Скидка на подшипники из наличия!
Новое поступление товара в 2026 году!
Кавитация в насосах — образование и схлопывание паровых полостей в потоке жидкости, когда местное давление на входе в рабочее колесо падает до давления насыщенных паров при рабочей температуре. Это явление подтачивает проточную часть, снижает напор и подачу и в развитой форме приводит к срыву работы агрегата. Запас по кавитации — разница между располагаемым и требуемым кавитационным запасом (NPSH) — это ключевой параметр, определяющий, будет ли центробежный насос работать устойчиво. Ниже разобраны природа кавитации, величины NPSHr и NPSHa, методика их расчёта, признаки и эрозия, а также меры защиты от срыва подачи.
При движении жидкости от всасывающего патрубка к входным кромкам лопаток скорость потока растёт, а статическое давление падает. Если в какой-либо точке давление снижается до давления насыщенных паров жидкости при её температуре, начинается местное вскипание: образуются полости, заполненные преимущественно паром и выделившимися растворёнными газами. Перемещаясь потоком в зону повышенного давления (как правило, дальше по каналу колеса), эти полости резко конденсируются и схлопываются.
Схлопывание единичной полости занимает микроскопически малое время и сопровождается локальным гидроударом: формируются кумулятивные микроструи и ударные волны, действующие на близлежащие поверхности. Многократно повторяемая «бомбардировка» поверхности приводит к усталостному разрушению металла и уносу частиц материала — кавитационной эрозии. Сопутствующая коррозионная активность среды ускоряет процесс.
Кавитация начинается там, где местное давление в потоке падает до давления насыщенных паров при рабочей температуре жидкости.
Поскольку условие возникновения кавитации завязано на давление насыщенных паров, температура перекачиваемой среды — определяющий фактор. С её ростом давление паров увеличивается нелинейно (экспоненциально), и запас до кавитации сокращается. В таблице приведены справочные значения давления насыщенных паров и плотности воды; правый столбец — то же давление, выраженное в метрах столба жидкости (через h = p/(ρg)), в каком виде его обычно вводят в расчёт NPSH.
h = p/(ρg)
При перекачивании горячих и легколетучих сред (горячая вода, лёгкие нефтепродукты, сжиженные газы) давление паров приближается к давлению на всасывании, и обеспечить запас по кавитации без подпора или специальных мероприятий становится трудно.
Кавитационный запас (NPSH, net positive suction head) — это превышение полного напора жидкости на входе в насос над напором, соответствующим давлению насыщенных паров, отнесённое к базовой плоскости NPSH. По ГОСТ ISO 17769-1-2014 для этой величины принят термин «кавитационный запас» (ранее использовалось «надкавитационный напор»). Различают две принципиально разные величины с одинаковой размерностью.
Требуемый запас определяется испытаниями. Методику кавитационных приёмочных испытаний динамических насосов устанавливают ГОСТ ISO 9906-2015 (идентичен ISO 9906:2012) и ГОСТ 6134-2007. Критерием служит снижение напора на 3 % при постепенном уменьшении давления на входе; именно этому состоянию соответствует NPSH3. По ГОСТ ISO 17769-1-2014, если критерий специально не оговорён, под требуемым запасом понимается NPSH3.
В точке NPSH3 кавитация уже развита: трёхпроцентное падение напора — не порог зарождения, а заметное ухудшение характеристики. Поэтому рабочая точка по располагаемому запасу должна лежать выше NPSH3 с дополнительным запасом, а не совпадать с ним.
Располагаемый запас определяется условиями всасывания: давлением над свободной поверхностью жидкости, геометрической высотой, потерями во всасывающем трубопроводе и давлением насыщенных паров. В метрах столба жидкости его записывают так:
pa
ρ
g
Hгеом
pп
Hпот
Атмосферное давление на уровне моря (101,325 кПа) для холодной воды эквивалентно примерно 10,3 м столба. Расчёт ведут для наиболее неблагоприятного сочетания условий: максимальной температуры среды, минимального уровня в питающей ёмкости и максимального расхода (при котором растут и потери, и требуемый запас).
pa/ρg ≈ 10,3 м
Hгеом = −3,0 м
pп/ρg ≈ 2,07 м
Hпот = 0,8 м
Расчёт наглядно показывает, почему рост температуры так опасен: при неизменной геометрии увеличение давления паров напрямую вычитается из располагаемого запаса.
Требуемый запас — это свойство гидравлики колеса. Его связь с подачей и частотой вращения описывает кавитационный коэффициент быстроходности C — критерий С. С. Руднева, постоянный для геометрически подобных насосов:
n
Q
Δhкр
Чем выше значение C, тем лучше всасывающая способность колеса. Ориентировочные диапазоны:
Допускаемый кавитационный запас, при котором насос работает без изменения основных показателей, принимают с коэффициентом сверх критического:
A = 1,05…1,3
На кавитационной характеристике (зависимости напора, мощности и КПД от запаса при постоянной частоте вращения) С. С. Руднев выделил несколько критических режимов: зарождение местной кавитации, развитую кавитацию и режим полного срыва, когда напор, мощность и подача достигают минимума. ГОСТ 6134-2007 для нормирования фиксирует единственную точку — запас, при котором напор снижается на 3 % (Δhкр = NPSH3).
Бескавитационная работа обеспечивается, когда располагаемый запас устойчиво превышает требуемый во всём рабочем диапазоне подач. Записывают это условие через абсолютную добавку или через коэффициент:
ΔH
k
Минимальная общепринятая добавка для холодной воды — около 0,5 м. Для ответственных и высокоэнергетических насосов запас увеличивают: абсолютной добавкой порядка 1–2 м либо коэффициентом маржи 1,1–1,5 (по ряду подходов — множитель к NPSH3 от 1,25 до 2). Детализированные рекомендации по величине запаса для разных отраслей содержит руководство Гидравлического института (Hydraulic Institute).
