קוויטציה היא בעיה שכיחה במהלך פעולתן של משאבות צנטריפוגליות, העלולה לגרום לעלייה ברטט וברעש המשאבה, לירידה בביצועים ולפגיעה חמורה ברכיבים.
מאמר זה אינו בוחן את הידע התיאורטי המקצועי של קוויטציה, אלא רק מנסה להשתמש בשפה פשוטה יחסית כדי לספק מבוא מפורט למספר סוגים נפוצים של קוויטציה במשאבות צנטריפוגליות, הסכנות של cavitation, ואמצעים נפוצים לשיפור הקוויטציה באתר.
1. סוגי קוויטציה
ממיקום ההתרחשות, ניתן לחלק את הקוויטציה ל-cavitation להב, cavitation gap, cavitation גס, cavitation cavity, cavitation backflow.
(1) קוויטציה של העלים
כאשר מתרחשת קוויטציה, היווצרות והתפוצצות של בועות מתרחשים בעיקר בחלק הקדמי והאחורי של הלהבים, הידוע גם בשם קוויטציה אווירית, שהיא צורת הקוויטציה העיקרית במשאבות צנטריפוגליות. כאשר המשאבה מותקנת גבוה מדי, גם אם המשאבה פועלת בתנאי עיצוב, אזור בלחץ נמוך- נוטה להתרחש בחלק האחורי של כניסת ויציאת הלהב:
1) כאשר המשאבה פועלת בתנאי זרימה גבוהים, מתרחשות הפרדת זרימה ומערבולת בקצה המוביל של הלהבים, ויוצרות לחץ שלילי שעלול לגרום לקוויטציה בחזית הלהבים.
2) כאשר המשאבה פועלת בתנאי זרימה נמוכה, נוצרות מערבולות בחלק האחורי של הלהבים, היוצרות אזור לחץ נמוך- וגורמות לקוויטציה בגב הלהבים.
(2) קוויטציה מרווחת
הכוונה היא לקוויטציה הנוצרת כאשר הנוזל זורם דרך תעלה או מרווח צר, מה שגורם לעלייה מקומית במהירות הזרימה ולירידה בלחץ ללחץ האידוי של מרכיבי הזרימה.
במרווח בין הטבעת העמידה-לשחיקה של מעטפת המשאבה הצנטריפוגלית לבין הקצה החיצוני (לוחית הכיסוי) של האימפלר, תחת הפרש הלחץ (במיוחד הפרש לחצים גדול) משני הצדדים של כניסת האימפלר והיציאה, הנוזל בצד היציאה זורם בחזרה במהירות גבוהה, וגורם לירידה מקומית בלחץ ולקאוויטציה.
במרווח הקטן בין הקצה החיצוני של להבי משאבת הזרימה הצירית למארז המשאבה, תחת פעולת הפרש הלחצים בין הלהבים הקדמיים והאחוריים, מהירות הזרימה ההפוכה הגבוהה של הנוזל במרווח עלולה גם לגרום לירידה מקומית בלחץ, וכתוצאה מכך לקוויטציה בקצה החיצוני המקביל של הלהבים במארז המשאבה, ויצירת חלת דבש וקצה של חלת הדבש ושל הלהב.
(3) קוויטציה גסה
קוויטציה מחוספסת מתייחסת ליצירת מערבולות במורד הזרם של בליטות כאשר נוזל זורם דרך פני השטח הלא אחידים של רכיבי זרימה גסה בתוך מעטפת המשאבה, מה שגורם לירידת לחץ מקומית ומוביל לקוויטציה.
במהלך היציקה והעיבוד של רכיבי זרימת המשאבה, אי אחידות פני השטח, חורי חול, חורי אוויר וכו' עלולים לגרום לשינויים פתאומיים במצב הזרימה המקומית ולגרום לקוויטציה.
