Cavitation là một vấn đề thường gặp trong quá trình vận hành máy bơm ly tâm, có thể làm tăng độ rung và tiếng ồn của máy bơm, giảm hiệu suất và làm hư hỏng nghiêm trọng các bộ phận.
Bài viết này không tìm hiểu kiến thức lý thuyết chuyên môn về tạo bọt mà chỉ cố gắng sử dụng ngôn ngữ tương đối đơn giản để giới thiệu chi tiết về một số loại tạo bọt phổ biến trong máy bơm ly tâm, các mối nguy hiểm của tạo bọt và các biện pháp thường được sử dụng để cải thiện tạo bọt tại chỗ.
1. Các loại cavitation
Từ vị trí xảy ra, cavitation có thể được chia thành cavitation lưỡi, cavitation khe hở, cavitation thô, cavitation khoang và cavitation dòng chảy ngược.
(1) Xâm thực trên lá
Khi hiện tượng xâm thực xảy ra, sự hình thành và vỡ bong bóng chủ yếu xảy ra ở mặt trước và mặt sau của cánh quạt, còn được gọi là xâm thực cánh máy bay, là hình thức tạo bọt chính trong máy bơm ly tâm. Khi máy bơm được lắp đặt quá cao, ngay cả khi máy bơm đang chạy trong điều kiện thiết kế, vùng áp suất-thấp vẫn có thể xảy ra ở phía sau đầu vào và đầu ra của cánh quạt:
1) Khi máy bơm hoạt động ở điều kiện dòng chảy cao, sự phân tách dòng chảy và dòng xoáy xảy ra ở cạnh trước của cánh, tạo ra áp suất âm có thể gây ra hiện tượng xâm thực ở mặt trước của cánh.
2) Khi máy bơm hoạt động trong điều kiện dòng chảy thấp, các dòng xoáy được tạo ra ở mặt sau của các cánh, tạo ra vùng áp suất-thấp và gây ra hiện tượng xâm thực ở mặt sau của các cánh.
(2) Khe hở xâm thực
Nó đề cập đến hiện tượng xâm thực được hình thành khi chất lỏng chảy qua một kênh hoặc khe hẹp, gây ra sự gia tăng cục bộ về tốc độ dòng chảy và giảm áp suất đối với áp suất hóa hơi của các thành phần dòng chảy.
Tại khe hở giữa vòng chống mài mòn của vỏ bơm ly tâm và mép ngoài (tấm che) của bánh công tác, dưới sự chênh lệch áp suất (đặc biệt là chênh lệch áp suất lớn) ở cả hai bên đầu vào và đầu ra của bánh công tác, chất lỏng ở phía đầu ra chảy ngược lại với tốc độ cao, gây sụt áp cục bộ và tạo bọt
Trong khe hở nhỏ giữa mép ngoài của lưỡi bơm hướng trục và vỏ bơm, dưới tác động của chênh lệch áp suất giữa mặt trước và mặt sau của lưỡi dao, tốc độ dòng chảy ngược cao của chất lỏng trong khe hở cũng có thể gây ra sụt giảm áp suất cục bộ, dẫn đến hiện tượng xâm thực ở mép ngoài tương ứng của các lưỡi dao trong vỏ bơm và tạo thành vùng xâm thực tổ ong và bề mặt gồ ghề ở mép ngoài của bánh công tác và lưỡi dao.
(3) Xâm thực thô
Xâm thực thô đề cập đến việc tạo ra các xoáy ở hạ lưu của các phần nhô ra khi chất lỏng chảy qua bề mặt không bằng phẳng của các thành phần dòng chảy thô bên trong vỏ máy bơm, gây ra sự sụt giảm áp suất cục bộ và dẫn đến tạo bọt.
Trong quá trình đúc và xử lý các thành phần dòng bơm, bề mặt không bằng phẳng, lỗ cát, lỗ khí, v.v. có thể gây ra những thay đổi đột ngột về trạng thái dòng chảy cục bộ và dẫn đến hiện tượng xâm thực.