Запас «NPSH3 + 0,5 м» — это минимум, а не оптимум. В зоне небольшого превышения над NPSH3 интенсивность кавитационной эрозии может оставаться высокой: видимого падения напора уже нет, а пузырьковая каверна ещё схлопывается на поверхности лопаток. Для долговечности проточной части ориентируются на больший запас, чем минимально достаточный для удержания напора.
Кавитационные явления различают по механизму возникновения и месту повреждения. Понимание конкретного вида определяет выбор мер защиты.
Рециркуляционная кавитация коварна тем, что возникает при высоком давлении нагнетания: в режиме малых подач внутри колеса образуются зоны обратных токов, где местное давление падает ниже давления паров, несмотря на внешне «благополучные» показания манометров. Поэтому работа ниже минимально допустимой подачи так же вредна, как и недостаток подпора.
Развивающаяся кавитация даёт характерный набор признаков. Их сочетание, а не единичный симптом, указывает на проблему всасывания.
Для оценки вибрационного состояния промышленных динамических насосов измеряют среднеквадратичное значение виброскорости (мм/с) в полосе частот от 10 до 1000 Гц. ГОСТ Р 55265.7-2012 устанавливает четыре зоны состояния — от A (новый агрегат) до D (опасность повреждения) — а также рекомендуемые уровни предупреждения и останова. Числовые границы зон зависят от категории насоса (категория I — ответственные применения, категория II — общетехнические) и класса по потребляемой мощности (до и свыше 200 кВт), поэтому конкретные пороги берут непосредственно из действующей редакции стандарта под определённый агрегат. Из области применения стандарта исключены питательные насосы тепловых электростанций.
Кавитация даёт нерегулярную широкополосную составляющую вибрации. Само по себе превышение зоны допустимой длительной эксплуатации — повод искать причину, в том числе проверить запас по NPSH и режим работы; точный диагноз требует частотного анализа.
Схлопывание паровых полостей у поверхности порождает микроструи и ударные волны, которые многократно нагружают металл. Развивается усталостное разрушение: на поверхности появляются мелкие углубления — питтинг, переходящий в характерную губчатую (ячеистую) эрозию, чаще всего на входных кромках лопаток. При интенсивной кавитации скорость уноса материала может измеряться миллиметрами в год.
Сопротивление кавитационной эрозии зависит от комплекса свойств — прочности, твёрдости, вязкости разрушения и коррозионной стойкости. Качественная сравнительная картина:
Замена материала повышает ресурс, но не устраняет причину кавитации. Стойкий металл лишь дольше сопротивляется разрушению; корень проблемы — недостаточный запас по NPSH или неверный режим — устраняется на стороне системы и режима работы.
Мероприятия делят на три группы: воздействие на систему (увеличение располагаемого запаса), правильный режим эксплуатации и конструктивные решения (снижение требуемого запаса).
Повышение давления на нагнетании (дросселирование выхода) не устраняет классическую кавитацию: бороться с ней нужно на стороне всасывания. Более того, прикрытие задвижки на нагнетании снижает подачу и может спровоцировать рециркуляционную кавитацию.
Это вскипание жидкости прямо внутри насоса. Когда давление на входе в рабочее колесо падает до давления насыщенных паров, в потоке образуются паровые пузырьки. Попадая в зону высокого давления, они мгновенно схлопываются, создавая микроудары, которые разрушают металл и сбивают работу насоса.
NPSHr (требуемый кавитационный запас) — это характеристика самого насоса, которую задаёт изготовитель: сколько подпора нужно колесу, чтобы не кавитировать. NPSHa (располагаемый запас) — характеристика установки: сколько подпора фактически обеспечивает система всасывания. Насос работает устойчиво, пока NPSHa превышает NPSHr с запасом.
Для холодной воды и стандартных применений минимальная добавка — около 0,5 м (NPSHa ≥ NPSHr + 0,5 м). Для ответственных систем берут 1–2 м, для высокоэнергетических насосов — коэффициент маржи 1,1–1,5. Минимальный запас удерживает напор, но для защиты от эрозии ориентируются на большее превышение.
Напрямую и сильно. С ростом температуры давление насыщенных паров увеличивается экспоненциально, а это давление вычитается из располагаемого запаса. Например, у воды при переходе с 20 до 80 °C давление паров растёт примерно в двадцать раз, и располагаемый NPSHa резко сокращается.
Характерный признак — потрескивание в зоне всасывания, словно через насос идёт гравий. Звук нерегулярный и усиливается при ухудшении условий всасывания. Он сопровождается повышенной вибрацией, пульсациями давления и расхода, снижением напора и КПД.
Нет. Классическая кавитация возникает на всасывании, и повышение давления на выходе её не убирает. Прикрытие задвижки на нагнетании к тому же снижает подачу и может вызвать рециркуляционную кавитацию на малых расходах. Бороться нужно на стороне входа — увеличивать подпор или снижать требуемый запас.
Хуже всего держатся серый чугун и углеродистая сталь, умеренно — бронзы. Лучшую стойкость показывают хромоникелевые нержавеющие стали, а наивысшую — дуплексные стали и наплавки на кобальтовой основе. Но материал лишь продлевает ресурс: он не устраняет причину кавитации.
Это режим полностью развитой кавитации, при котором паровая каверна перекрывает проточную часть колеса. Напор, подача и потребляемая мощность падают до минимума, и насос фактически перестаёт перекачивать жидкость. Длительная работа даже на грани срыва недопустима.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.