(4) חלל חלל
קוויטציה בחלל מתייחסת להיווצרות רצועת מערבולת ספירלית בתא היניקה בכניסה של משאבה עקב תנאי כניסת מים לקויים או עומק טבילה לא מספיק. כאשר הלחץ המרכזי של חגורת המערבולת יורד ללחץ האידוי, תתרחש גם קוויטציה המלווה ברטט חזק.
(5) קוויטציה של ריפלוקס
באופן כללי, התנאי המקדים לקוויטציה הוא NPSHa
כאשר קצב זרימת השאיבה נמוך מדי או לחץ הכניסה גבוה מדי, מתרחשת זרימה חוזרת. כאשר קצב זרימת השאיבה נמוך מדי, מתרחש ריפלוקס פנימי בכניסה של האימפלר; כאשר לחץ הכניסה של המשאבה גבוה מדי, מתרחש ריפלוקס פנימי ביציאה של האימפלר. ריפלוקס פנימי גורם לעלייה בקצב זרימת הנוזל עד שהאיידוי מייצר בועות, שלאחר מכן נקרעות בלחץ סביבתי גבוה יותר. כאשר מתרחשת זרימה לאחור פנימית ביציאת היניקה, רעש פצפוץ לא סדיר ייפלט סביב יציאת היניקה של המשאבה, מלווה בצליל פיצוץ בעוצמה גבוהה-.
בדרך כלל ניתן לשפר את קוויטציה של ריפלוקס באמצעות השיטות הבאות:
1) הגדל את קצב זרימת הפלט של המשאבה.
2) התקן מעקף בין הכניסה והיציאה של המשאבה (שיטה זו קשה ללקוחות לקבל ביישומים מעשיים).
3) ייעל את מבנה האימפלר (צמצם את שטח הכניסה של האימפלר).
2. הסכנות של קוויטציה
(1) פגיעה בביצועים, נזק לצינור
קוויטציה יכולה להפחית משמעותית את ביצועי המשאבה. בדרך כלל, עבור משאבות צנטריפוגליות, כאשר לחץ הכניסה יורד במידה מסוימת, הביצועים שלהן ירדו בחדות, מה שמכונה גם שבר קוויטציה. קוויטציה יכולה גם לגרום לאי יציבות בתוך הנוזל, מה שעלול להוביל לתנודות בזרימה ובלחץ. בעזרת תנודות אלו היא עלולה לגרום נזק למשאבה ולצינורות הכניסה והיציאה שלה.
(2) נזק חמור לרכיבי זרם יתר של המשאבה
קוויטציה עלולה לגרום לנזק לפני השטח של רכיבים. כאשר בועות מתפוצצות, הנוזל שמסביב יוצר לחץ השפעה גבוה במיוחד (לחץ שיא) של עד 49 מגפ"ס. כאשר החוזק ההידראולי של הקוויטציה עולה על יכולתו של החומר לעמוד בפני פגיעה זו, זה יכול להוביל לכשל מקומי של עייפות חומרי הקיר ולניתוק חומר פני השטח. קוויטציה מתרחשת בו זמנית עם קורוזיה כימית ואלקטרוכימית. גודל הבורות הנוצרים על ידי קורוזיה ועיוות פלסטי של חומרים בשלב המוקדם של הקוויטציה הוא כ-10 מיקרומטר עד 50 מיקרומטר, במיוחד עבור חומרים מסוימים בעלי עמידות לקורוזיה ירודה, שעלולים להפגין מבנים דמויי חלת דבש תחת קוויטציה ארוכת טווח-.
(3) יצירת רטט ורעש
ברגע שבו הבועה מתעבה, מתכווצת ונקרעת, הנוזל מסביב לבועה ממלא את החלל במהירות גבוהה (הנוצר מהעיבוי וקרע הבועה), יוצר פעימות לחץ ובכך מעורר רעידות ורעש. תדירות רעשי הקוויטציה היא בדרך כלל בין 10 קילו-הרץ ל-100 קילו-הרץ, בעוד שתדירות רעשי הקוויטציה הנגרמים מרפלוקס ופעימות לחץ נעה בסביבות כמה מאות הרץ, מה שהופך את האוזן האנושית לרגישה במיוחד. במקביל, קוויטציה יכולה גם לעורר רטט, ותדירות הרטט העיקרית שנוצרת על ידי קוויטציה היא בדרך כלל סביב 1 קילו-הרץ.