(4) Xâm thực khoang
Xâm thực trong khoang đề cập đến sự hình thành dải xoáy xoắn ốc trong buồng hút ở đầu vào của máy bơm do điều kiện nước vào kém hoặc độ sâu ngập không đủ. Khi áp suất trung tâm của vành đai xoáy giảm đến áp suất hóa hơi sẽ xảy ra hiện tượng xâm thực kèm theo rung động mạnh.
(5) Xâm thực trào ngược
Nói chung, điều kiện tiên quyết để tạo bọt là NPSHa
Khi tốc độ dòng bơm quá thấp hoặc áp suất đầu vào quá cao, dòng chảy ngược sẽ xảy ra. Khi tốc độ dòng bơm quá thấp, hiện tượng trào ngược bên trong xảy ra ở đầu vào của bánh công tác; Khi áp suất đầu vào của máy bơm quá cao, hiện tượng trào ngược bên trong xảy ra ở đầu ra của bánh công tác. Trào ngược bên trong làm tăng tốc độ dòng chất lỏng cho đến khi sự bay hơi tạo ra bong bóng, sau đó vỡ ra dưới áp suất xung quanh cao hơn. Khi xảy ra dòng chảy ngược bên trong tại cổng hút, tiếng ồn tanh tách không đều sẽ phát ra xung quanh cổng hút của máy bơm, kèm theo-âm thanh kích nổ cường độ cao.
Hiện tượng xâm thực trào ngược nói chung có thể được cải thiện thông qua các phương pháp sau:
1) Tăng tốc độ dòng chảy đầu ra của máy bơm.
2) Lắp đặt đường bypass giữa đầu vào và đầu ra của máy bơm (phương pháp này khó được khách hàng chấp nhận trong ứng dụng thực tế).
3) Tối ưu hóa kết cấu cánh quạt (giảm diện tích đầu vào của cánh quạt).
2. Sự nguy hiểm của cavitation
(1) Suy giảm hiệu suất, hư hỏng đường ống
Cavitation có thể làm giảm đáng kể hiệu suất của máy bơm. Thông thường, đối với máy bơm ly tâm, khi áp suất đầu vào giảm đến một mức nhất định, hiệu suất của chúng sẽ giảm mạnh, còn được gọi là hiện tượng nứt tạo bọt. Xâm thực cũng có thể gây ra sự mất ổn định bên trong chất lỏng, có thể dẫn đến dao động về dòng chảy và áp suất. Với sự hỗ trợ của những dao động này, nó có thể gây hư hỏng cho máy bơm và đường ống vào và ra của nó.
(2) Hư hỏng nghiêm trọng các bộ phận quá dòng của máy bơm
Cavitation có thể gây hư hỏng bề mặt của các bộ phận. Khi bong bóng vỡ, chất lỏng xung quanh tạo ra áp suất tác động cực cao (áp suất cực đại) lên tới 49 MPa. Khi cường độ thủy lực của hiện tượng xâm thực vượt quá khả năng chống lại tác động này của vật liệu, nó có thể dẫn đến hiện tượng mỏi vật liệu tường cục bộ và bong tróc vật liệu bề mặt. Cavitation xảy ra đồng thời với ăn mòn hóa học và ăn mòn điện hóa. Kích thước của các hố được tạo ra do sự ăn mòn và biến dạng dẻo của vật liệu trong giai đoạn đầu của quá trình xâm thực là khoảng 10 μm đến 50 μm, đặc biệt đối với một số vật liệu có khả năng chống ăn mòn kém, có thể biểu hiện các cấu trúc giống như tổ ong trong quá trình tạo bọt lâu dài.
(3) Tạo ra rung động và tiếng ồn
Tại thời điểm bong bóng ngưng tụ, co lại và vỡ, chất lỏng xung quanh bong bóng sẽ lấp đầy khoảng trống ở tốc độ cao (được hình thành do sự ngưng tụ và vỡ của bong bóng), tạo ra các xung áp suất và do đó gây ra rung động và tiếng ồn. Tần số của tiếng ồn tạo bọt thường nằm trong khoảng từ 10 kHz đến 100 kHz, trong khi tần số của tiếng ồn tạo bọt do trào ngược và xung áp suất là khoảng vài trăm Hz, khiến tai người đặc biệt nhạy cảm. Đồng thời, xâm thực cũng có thể kích thích rung động và tần số rung động chính do tạo bọt tạo ra thường là khoảng 1 kHz.
