การเกิดโพรงอากาศเป็นปัญหาที่พบบ่อยในระหว่างการทำงานของปั๊มแรงเหวี่ยง ซึ่งอาจทำให้ปั๊มสั่นสะเทือนและเสียงรบกวนเพิ่มขึ้น ประสิทธิภาพการทำงานลดลง และความเสียหายร้ายแรงต่อส่วนประกอบต่างๆ
บทความนี้ไม่ได้สำรวจความรู้ทางทฤษฎีระดับมืออาชีพเกี่ยวกับการเกิดโพรงอากาศ แต่เพียงพยายามใช้ภาษาที่ค่อนข้างง่ายเพื่อให้ข้อมูลเบื้องต้นโดยละเอียดเกี่ยวกับการเกิดโพรงอากาศหลายประเภททั่วไปในปั๊มหอยโข่ง อันตรายของการเกิดโพรงอากาศ และมาตรการที่ใช้ทั่วไปเพื่อปรับปรุงการเกิดโพรงอากาศที่ไซต์งาน
1. ประเภทของโพรงอากาศ
จากตำแหน่งที่เกิด การเกิดโพรงอากาศสามารถแบ่งออกเป็น โพรงอากาศแบบใบมีด โพรงอากาศแบบช่องว่าง โพรงอากาศหยาบ โพรงอากาศแบบโพรง และโพรงอากาศแบบไหลย้อน
(1) โพรงอากาศทางใบ
เมื่อการเกิดโพรงอากาศเกิดขึ้น การก่อตัวและการแตกของฟองอากาศส่วนใหญ่จะเกิดขึ้นที่ด้านหน้าและด้านหลังของใบพัด หรือที่เรียกว่าโพรงอากาศ (airfoil cavitation) ซึ่งเป็นรูปแบบหลักของการเกิดโพรงอากาศในปั๊มแรงเหวี่ยง เมื่อติดตั้งปั๊มสูงเกินไป แม้ว่าปั๊มจะทำงานภายใต้เงื่อนไขการออกแบบ ก็มีแนวโน้มที่จะเกิดบริเวณแรงดันต่ำ-ที่ด้านหลังของทางเข้าและทางออกของใบพัด:
1) เมื่อปั๊มทำงานภายใต้สภาวะการไหลสูง การแยกการไหลและกระแสน้ำวนจะเกิดขึ้นที่ขอบนำของใบพัด ทำให้เกิดแรงดันลบที่อาจทำให้เกิดโพรงอากาศที่ด้านหน้าของใบพัด
2) เมื่อปั๊มทำงานภายใต้สภาวะการไหลต่ำ จะเกิดกระแสน้ำวนที่ด้านหลังของใบพัด ทำให้เกิดโซนแรงดันต่ำ-และทำให้เกิดโพรงอากาศที่ด้านหลังของใบพัด
(2) โพรงอากาศในช่องว่าง
หมายถึงโพรงอากาศที่เกิดขึ้นเมื่อของเหลวไหลผ่านช่องแคบหรือช่องว่าง ทำให้ความเร็วการไหลเพิ่มขึ้นเฉพาะที่ และความดันต่อความดันไอของส่วนประกอบการไหลลดลง
ที่ช่องว่างระหว่างวงแหวนต้านทานการสึกหรอ-ของปลอกปั๊มแรงเหวี่ยงและขอบด้านนอก (แผ่นปิด) ของใบพัด ภายใต้ความแตกต่างของแรงดัน (โดยเฉพาะอย่างยิ่งความแตกต่างของแรงดันขนาดใหญ่) ที่ทั้งสองด้านของทางเข้าและทางออกของใบพัด ของเหลวที่ฝั่งทางออกจะไหลกลับด้วยความเร็วสูง ทำให้แรงดันเฉพาะจุดและการเกิดโพรงอากาศลดลง
ในช่องว่างเล็กๆ ระหว่างขอบด้านนอกของใบพัดปั๊มไหลตามแนวแกนและตัวเรือนปั๊ม ภายใต้การกระทำของความแตกต่างของความดันระหว่างด้านหน้าและด้านหลังของใบพัด ความเร็วการไหลย้อนกลับสูงของของเหลวในช่องว่างยังสามารถทำให้เกิดแรงดันในท้องถิ่นลดลง ส่งผลให้เกิดโพรงอากาศที่ขอบด้านนอกที่สอดคล้องกันของใบพัดในท่อปั๊ม และสร้างโซนโพรงรังผึ้งและพื้นผิวขรุขระที่ขอบด้านนอกของใบพัดและใบพัด
