Cavitatia pompelor centrifuge

CAVITATIA POMPELOR CENTRIFUGE

1 Generalitati

Prin cavitatie se intelege complexul de fenomene care insotesc vaporizarea si condensarea lichidelor precum si degajarea gazelor dizolvate datorita presiunilor mici. Ea a fost semnalata de Leonhard   Euler in anul 1754 in studiul asupra turbinelor hidraulice. Ulterior, au aparut nenumarate lucrari experimentale si teoretice, asupra cauzelor si efectelor ei.

In sensul restrans al cuvantului, prin cavitatie se intelege procesul dinamic de formare si surpare a cavitatilor dintr-un curent de lichid, care contin vapori si gaze.

In lichidele normale, aceste cavitati (goluri) se formeaza cand presiunea in anumite puncte se reduce pana la valoarea presiunii de vaporizare a lichidului. In aceste puncte sau zone, lichidul fierbe si se formeaza bule de vapori, care impreuna cu curentul de lichid - ajung in zona presiunilor ridicate, unde are loc surparea acestor cavitati. Condensarea bulelor de vapori in aceasta regiune provoaca socuri hidraulice locale si suprapresiuni, in momentul, in care, la sfarsitul condensarii, particulele inconjuratoare de lichid inaintand spre centrul bulei se ciocnesc si se opresc brusc.

Energia cinetica se transforma in energie elastica de deformatie. In zonele in care se termina procesul de cavitatie cresterea presiunii datorita socului hidraulic atinge cateva zeci, sute sau chiar mii de bari, iar energia acestor socuri se propaga sub forma undelor de presiune care se manifesta in exterior, prin vibratii puternice si zgomote caracteristice. In zona de vaporizare apare un mediu suprapus care printr-un geam poate fi observat si cu ochiul liber.

Ca efecte ale cavitatiei asupra functionarii pompelor centrifuge se pot enumera:

a) Cresterea rezistentei curentului de lichid .La pompe  acest efect ar putea apare ca o crestere a puterii absorbite, iar la turbine ca o reducere a puterii utile,la regimul dat. Aceasta crestere a rezistentei se explica prin scaderea frecarii pe suprafata palelor si o crestere a rezistentei de forma la inceputul cavitatiei, deoarece insisi forma palei se modifica in prezenta spatiilor cu vapori. La anumite incercari ale masinilor hidraulice, s-a remarcat o crestere a randamentului in primul moment si abia mai tarziu o scadere brusca, pe masura ce cavitatia evolueaza.

b) Modificarea caracteristicilor de functionare in sensul ca la pompe se deformeaza caracteristica interioara, H f(Q), iar la turbine prin limitarea superioara a debitului, independent de inaltimea totala H;

c) Zgomote si vibratii care apar in zona presiunilor ridicate, unde se formeaza si vartejuri alternante Bernard - Karman. Apare si un fenomen de curgere pulsatorie. Toate acestea se disting in exterior prin zgomote puternice, vibratii si trepidatii nepermise ale pompei.

Experimentele au aratat ca prin cavitatie se pot distruge corpuri solide datorita actiunii mecanice de eroziune, in conditii in care actiunea chimica de coroziune este imposibila. De exemplu sticla, otelul inoxidabil, aurul, sunt distruse prin cavitatie in apa curata.

In multe cazuri se pare ca fenomenul de cavitatie stimuleaza coroziunea. Experientele indica o intensitate critica a cavitatiei pentru fiecare material sub care piesele prezinta distrugeri marunte, uneori invizibile. Peste aceasta limita de intensitate critica a cavitatiei, cantitatea distrugerii creste cu intensitatea.

S-a constatat ca asperitatile, crapaturile si partile mai slabe din material favorizeaza distrugerea prin cavitatie.

Fenomenul de cavitatie cu consecintele distructive, trebuie evitat si aceasta se poate face prin verificarea atenta a inaltimii de aspiratie.