Xâm thực không chỉ được đặc trưng bởi mức độ tiếng ồn cao mà còn bởi các chỉ số rung động như độ cứng của đế bơm không đủ và khả năng hỗ trợ đường ống kém, có thể gây ra cộng hưởng cấu trúc; Sau khi lắp đặt máy bơm, đế được đổ đầy bê tông và độ cứng hỗ trợ của đường ống là đủ, nhìn chung không gây ra hiện tượng rung động mạnh. Tuy nhiên, thông qua phép đo độ rung trên thân máy bơm, thành phần tần số-cao của tần số rung do tạo bọt tạo ra chiếm ưu thế và giá trị gia tốc của rung động cao hơn độ dịch chuyển rung động và tốc độ rung động.
3. Các biện pháp phổ biến để cải thiện hiệu suất tạo bọt
(1) Các biện pháp nâng cao khả năng chống xâm thực của bản thân máy bơm ly tâm
1) Cải thiện thiết kế cổng hút của máy bơm
Bằng cách mài bánh công tác, diện tích dòng chảy có thể tăng lên;
Tăng bán kính cong của phần đầu vào của tấm vỏ cánh quạt để giảm khả năng tăng tốc và giảm áp suất nhanh chóng của dòng chất lỏng;
Giảm độ dày của đầu vào lưỡi dao một cách thích hợp và làm tròn đầu vào lưỡi dao (đánh bóng đầu lưỡi dao, mài sắc nó để giảm tổn thất va đập của đầu vào và giảm độ nhạy của góc đầu vào, và có thể giảm khoảng 0,5 mét cho phép xâm thực cần thiết), làm cho nó gần với hình dạng hợp lý, đồng thời giảm gia tốc và giảm áp suất xung quanh đầu lưỡi dao;
Cải thiện độ mịn bề mặt của bánh công tác và đầu vào của lưỡi dao để giảm tổn thất điện trở;
Mở rộng cạnh đầu vào của lưỡi dao về phía đầu vào của cánh quạt để cho phép dòng chất lỏng nhận công trước và tăng áp suất.
2) Thêm bánh xe cảm ứng phía trước
Làm cho dòng chất lỏng hoạt động trước ở bánh xe cảm ứng phía trước để tăng áp suất dòng chất lỏng (sơ đồ này yêu cầu thay đổi cấu trúc và hiệu chỉnh lại các thông số thiết kế khác nhau).
3) Áp dụng cánh quạt hút đôi
Tăng diện tích đầu vào của bánh công tác và giảm tốc độ dòng chất lỏng đầu vào (giảm tốc độ dòng chảy và tăng áp suất).
4) Sử dụng góc tấn công tích cực lớn hơn một chút
Để tăng góc đầu vào của lưỡi dao, hãy giảm độ uốn ở đầu vào của lưỡi dao, giảm thiểu tình trạng tắc nghẽn lưỡi và do đó tăng diện tích đầu vào;
Cải thiện điều kiện làm việc trong điều kiện dòng chảy cao để giảm tổn thất dòng chảy. Nhưng góc tấn công tích cực không được quá lớn, nếu không sẽ ảnh hưởng đến hiệu quả.
5) Sử dụng máy bơm-tốc độ thấp
Tốc độ quay càng thấp thì NPSHr càng nhỏ.
6) Sử dụng vật liệu chống xâm thực
Thực tiễn đã chứng minh rằng độ bền, độ cứng và độ dẻo dai của vật liệu càng cao thì độ ổn định hóa học của nó càng tốt và khả năng chống xâm thực càng mạnh.