קוויטציה מאופיינת לא רק ברמות רעש גבוהות, אלא גם במחווני רטט כגון קשיחות לא מספקת של בסיס המשאבה ותמיכת צנרת לקויה, העלולה לגרום לתהודה מבנית; לאחר התקנת המשאבה, הבסיס מתמלא בבטון, ונוקשות התמיכה של הצינור מספיקה, מה שבדרך כלל אינו גורם לתופעות רעידות חזקות. עם זאת, באמצעות מדידת רטט על גוף המשאבה, רכיב התדר הגבוה- של תדר הרטט הנוצר על ידי קוויטציה הוא דומיננטי, וערך התאוצה של הרטט גבוה יותר מתזוזת הרטט ומהירות הרטט.
3. אמצעים נפוצים לשיפור ביצועי הקוויטציה
(1) אמצעים לשיפור הביצועים נגד קוויטציה של משאבות צנטריפוגליות עצמן
1) שפר את עיצוב יציאת היניקה של המשאבה
על ידי שחיקה של האימפלר, ניתן להגדיל את שטח הזרימה;
הגדל את רדיוס העקמומיות של קטע הכניסה של לוחית כיסוי האימפלר כדי להפחית את התאוצה המהירה וירידת הלחץ של זרימת הנוזל;
הקטינו את עובי כניסת הלהב כראוי וסובבו את כניסת הלהב (הבריק את ראש הלהב, השחז אותו כדי להפחית את אובדן הפגיעה בכניסה ולהקטין את הרגישות של זווית הכניסה, וניתן להקטין את קצבת הקוויטציה הדרושה בכ-0.5 מטר), מה שהופך אותו קרוב לצורת ייעול, וגם הפחתת התאוצה וירידת הלחץ סביב הלהב;
שפר את חלקות פני השטח של האימפלר וכניסת הלהב כדי להפחית את אובדן ההתנגדות;
הארך את קצה כניסת הלהב לכיוון כניסת האימפלר כדי לאפשר לזרימת הנוזל לקבל עבודה מראש ולהגביר את הלחץ.
2) הוסף גלגל אינדוקציה קדמי
לגרום לזרימת הנוזל לעבוד מראש בגלגל האינדוקציה הקדמי כדי להגביר את לחץ זרימת הנוזל (סכימה זו דורשת שינויים מבניים וכיול מחדש של פרמטרים עיצוביים שונים).
3) אימוץ אימפלר יניקה כפול
הגדל את שטח הכניסה של האימפלר והפחת את קצב זרימת נוזל הכניסה (ירידה בקצב הזרימה ועלייה בלחץ).
4) שימוש בזווית התקפה חיובית מעט יותר גדולה
כדי להגדיל את זווית כניסת הלהב, צמצם את הכיפוף בכניסת הלהב, צמצם את חסימת הלהב, וכך הגדל את שטח הכניסה;
שפר את תנאי העבודה בתנאי זרימה גבוהים כדי להפחית את הפסדי הזרימה. אבל זווית ההתקפה החיובית לא צריכה להיות גדולה מדי, אחרת היא תשפיע על היעילות.
5) שימוש במשאבה-במהירות נמוכה
ככל שמהירות הסיבוב נמוכה יותר, ה-NPSHr קטן יותר.
6) שימוש בחומרים נגד קוויטציה
התרגול הוכיח שככל שהחוזק, הקשיות והקשיחות של חומר גבוהים יותר, כך היציבות הכימית שלו טובה יותר, ועמידותו בפני קוויטציה חזקה יותר.