La unele pompe, care lucreaza in conditii apropiate de cavitatie, pentru protectia masinilor respective se folosesc materiale speciale rezistente la cavitatie cum ar fi: fonte de natura perlitica, oteluri perlitice si mai ales oteluri speciale bazate pe crom si mangan, de asemenea se mai folosesc straturi protectoare de rasini anticorozive. In orice caz, protectia elementara impotriva cavitatiei cere o buna finisare a suprafetelor, rugozitati  mici, racordarii lente etc.

Pentru a impiedica aparitia cavitatiei, la pompele executate ingrijit se iau o serie de masuri constructive cum ar fi: montarea unei roti de conducere la intrarea in rotor(ceea ce produce o mica deviere a curentului diminuand vitezele absolute), sau prelungirea palelor rotorului in gura de aspiratie etc.

La pompele cu mai multe etaje numai aspiratia primului etaj este supusa pericolului aparitiei cavitatiei, pentru aceasta se iau masuri speciale, cum ar fi majorarea sectiunii de intrare in pompa (diametrul D₁ si latimea palei b₁), fapt care reduce viteza de intrare a lichidului.

In cazul cercetarilor stiintifice de laborator, care urmaresc rezultatele cu tendinte de generalizare, pompa si rotorul se vor executa cu dispozitive de vizualizare a curentului din pompa , mai ales in zona rotorului. Stabilirea momentului inceperii fenomenului de cavitatie are loc prin urmatoarele etape:

a)      Metoda modificarii bruste a curbelor caracteristice de functionare, mai ales a caracteristicii interioare si a randamentului;

b)      Metoda fotografierii stroboscopice sau filmarii curentului din rotor si fixarea zonei in care apare vaporizarea apei. In acest loc apare o emulsie de culoare alb - galbuie ;

c)      Metoda acustica, care consta in determinarea intensitatii zgomotelor, mai ales in momentul inceperii lor;

d)     Metoda de determinare a repartitiei presiunii pe pala rotorului in timpul functionarii. Aceasta metoda determina valoarea presiunii minime si locul unde apare pe pala. Este o metoda pretentioasa, care conduce insa la indicatii pretioase privind forma optima a canalelor si palelor pompelor de vedere al cavitatiei.

Desigur ca, pentru a obtine o mare precizie in masurari si la detectarea inceputului cavitatiei, se prefera calea care utilizeaza cele patru metode simultan, dar fiind foarte pretentioasa se recomanda numai in cazul incercarilor speciale.

Din punct de vedere practic este necesar ca presiunea la aspiratia pompei sa nu scada sub o anumita valoare, specifica rotorului fiecarei pompe. Din acest considerent se defineste notiunea de (inaltime neta de aspiratie necesara) (H)_nec cunoscuta si cu notatia (NPSH)_nec, marime ce se ridica de uzina constructoare a pompei sau se determina aproximativ pe cale teoretica. Pentru determinarea teoretica, diferiti autori au propus relatii asemanatoare, ca de exemplu relatia lui D. Thomas:

( H_Na)_nec sH,(1)

unde :

H este inaltimea de pompare realizata de rotor;

s - coeficient adimensional de cavitatie.

Coeficientul adimensional de cavitatie, s se poate determina cu o relatie de forma:

(2)

Pentru constanta de proportionalitate au fost propuse diferite valori, ca de exemplu :

D. Thomas, I. Anton a

Stepanoff  a

Escher - Wyss a

Rudnev  a

Cercetari mai amanuntite au stabilit ca si constanta de proportionalitate (a) de pinde de turatia specifica. Astfel inlocuind in relatia (2)expresia analitica a turatiei specifice se obtine:

(3)

unde c este coeficientul de cavitatie la lui Rudnev si are valorile: c 600.800, pentru n_s 50.80 si c 800.1000 pentru n_s

Pentru evitarea fenomenului de cavitatie este necesar ca inaltimea neta disponibila la aspiratia pompei, sa fie mai mare decat cea minim necesara determinata cu relatia (1):

(H_Na) disp>(H_Na) nec, (4)

unde (H_Na)disp este inaltimea neta de aspiratie disponibila conform figurii 1 se determina cu relatia:

(5)

unde:

p₀ este presiunea la suprafata libera a lichidului in rezervorul de aspiratie (pentru rezervorul deschis p_o are valoarea presiunii atmosferice);

p_v - presiunea vaporilor saturati ai lichidului vehiculat la temperatura de lucru;

H_g - inaltimea geodezica de aspiratie (masurata pe verticala);

Sha - suma pierderilor hidraulice liniare si locale pe conducta de aspiratie.

