Phân tích hiện tượng xâm thực cánh quạt bơm ly tâm

1. Bản chất của hiện tượng xâm thực
Hiện tượng xâm thực (cavitation), một quá trình phá hủy kết hợp giữa vật lý và hóa học, diễn ra qua ba giai đoạn:

Hiện tượng bay hơi cục bộ: Khi áp suất cục bộ tại cửa hút cánh quạt hoặc vùng áp suất thấp giảm xuống dưới áp suất hơi bão hòa của chất lỏng ở nhiệt độ hoạt động, chất lỏng sẽ sôi, tạo ra nhiều bọt hơi (khoang).

Sự vỡ và hư hại của bong bóng: Những bong bóng này được dòng chảy đưa vào vùng áp suất cao của cánh quạt, nơi áp suất xung quanh tăng đột ngột, khiến chúng vỡ gần như ngay lập tức. Sự vỡ này tạo ra sóng xung kích mạnh và các tia siêu nhỏ với áp suất cục bộ đạt đến hàng trăm megapascal, tác động trong vòng vài micro giây và trên các khu vực có kích thước micromet.

Mỏi vật liệu và ăn mòn: Các sóng xung kích này liên tục tác động lên bề mặt kim loại của cánh quạt (hàng nghìn lần mỗi giây), gây ra hiện tượng mỏi cơ học và ăn mòn. Điều này làm bong tróc dần các hạt kim loại, dẫn đến hiện tượng ăn mòn dạng rỗ, dạng tổ ong hoặc dạng xốp trên bề mặt.

2. Các mối nguy hiểm cụ thể của hiện tượng xâm thực đối với máy bơm

Suy giảm hiệu suất: Bọt hơi làm tắc nghẽn các kênh dẫn dòng, phá vỡ sự liên tục của chất lỏng và gây ra sự sụt giảm đáng kể về lưu lượng, cột áp và hiệu suất của bơm, thường tạo ra điểm gãy trong đường cong hiệu suất.

Rung động & Tiếng ồn: Sự hình thành và vỡ đột ngột của các bọt khí gây ra rung động mạnh cho bơm và tiếng lách tách hoặc tiếng rít đặc trưng, ​​ảnh hưởng đến sự ổn định và môi trường làm việc.

Hư hỏng cánh quạt:

Rỗ cơ học: Tạo ra hiện tượng ăn mòn dạng tổ ong đặc trưng.

Ăn mòn điện hóa: Năng lượng giải phóng trong quá trình sụp đổ phá hủy lớp màng thụ động bảo vệ của cánh quạt (đặc biệt quan trọng đối với thép không gỉ), đẩy nhanh quá trình ăn mòn hóa học. Sự kết hợp này dẫn đến sự hao hụt vật liệu cực kỳ nhanh chóng.

Trong trường hợp nghiêm trọng, có thể dẫn đến thủng cánh quạt và hỏng hoàn toàn bơm.

Giảm tuổi thọ sử dụng: Hư hỏng cánh quạt, cùng với sự mài mòn nhanh chóng của ổ bi và phớt do rung động, làm giảm đáng kể khoảng thời gian bảo trì và tuổi thọ tổng thể của bơm.

3. Nhận dạng & Chẩn đoán

Âm thanh: Tiếng lách tách, nổ lụp bụp hoặc tiếng rít liên tục phát ra từ máy bơm, giống như tiếng bơm sỏi.

Hiệu năng: Ở tốc độ và vị trí van không đổi, sự giảm đột ngột hoặc từ từ về lưu lượng, áp suất xả (cột áp) và dòng điện động cơ (công suất tiêu thụ).

Rung động: Chỉ số rung động của bơm cao bất thường, đặc biệt là theo hướng trục.

Kiểm tra trực quan: Sau khi tháo dỡ, việc quan sát cho thấy các vết rỗ dạng tổ ong đặc trưng ở mặt sau của các cạnh cửa hút gió của cánh quạt (vùng áp suất thấp).

4. Nguyên nhân chính (trong hệ thống nước tuần hoàn)

Thiếu NPSH khả dụng (NPSHa): Nguyên nhân gốc rễ.

Độ cao bơm quá mức: Bơm được lắp đặt quá cao so với mực chất lỏng cấp vào.