(3) การเกิดโพรงอากาศแบบหยาบ
การเกิดโพรงอากาศแบบหยาบหมายถึงการสร้างกระแสน้ำวนที่ปลายน้ำของส่วนที่ยื่นออกมาเมื่อของเหลวไหลผ่านพื้นผิวที่ไม่เรียบของส่วนประกอบที่มีการไหลหยาบภายในท่อปั๊ม ทำให้เกิดแรงดันเฉพาะจุดลดลงและนำไปสู่การเกิดโพรงอากาศ
ในระหว่างการหล่อและการประมวลผลส่วนประกอบการไหลของปั๊ม ความไม่สม่ำเสมอของพื้นผิว รูทราย รูอากาศ ฯลฯ อาจทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงอย่างฉับพลันในสถานะการไหลเฉพาะที่และส่งผลให้เกิดโพรงอากาศ
(4) โพรงอากาศในโพรง
การเกิดโพรงอากาศในโพรงหมายถึงการก่อตัวของแถบกระแสน้ำวนแบบเกลียวในห้องดูดที่ทางเข้าของปั๊ม เนื่องจากสภาพน้ำเข้าไม่ดีหรือมีความลึกใต้น้ำไม่เพียงพอ เมื่อความดันศูนย์กลางของสายพานวอร์เท็กซ์ลดลงจนถึงความดันไอ การเกิดโพรงอากาศจะเกิดขึ้นพร้อมกับการสั่นสะเทือนที่รุนแรง
(5) โพรงอากาศไหลย้อน
โดยทั่วไปแล้ว ข้อกำหนดเบื้องต้นสำหรับการเกิดโพรงอากาศคือ NPSHa
เมื่ออัตราการไหลของปั๊มต่ำเกินไปหรือแรงดันขาเข้าสูงเกินไป จะเกิดการไหลย้อนกลับ เมื่ออัตราการไหลของปั๊มต่ำเกินไป การไหลย้อนภายในจะเกิดขึ้นที่ทางเข้าของใบพัด เมื่อแรงดันขาเข้าของปั๊มสูงเกินไป การไหลย้อนกลับภายในจะเกิดขึ้นที่ทางออกของใบพัด กรดไหลย้อนภายในทำให้อัตราการไหลของของเหลวเพิ่มขึ้นจนกระทั่งการระเหยกลายเป็นฟอง ซึ่งจะแตกออกภายใต้แรงกดดันโดยรอบที่สูงขึ้น เมื่อการไหลย้อนกลับภายในเกิดขึ้นที่ช่องดูด เสียงแคร็กที่ผิดปกติจะถูกปล่อยออกมารอบๆ ช่องดูดของปั๊ม พร้อมด้วยเสียงระเบิดที่มีความเข้มสูง-
โดยทั่วไปสามารถปรับปรุงการเกิดโพรงอากาศในกรดไหลย้อนได้ด้วยวิธีการต่อไปนี้:
1) เพิ่มอัตราการไหลของเอาท์พุตของปั๊ม
2) ติดตั้งทางเบี่ยงระหว่างทางเข้าและทางออกของปั๊ม (วิธีนี้เป็นเรื่องยากสำหรับลูกค้าที่จะยอมรับในการใช้งานจริง)
3) ปรับโครงสร้างของใบพัดให้เหมาะสม (ลดพื้นที่ทางเข้าของใบพัด)
2. อันตรายจากการเกิดโพรงอากาศ
(1) ประสิทธิภาพการทำงานลดลง ความเสียหายของท่อ
การเกิดโพรงอากาศสามารถลดประสิทธิภาพของปั๊มได้อย่างมาก โดยปกติแล้ว สำหรับปั๊มหอยโข่ง เมื่อแรงดันขาเข้าลดลงถึงระดับหนึ่ง ประสิทธิภาพการทำงานของปั๊มจะลดลงอย่างรวดเร็ว ซึ่งเรียกอีกอย่างว่าการแตกหักของโพรงอากาศ การเกิดโพรงอากาศอาจทำให้เกิดความไม่เสถียรภายในของไหล ซึ่งอาจนำไปสู่การผันผวนของการไหลและความดัน ด้วยความช่วยเหลือจากการแกว่งเหล่านี้ อาจทำให้ปั๊มและท่อทางเข้าและทางออกเสียหายได้