In literatura din S.U.A. in locul notatiei H_Na se utilizeaza notatia NPSH (Net Positive Suction Head).

In general inaltimea maxima posibila pentru aspiratie la pompele pentru apa rece este de 4.7m, iar din figura 2 se observa scaderea rapida a inaltimii de aspiratie in raport cu temperatura. Mai mult la un moment dat este posibil ca pentru impiedicarea aparitiei cavitatiei, inaltimea de aspiratie h_a sa devina negativa, ceea ce practic, inseamna montarea pompei sub rezervorul de aspiratie, adica realizarea unei presiuni statice care sa mareasca presiunea de lucru in rotor peste limita p_vs.

Figura 2. Variatia inaltimii de aspiratie in cazul vehicularii apei.

Inaltimea de aspiratie are influenta si asupra caracteristicilor de functionare ale unei pompe centrifuge. In figura 3 se observa ca pana la o valoare limita admisibila, caracteristicile de debit, sarcina si randament raman constante, cresterea inaltimii de pompare peste aceasta limita, conduce la o scadere rapida a parametrilor de lucru.

Figura 3. Influenta inaltimii de aspiratie asupra parametrilor de lucru.

2 Obiectivele lucrarii

a) Determinarea (H_Na)_nec pentru o pompa data si a (H_Na)_disp pentru un traseu dat. Verificarea la cavitatia cu relatia (4)

b) Determinarea vizual auditiva a momentului aparitiei fenomenului de cavitatie, la obturarea partiala a robinetului de aspiratie.

c) Trasarea caracteristicii interioare a pompei centrifuge, pentru diferite pozitii ale robinetului de aspiratie, in vederea observarii modificarilor ce se produc la aparitia fenomenului de cavitatie.

d) Compunerea celor trei moduri de determinare a aparitiei fenomenului de cavitatie:

a) teoretic;

b) audio-vizual;

c) ridicarea experimentala a caracteristicii interioare.

3 Descrierea standului

Standul din laborator utilizat pentru studiul fenomenului de cavitatie este de tipul'' in circuit inchis'' si este prezentat in figura 4.

Pompa centrifuga la care se va studia fenomenul de cavitatie are capacul si racordul la conducta de aspiratie confectionate din material transparent.

Conducta de aspiratie a pompei centrifuge are urmatoarele elemente in care apar pierderi hidraulice:

pierderi liniare ( conducta cu diametru interior d 76,2mm, de lungime l 8,3m;

pierderi locale (4 coturi la 90⁰,1 robinet).

Prin obturarea partiala a robinetului V₁ se pot modifica pierderile locale, deci pierderile totale pe conducta de aspiratie, modificand astfel (H_Na)disp.

Figura 4. Schema standului pentru studiul fenomenului de cavitatie:

PC - pompa centrifuga, M_ec   - motor electric de curent continuu, R - rezervor deschis, V₁ - robinet pe conducta de aspiratie, V₂ - robinet pe conducta de refulare, C_t - conducta de aspiratie transponenta, I_{n -} indicator de nivel.

Pompa centrifuga este de tip Cris 65 si are la punctul nominal de functionare urmatoarele caracteristici:

viteza unghiulara, w 150 rod/s;

debitul, Q 15m³/h;

inaltimea de pompare, H 4m.