Tổn thất áp suất đường ống hút quá mức: Đường ống hút quá dài, quá hẹp, có quá nhiều đoạn cong hoặc có bộ lọc/lưới lọc/van chân bị tắc nghẽn sẽ làm tăng tổn thất áp suất.

Nhiệt độ chất lỏng cao: Trao đổi nhiệt kém hoặc tải nhiệt cao trong hệ thống làm tăng nhiệt độ nước và áp suất hơi của nó, làm giảm NPSHa.

Áp suất hệ thống thấp: Sự dao động áp suất hoặc lượng nước bổ sung không đủ trong các hệ thống kín làm giảm áp suất trong bình hút.

NPSH yêu cầu cao của bơm (NPSHr):

Thiết kế bơm kém hoặc hình dạng cửa hút cánh quạt không thuận lợi/tốc độ dòng chảy đầu vào cao.

Hiện tượng mòn hoặc tắc nghẽn cánh quạt làm ảnh hưởng đến thiết kế thủy lực ban đầu.

5. Phòng ngừa & Giải pháp

Tối ưu hóa thiết kế hệ thống (Tăng NPSHa):

Hạ thấp chiều cao lắp đặt bơm; sử dụng phương pháp hút ngập (mực chất lỏng cao hơn tâm bơm) bất cứ khi nào có thể.

Tối ưu hóa đường ống hút: Rút ngắn chiều dài, tăng đường kính, giảm thiểu các khớp nối/van và vệ sinh bộ lọc/lưới lọc thường xuyên.

Kiểm soát nhiệt độ chất lỏng: Đảm bảo hoạt động hiệu quả của tháp giải nhiệt, bộ trao đổi nhiệt, v.v.

Ổn định áp suất hệ thống: Duy trì áp suất và lượng khí bổ sung thích hợp trong các hệ thống kín.

Lựa chọn và điều chỉnh phù hợp (Giảm NPSHr):

Chọn máy bơm có biên độ an toàn lớn: Đảm bảo NPSHa > NPSHr có biên độ an toàn đủ lớn (thường ≥ 0,5-1,0 m).

Hãy chọn máy bơm chống xâm thực: Các mẫu có cánh quạt hút kép (tốc độ hút thấp hơn) hoặc cánh dẫn hướng.

Điều chỉnh cánh quạt: Thay thế cánh quạt tiêu chuẩn bằng loại chống xâm thực (có mép cửa hút dày hơn, hình dạng khí động học đặc biệt) hoặc định hình lại/cắt gọt chuyên nghiệp phần cửa hút của cánh quạt tiêu chuẩn thành hình dạng sắc nét và mỏng hơn.

Vận hành & Bảo trì:

Phủ cứng/Lớp phủ: Áp dụng các vật liệu chống ăn mòn (ví dụ: hợp kim gốc coban, cacbua vonfram) thông qua phương pháp phủ laser, phun plasma hoặc hàn phủ.

Lớp phủ polymer: Sử dụng lớp phủ epoxy hiệu suất cao cho các ứng dụng ít quan trọng hơn.

Cần sửa chữa hoặc thay thế cánh quạt bị hư hỏng kịp thời.

Tránh vận hành ở lưu lượng thấp: Sự tuần hoàn bên trong ở lưu lượng thấp sẽ thúc đẩy hiện tượng xâm thực. Vận hành trong phạm vi hoạt động tối ưu (BEP) của bơm.

Sử dụng bộ điều khiển tần số biến đổi (VFD): Giảm tốc độ bơm sẽ làm giảm đáng kể NPSHr (tỷ lệ thuận với bình phương tốc độ), đây là một giải pháp hiệu quả.

Bảo vệ và sửa chữa bề mặt:

Bản tóm tắt
Hiện tượng xâm thực cánh quạt trong bơm ly tâm là một vấn đề mang tính hệ thống phát sinh từ sự mất cân bằng khi áp suất hút dương thực có sẵn (NPSHa) của hệ thống không đủ để đáp ứng áp suất hút dương thực cần thiết (NPSHr) của bơm. Giải pháp nằm ở phương pháp kép: tăng nguồn cung và giảm nhu cầu – tăng NPSHa của hệ thống đồng thời giảm NPSHr của bơm. Thông qua thiết kế, lựa chọn, vận hành và bảo trì có hệ thống, hiện tượng xâm thực có thể được ngăn ngừa và quản lý hiệu quả.