(2) אמצעים להגדלת קצבת הקוויטציה של המכשיר
1) הגדל את הלחץ של מפלס הנוזל במיכל האגירה לפני המשאבה כדי לשפר את קצבת הקוויטציה האפקטיבית.
2) הקטינו את גובה ההתקנה של המשאבה במתקן היניקה, במיוחד בעת הובלת מים חמים כתווך, וקחו בחשבון את הקשר בין גובה היניקה לטמפרטורת הבינונית.
3) החלף את התקן היניקה בהתקן זרימה חוזרת.
4) צמצם את אובדן הזרימה בצינור היניקה לפני המשאבה. במידת האפשר, קצרו את הצינור בטווח הנדרש, השתמשו בקוטר צינור היניקה המתאים ובאזור סינון המסנן (אם קיים) כדי להפחית את קצב הזרימה בצנרת, להפחית את מספר העיקולים והשסתומים ולהגדיל את פתיחת השסתומים ככל האפשר.
5) אם קירוב הפערים חמור, ניתן לאמץ את שיטת קידוח חורי האיזון על האימפלר כדי להפחית את קצב זרימת הדליפה ולהקל על מידת הקוויטציה. לחורי האיזון על הלהבים יש השפעה הרסנית ומפריעה על זרימת הנוזל המוזרקת בכניסת האימפלר. שטח חורי האיזון לא צריך להיות פחות מפי 5 משטח המרווח של טבעת האיטום כדי להפחית את קצב זרימת הדליפה, ובכך להפחית את ההשפעה על זרימת הנוזל הראשית ולשפר את יכולת המשאבה נגד קוויטציה.
6) הניסיון הראה שהחל ממנגנון הקוויטציה, השלמת כמות מתאימה של גז לפתח היניקה יכולה לשבש את התנאים להתרחשות הקוויטציה. עם זאת, שימוש במילוי אוויר למניעת קוויטציה במשאבה הוא טכני ביותר, ורק עם נפח חידוש אוויר, מיקום ושיטה מתאימים ניתן להגיע לתוצאות טובות. אחרת, זה יגרום לירידה משמעותית בקצב הזרימה, בראש וביעילות של המשאבה, ואף יוביל להפסקת זרימה ולהשלכות שליליות במהלך הפעולה.
בהתחשב בקושי בשליטה בכמות המתאימה של אספקת האוויר ובמדידה מדויקת, בשילוב עם התרגול של המחבר, מומלץ להשתמש בשסתום מחט שיכול להתאים את קצב הזרימה לשסתום אספקת האוויר. במהלך-התאמה באתר, ניתן להשתמש ברעש הקוויטציה כדי להבחין: כוונן את נפח היניקה דרך שסתום המחט עד למינימום רעש הקוויטציה (חלק מהמערכות יכולות להעלים רעש לחלוטין, אך מערכות מסוימות יכולות רק להפחית את רעשי הקוויטציה, לא להעלים אותו לחלוטין), ואז להתאים מעט את שסתום המחט אחורה כדי להפחית את נפח היניקה של צריכת זמן שצוין, ולצפות בתנאי פעולה לא נורמליים. לנעול את הפתח של שסתום המחט. שיטה זו לעולם לא אמורה להוריד את הסאונד לרמה הנמוכה ביותר! אם לחץ הכניסה חיובי כאשר המשאבה מפסיקה לפעול, יש להתקין שסתום סימון כדי למנוע דליפה.
7) מחקר מצא שכאשר המדיום מכיל גזים נדיפים וחלקיקים מוצקים כגון חול, ביצועי הקוויטציה של המשאבה יפחתו. כדי להבטיח שהמשאבה לא תחווה קוויטציה, יש להפחית את גובה היניקה של המשאבה ב-4.2 מטר לפחות מהגובה המחושב של המים הנקיים. כדאי לשים לב לכך בענף העירוני.