4 Modul de efectuare a lucrarii

a) Se porneste pompa centrifuga, cu robinetul (V₁) de pe conducta de aspiratie, complet deschis.

b) Se stabileste diferite puncte de functionare cu ajutorul vanei (V₂) de pe conducta de refulare (de la pozitia acesteia complet deschisa pana la pozitia complet inchisa), se determina caracteristica interioara H(Q), conform metodologiei prezentate in cadrul lucrarii 5.

c) Cu robinetul de refulare (V₂) complet deschis se obtureaza robinetul (R₁), pana la aparitia fenomenului de cavitatie, semnalat audio - vizual si prin reducerea valorii inaltimii de pompare la debite mari.

Se traseaza caracteristica interioara pentru aceasta pozitie a robinetului (V₁).

Se obtureaza in continuare robinetul V₁ corelat cu manevrarea robinetului de refulare(V₂), astfel incat fenomenul de cavitatie sa apara la punct nominal de functionare ( figura 5, curba 3).

Debitul nominal al pompei centrifuge este Q_n 10 m³/h.

Se traseaza caracteristica interioara pentru aceasta pozitie a robinetului (V₁).

Figura 5. Modificarea caracteristicii interioare a pompei centrifuge la aspiratia fenomenului de cavitatie

5 Prelucrarea datelor experimentale

a) Se prelucreaza datele experimentale, conform metodologiei prezentate in lucrarea 5 si se traseaza pe hartie milimetrica curbele H(Q), determinate pentru diferite pozitii ale robinetului de pe conducta de aspiratie ( cu datele de la paragraful 4 b, c, d).

Se obtin conform figurii 5 urmatoarele curbe H (Q):

nu apare fenomenul de cavitatie;

fenomenul de cavitatie apare la punctul caracterizat prin punctele ( Q_c, H_c) si presiunea (p_ac) la aspiratia pompei citita la manovacuumetru;

fenomenul de cavitatie apare la punctul nominal de functionare al pompei, caracterizat prin coordonatele ( Q_n, H_n) si presiunea p_an la aspiratie.

Cresterea pierderilor locale la aspiratie prin obturarea partiala a robinetului V₁ de la complet deschis (curba 1) la deschiderea corespunzatoare curbei 3 din figura 5, este:

Dp_a p_a1- p_a3 ,(3)

unde p_a1 si p_a3 sunt presiunile la aspiratia pompei citite la manovacuumetru, pentru debitul nominal( Q_n), corespunzator curbelor (1), respectiv (3) din figura 5;

b)cu ajutorul relatiilor (1), (2) se determina (H_Na)_nec;

c) Se determina (H_Na) disp pentru punctul nominal de functionare, corespunzator debitului nominal.

Determinarea se poate face pe cale experimentala, sau teoretica ( se vor aplica si confrunta ambele metode):

Determinarea experimentala se face cu relatia :

7

unde reste densitatea apei.

La numaratorul relatiei (7) s-a introdus presiunea absoluta la aspiratie(p_a3+1), unde p_a3 este presiunea manometrica si se introduce cu valoare citita la manovacuumetru (valoare negativa),

Determinarea teoretica se face cu relatia (5) , unde p_vs(presiunea vaporilor saturati) pentru diferite lichide are valori din tabelul 1 (m. coloana apa).

Tabelul 1 Valorile p_vs pentru lichide in functie de temperatura.

H_g - inaltimea geodezica de aspiratie si se citeste la indicatorul de nivel al rezervorului R (fata de planul orizontal ce trece prin axa pompei). Valoarea H_g cu semnul(_),pentru ca pompa lucreaza incet.

Sha - pierderile de presiune pe conducta de aspiratie, se determina cu relatia:

(8),

unde l este coeficientul pierderilor liniare;

Sz_i - pierderile locale.

d) Se verifica relatia( 4) pentru punctul nominal de functionare si se stabileste rezerva de energie pentru evitarea cavitatiei:

DH (H_Na)_disp- (H_Na)_nec 

In final se compara rezerva de energie DH (relatia 9) cu valoarea data de relatia:

(10)