(2) Các biện pháp tăng mức cho phép xâm thực của thiết bị
1) Tăng áp suất của mức chất lỏng trong bể chứa trước máy bơm để cải thiện mức cho phép tạo bọt hiệu quả.
2) Giảm chiều cao lắp đặt của máy bơm trong thiết bị hút, đặc biệt khi truyền nước nóng làm môi trường và xem xét mối quan hệ giữa chiều cao hút và nhiệt độ môi trường.
3) Thay thế thiết bị hút bằng thiết bị chảy ngược.
4) Giảm tổn thất dòng chảy trong đường ống hút trước máy bơm. Nếu có thể, hãy rút ngắn đường ống trong phạm vi yêu cầu, sử dụng đường kính đường ống hút và diện tích lọc bộ lọc thích hợp (nếu có) để giảm tốc độ dòng chảy trong đường ống, giảm số lần uốn và van, đồng thời tăng độ mở van càng nhiều càng tốt.
5) Nếu tình trạng xâm thực khe hở nghiêm trọng, có thể áp dụng phương pháp khoan lỗ cân bằng trên bánh công tác để giảm tốc độ dòng rò rỉ và giảm bớt mức độ xâm thực. Các lỗ cân bằng trên các cánh quạt có tác dụng phá hủy và cản trở dòng chất lỏng được bơm vào ở đầu vào của bánh công tác. Diện tích của các lỗ cân bằng không được nhỏ hơn 5 lần diện tích khe hở của vòng đệm để giảm tốc độ dòng rò rỉ, từ đó giảm tác động lên dòng chất lỏng chính và cải thiện khả năng chống xâm thực của máy bơm.
6) Kinh nghiệm cho thấy, bắt đầu từ cơ chế tạo bọt, việc bổ sung một lượng khí thích hợp vào cổng hút có thể phá vỡ các điều kiện để xảy ra hiện tượng tạo bọt. Tuy nhiên, việc sử dụng bổ sung không khí để ngăn chặn hiện tượng xâm thực máy bơm đòi hỏi kỹ thuật cao và chỉ với thể tích, vị trí và phương pháp bổ sung không khí thích hợp mới có thể đạt được kết quả tốt. Nếu không, nó sẽ làm giảm đáng kể tốc độ dòng chảy, cột áp và hiệu suất của máy bơm, thậm chí dẫn đến gián đoạn dòng chảy và hậu quả bất lợi trong quá trình vận hành.
Xét thấy khó khăn trong việc kiểm soát lượng khí cấp phù hợp và đo lường chính xác, kết hợp với thực tiễn của tác giả, nên sử dụng van kim có thể điều chỉnh lưu lượng cho van cấp khí. Trong quá trình-điều chỉnh tại chỗ, có thể sử dụng tiếng ồn tạo bọt để phân biệt: điều chỉnh lượng nạp qua van kim cho đến khi giảm thiểu tiếng ồn tạo bọt (một số hệ thống có thể loại bỏ hoàn toàn tiếng ồn nhưng một số hệ thống chỉ có thể giảm tiếng ồn tạo bọt chứ không loại bỏ hoàn toàn), sau đó điều chỉnh van kim lùi lại một chút để giảm lượng nạp, quan sát hoạt động trong một khoảng thời gian cho đến khi không xảy ra bất thường về hiệu suất trong các điều kiện vận hành được chỉ định khác nhau, sau đó khóa mở van kim. Phương pháp này không bao giờ nên giảm âm thanh xuống mức thấp nhất! Nếu áp suất đầu vào dương khi máy bơm ngừng chạy thì nên lắp đặt van một chiều để tránh rò rỉ.
7) Nghiên cứu đã phát hiện ra rằng khi môi trường chứa các khí dễ bay hơi và các hạt rắn như cát, hiệu suất tạo bọt của máy bơm sẽ giảm. Để đảm bảo máy bơm không gặp hiện tượng xâm thực, chiều cao hút của máy bơm phải giảm ít nhất 4,2 mét so với chiều cao tính toán của nước sạch. Điều này đáng được quan tâm trong ngành công nghiệp thành phố.