(2) ความเสียหายร้ายแรงต่อส่วนประกอบกระแสเกินของปั๊ม
การเกิดโพรงอากาศอาจทำให้พื้นผิวของส่วนประกอบเสียหายได้ เมื่อฟองสบู่แตก ของเหลวที่อยู่รอบๆ จะสร้างแรงดันกระแทกที่สูงมาก (ความดันสูงสุด) สูงถึง 49 MPa เมื่อความแข็งแรงไฮดรอลิกของคาวิเทชั่นเกินความสามารถของวัสดุในการต้านทานผลกระทบนี้ อาจนำไปสู่ความล้มเหลวของความล้าของวัสดุผนังในท้องถิ่นและการหลุดออกของวัสดุพื้นผิวได้ การเกิดโพรงอากาศเกิดขึ้นพร้อมกันกับการกัดกร่อนทางเคมีและไฟฟ้าเคมี ขนาดของหลุมที่เกิดจากการกัดกร่อนและการเสียรูปพลาสติกของวัสดุในระยะแรกของการเกิดโพรงอากาศคือประมาณ 10 μ m ถึง 50 μ m โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับวัสดุบางชนิดที่มีความต้านทานการกัดกร่อนต่ำ ซึ่งอาจแสดงโครงสร้างคล้ายรวงผึ้งภายใต้การเกิดโพรงอากาศในระยะยาว-
(3) สร้างการสั่นสะเทือนและเสียงรบกวน
ในขณะที่ฟองสบู่ควบแน่น หดตัว และแตกออก ของเหลวรอบๆ ฟองจะเติมช่องว่างด้วยความเร็วสูง (เกิดจากการควบแน่นและการแตกของฟอง) ทำให้เกิดแรงกดเป็นจังหวะ ทำให้เกิดการสั่นสะเทือนและเสียงรบกวนที่น่าตื่นเต้น โดยทั่วไปความถี่ของเสียงคาวิเทชันจะอยู่ระหว่าง 10 kHz ถึง 100 kHz ในขณะที่ความถี่ของเสียงคาวิเทชันที่เกิดจากกรดไหลย้อนและการเต้นเป็นจังหวะของแรงดันจะอยู่ที่ประมาณสองสามร้อยเฮิรตซ์ ซึ่งทำให้หูของมนุษย์ไวต่อความรู้สึกเป็นพิเศษ ในเวลาเดียวกัน การเกิดโพรงอากาศยังสามารถกระตุ้นการสั่นสะเทือนได้ และความถี่หลักของการสั่นสะเทือนที่เกิดจากการเกิดโพรงอากาศโดยทั่วไปจะอยู่ที่ประมาณ 1 kHz
การเกิดโพรงอากาศไม่เพียงแต่มีระดับเสียงรบกวนที่สูงเท่านั้น แต่ยังรวมถึงตัวบ่งชี้การสั่นสะเทือนด้วย เช่น ฐานปั๊มมีความแข็งไม่เพียงพอและการรองรับท่อไม่ดี ซึ่งอาจทำให้เกิดการสั่นพ้องของโครงสร้างได้ หลังจากติดตั้งปั๊มแล้ว ฐานจะเต็มไปด้วยคอนกรีต และความแข็งแกร่งในการรองรับของท่อก็เพียงพอแล้ว ซึ่งโดยทั่วไปจะไม่ทำให้เกิดปรากฏการณ์การสั่นสะเทือนที่รุนแรง อย่างไรก็ตาม จากการตรวจวัดการสั่นสะเทือนบนตัวปั๊ม องค์ประกอบความถี่สูง-ของความถี่การสั่นสะเทือนที่สร้างโดยคาวิเทชั่นมีความโดดเด่น และค่าความเร่งของการสั่นสะเทือนจะสูงกว่าการเคลื่อนที่ของการสั่นสะเทือนและความเร็วการสั่นสะเทือน
3. มาตรการทั่วไปเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการเกิดโพรงอากาศ
