pesquisa descobriu que quando o meio contém gases voláteis e partículas sólidas como areia, o desempenho de cavitação da bomba diminuirá. Para garantir que a bomba não sofra cavitação, a altura de sucção da bomba deve ser reduzida em pelo menos 4,2 metros em relação à altura calculada da água limpa. Vale a pena prestar atenção na indústria municipal.