(1) มาตรการปรับปรุงประสิทธิภาพการป้องกันการเกิดโพรงอากาศของปั๊มแรงเหวี่ยงเอง
1) ปรับปรุงการออกแบบช่องดูดของปั๊ม
โดยการเจียรใบพัดจะทำให้พื้นที่การไหลเพิ่มขึ้น
เพิ่มรัศมีความโค้งของส่วนทางเข้าของแผ่นครอบใบพัดเพื่อลดการเร่งความเร็วและแรงดันตกอย่างรวดเร็วของการไหลของของเหลว
ลดความหนาของทางเข้าของใบมีดอย่างเหมาะสมและปัดเศษของทางเข้าของใบมีด (ขัดหัวใบมีด ลับให้คมเพื่อลดการสูญเสียแรงกระแทกของทางเข้า และลดความไวของมุมทางเข้า และค่าเผื่อการเกิดโพรงอากาศที่จำเป็นสามารถลดลงได้ประมาณ 0.5 เมตร) ทำให้ใกล้กับรูปทรงเพรียวลม และยังลดการเร่งความเร็วและแรงดันตกรอบหัวใบมีดอีกด้วย
ปรับปรุงความเรียบพื้นผิวของใบพัดและทางเข้าของใบมีดเพื่อลดการสูญเสียความต้านทาน
ขยายขอบทางเข้าของใบพัดไปทางทางเข้าของใบพัดเพื่อให้ของเหลวไหลเข้างานล่วงหน้าและเพิ่มแรงดัน
2) เพิ่มล้อเหนี่ยวนำหน้า
ทำให้การไหลของของเหลวทำงานล่วงหน้าในล้อเหนี่ยวนำด้านหน้าเพื่อเพิ่มแรงดันการไหลของของเหลว (โครงร่างนี้จำเป็นต้องมีการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างและการสอบเทียบพารามิเตอร์การออกแบบต่างๆ ใหม่)
3) ใช้ใบพัดดูดคู่
เพิ่มพื้นที่ทางเข้าของใบพัดและลดอัตราการไหลของของเหลวขาเข้า (ลดอัตราการไหลและเพิ่มความดัน)
4) ใช้มุมบวกที่ใหญ่ขึ้นเล็กน้อยในการโจมตี
ในการเพิ่มมุมทางเข้าของใบมีด ให้ลดการโค้งงอที่ทางเข้าของใบมีด ลดการอุดตันของใบมีด และเพิ่มพื้นที่ทางเข้า
ปรับปรุงสภาพการทำงานภายใต้สภาวะการไหลสูงเพื่อลดการสูญเสียการไหล แต่มุมการโจมตีเชิงบวกไม่ควรใหญ่เกินไป ไม่เช่นนั้นจะส่งผลต่อประสิทธิภาพ
5) การใช้ปั๊มความเร็วต่ำ-
ยิ่งความเร็วในการหมุนต่ำลง NPSHr ก็จะยิ่งน้อยลง
6) การใช้วัสดุป้องกันการเกิดโพรงอากาศ
การปฏิบัติได้พิสูจน์แล้วว่ายิ่งมีความแข็งแรง ความแข็ง และความเหนียวของวัสดุสูงเท่าไร ความคงตัวทางเคมีก็จะดีขึ้น และความต้านทานต่อการเกิดโพรงอากาศก็จะยิ่งแข็งแกร่งขึ้นเท่านั้น
(2) มาตรการเพื่อเพิ่มค่าเผื่อการเกิดโพรงอากาศของอุปกรณ์
1) เพิ่มความดันของระดับของเหลวในถังเก็บก่อนปั๊มเพื่อปรับปรุงค่าเผื่อการเกิดโพรงอากาศที่มีประสิทธิภาพ
2) ลดความสูงในการติดตั้งของปั๊มในอุปกรณ์ดูด โดยเฉพาะเมื่อลำเลียงน้ำร้อนเป็นตัวกลาง และพิจารณาความสัมพันธ์ระหว่างความสูงในการดูดและอุณหภูมิปานกลาง
3) เปลี่ยนอุปกรณ์ดูดด้วยอุปกรณ์ไหลย้อนกลับ
4) ลดการสูญเสียการไหลในท่อดูดก่อนปั๊ม หากเป็นไปได้ ให้ตัดท่อให้สั้นลงภายในช่วงที่ต้องการ ใช้เส้นผ่านศูนย์กลางท่อดูดและพื้นที่กรองที่เหมาะสม (ถ้ามี) เพื่อลดอัตราการไหลของท่อ ลดจำนวนโค้งงอและวาล์ว และเพิ่มการเปิดวาล์วให้มากที่สุด
5) ถ้าช่องว่างคาวิเทชั่นรุนแรง สามารถใช้วิธีการเจาะรูบาลานซ์บนใบพัดเพื่อลดอัตราการไหลของการรั่วไหล และลดระดับของคาวิเทชั่นได้ รูบาลานซ์บนใบมีดมีผลกระทบแบบทำลายล้างและรบกวนการไหลของของเหลวที่ถูกฉีดเข้าไปที่ทางเข้าของใบพัด พื้นที่ของรูบาลานซ์ไม่ควรน้อยกว่า 5 เท่าของพื้นที่ว่างของวงแหวนซีลเพื่อลดอัตราการไหลของการรั่วไหล ซึ่งจะช่วยลดผลกระทบต่อการไหลของของเหลวหลักและปรับปรุงความสามารถในการป้องกันการเกิดโพรงอากาศของปั๊ม
6) ประสบการณ์แสดงให้เห็นว่าการเริ่มต้นจากกลไกของการเกิดโพรงอากาศ การเติมก๊าซในปริมาณที่เหมาะสมไปยังช่องดูดสามารถขัดขวางสภาวะการเกิดโพรงอากาศที่จะเกิดขึ้นได้ อย่างไรก็ตาม การใช้การเติมอากาศเพื่อป้องกันการเกิดโพรงอากาศในปั๊มนั้นเป็นเทคนิคขั้นสูง และเฉพาะปริมาณ ตำแหน่ง และวิธีการเติมอากาศที่เหมาะสมเท่านั้นที่จะได้ผลลัพธ์ที่ดี มิฉะนั้นจะทำให้อัตราการไหล เฮด และประสิทธิภาพของปั๊มลดลงอย่างมาก และยังนำไปสู่การหยุดชะงักของการไหลและผลเสียระหว่างการทำงานอีกด้วย
เมื่อพิจารณาถึงความยากในการควบคุมปริมาณลมที่เหมาะสมและการวัดที่แม่นยำ ประกอบกับแนวปฏิบัติของผู้เขียน แนะนำให้ใช้วาล์วเข็มที่สามารถปรับอัตราการไหลของวาล์วจ่ายลมได้ ในระหว่างการปรับไซต์แบบ- เสียงคาวิเทชันสามารถใช้เพื่อแยกแยะ: ปรับปริมาตรไอดีผ่านวาล์วแบบเข็มจนกว่าเสียงคาวิเทชันจะลดลง (บางระบบสามารถกำจัดเสียงรบกวนได้อย่างสมบูรณ์ แต่บางระบบสามารถลดเสียงรบกวนจากคาวิเทชันได้เท่านั้น แต่ไม่สามารถกำจัดได้ทั้งหมด) จากนั้นปรับวาล์วเข็มกลับไปเล็กน้อยเพื่อลดปริมาตรไอดี สังเกตการทำงานเป็นระยะเวลาหนึ่งจนกระทั่งไม่มีความผิดปกติของประสิทธิภาพเกิดขึ้นภายใต้สภาวะการทำงานที่ระบุต่างๆ จากนั้นล็อคการเปิดของวาล์วเข็ม วิธีนี้ไม่ควรลดเสียงให้เหลือระดับต่ำสุดเด็ดขาด! หากแรงดันขาเข้าเป็นบวกเมื่อปั๊มหยุดทำงาน ควรติดตั้งเช็ควาล์วเพื่อป้องกันการรั่วซึม
7) การวิจัยพบว่าเมื่อตัวกลางประกอบด้วยก๊าซระเหยและอนุภาคของแข็ง เช่น ทราย ประสิทธิภาพการเกิดโพรงอากาศของปั๊มจะลดลง เพื่อให้แน่ใจว่าปั๊มไม่เกิดโพรงอากาศ ควรลดความสูงในการดูดของปั๊มลงอย่างน้อย 4.2 เมตร จากความสูงที่คำนวณได้ของน้ำสะอาด สิ่งนี้ควรค่าแก่การใส่ใจในอุตสาหกรรมเทศบาล