В нашем предыдущем эссе - ЧТО ТАКОЕ КАВИТАЦИЯ мы разбирали одно из самых разрушительно действующих явлений в насосах.
Кратко упомянутый при учёте расчёта кавитационного запаса параметр NPSH неимоверно важен и требует гораздо более подробного рассмотрения. Теории расчёта, физический смысл, практическое применение - всё это необходимо как при проектировании, так и при эксплуатации готовых систем, включающих в себя насосы.
Что такое NPSH?
NPSH – это аббревиатура от Net Positive Suction Head (чистая положительная высота всасывания), в российской традиционной инженерной школе чаще использовалось обозначение «допустимый кавитационный запас».
По сути, это минимальный положительный подпор на входе в насос, при котором насос выдаёт свои паспортные данные, не кавитируя. Иногда полагают, что эта цифра означает, с какой глубины насос может поднять воду, однако NPSH лишь помогает посчитать её.
Различаем следующие условные сокращения:
NPSHa (available) – Имеющийся кавитационный запас системы.
NPSHr (required) – Требующийся кавитационный запас насоса.
NPSH3 – Кавитационный запас насоса при падении давления на 3 % от заявленной рабочей точки (фактически самое начало сваливания работы насоса в кавитационный режим работы).
Чуть подробнее представим себе, как работает насос. Сам по себе, в безвоздушном пространстве, он не имеет смысла. Насос и его гидравлическая система (трубопроводы, задвижки, клапаны, изгибы, заужения и т.д.) неразрывно связаны и взаимно влияют друг на друга. Жидкость попадает в насос по трубам или шлангам, из насоса она по ним же перемещается на какое-либо расстояние, какую-то высоту, подаётся под давлением в какое-то оборудование и т.д.
Но возможности системы не всегда могут совпадать с параметрами насоса. И если на внешние признаки несовпадения насоса и системы и, как следствие, появления кавитации:
• повышенный шум, вибрация насоса или трубопровода,
• повышенный износ/деформация рабочего колеса насоса, при визуальном контроле,
• заметное падение напора насоса по установленным КИП,
обслуживающий персонал обратит внимание, отреагирует (как минимум остановит работу насоса), дело не дойдёт до критического разрушения насосной части.
Но на работающий на грани кавитационного срыва насос без внешних признаков могут не обращать внимание длительное время, что чревато непоправимыми последствиями для такого оборудования.

И тут на помощь специалисту по подбору или сотруднику эксплуатационной компании приходит неравенство, которое неукоснительно требует соблюдения для безкавитационной работы насоса:
NPSHa > NPSHr(3)
Самым простым вариантом проверки соблюдения этого неравенства будет сравнение данных о кавитационном запасе системы, предоставленным её проектировщиком, и данных из каталога производителя насоса. Кривая соотношения Q|H|NPSHr из паспорта производителя выглядит примерно так:
Но к сожалению, такая идеальная ситуация есть не всегда. И если NPSHr (или, что чаще, NPSHR3) насоса мы всегда можем взять из каталога, то NPSHa на практике приходится рассчитывать. Есть ряд методик расчёта.
Формула расчета NPSH
Для закрытой системы (работа насоса с подпором):
NPSH =
– абсолютное давление жидкости на входе в насос, Па,
ρ – плотность жидкости, кг/м3,
g – ускорение свободного падения, м/с2,
– скорость жидкости на входе в насос, м/с,
– давление насыщенных паров жидкости, Па,
– скоростной напор при входе в насос.
Или для открытой системы (самовсасывание):
NPSHa =
– атмосферное давление, в метрах,
– давление насыщенных паров жидкости при максимальной рабочей температуре жидкости, в барах,
– максимальная высота всасывания, в метрах,
– потери на трение во всасывающем трубопроводе при требуемой производительности насоса, в метрах.
Интересен также вариант расчета NPSHa на рабочей системе с открытой ёмкостью с установленным
насосом.
NPSHa =
В данном случае при всасывании второй операнд идет со знаком "–", а если система работает с подпором (под заливом), то с "+".
Для расчёта нам достаточно взять данные, и все они под рукой, и подставить в уравнение.
Пример.
Дано: насос консольный выкачивает воду температурой 20 градусов, с производительностью 100 м3 по трубе диаметром 100 мм с глубины 5 м из открытого резервуара.
Тогда
NPSHa =
-10,32м
(так как вода)
(табличные данные)
Итого
Теперь нам остается только сравнить полученное чиcло со значением NPSHr насоса при Q = 100 м3 и H = 22 м, указанным на диаграмме насоса.
Подытожим: неравенство NPSHa > NPSHr (5,68м > 5м) верно.
Значит, насос, работающий в этой системе, кавитировать не будет.
На практике принято брать запас не менее чем от 0,5 до 1 метра.
Цифры и подсчёты - это конечно правильно и замечательно, но как это запомнить, уложить и вообразить у себя в голове? Парадоксально-абстрактное аллегорическое описание процесса нам в помощь.
Представим, что у нас молекулы перекачиваемой жидкости – это овечки. Они могут находиться на высокогорном пастбище, или на равнине, или подниматься в гору, но все они должны попасть в загон для скота (насос), который находится на склоне горы.
Из загона волшебная флейта начинает звать овечек к себе (насос создает отрицательное давление на входе, разряжение). Овечек, которые поднимаются в гору, гонят 10 пастухов (10 метров водяного столба или одна атмосфера). И когда тропа широкая (диаметр всасывающей трубы достаточный), поворотов и преград на ней нет, овечки не сильно толстые (небольшая плотность жидкости) и не сильно цепляются шерстью друг за друга (малая вязкость жидкости), то они легко дойдут до загона. Но это ещё не гарантировано, если из загона (насоса) их отправляют на мясокомбинат быстрее, чем они успевают прибывать, тогда они перестают быть цельным стадом, разбредаются и начинают беситься и биться о стенки загона (начинается кавитация). Это разрушает стенки загона и даже может полностью остановить эту принудительную миграцию.

Овечки начинают беситься раньше, если им жарко (перекачиваются горячие жидкости) или они не испытывают чувство локтя (газированные жидкости). Тут как раз и нужны расчёты, которые помогают понять, как громко из загона должны доноситься звуки волшебной флейты (какое разрежение должен создавать насос на своём входе), или как много дополнительных пастухов нужно (какое избыточное давление, подвод системы с давлением на вход насоса), или может надо овечек держать на пастбище в горах выше загона, чтобы им было легко бежать под горку (положительный подпор на входе в насос). Иногда достаточно расширить тропу (увеличить диаметр трубы на всасывании), или не так быстро отправлять овечек на комбинат (взять насос с меньшими параметрами производительности).
Итак, возвращаемся в наш совсем не волшебный мир.
NPSHa – это возможности системы подавать жидкость в насос с достаточным избыточным давлением (положительным подпором), чтобы он не уходил в разрушительный процесс кавитации.
NPSHr – минимально достаточное избыточное давление при данной конкретной рабочей точке графика производительности насоса Q/H.
NPSH3 – минимальное избыточное давление при конкретной рабочей точке Q/H, при котором на 3 % падают расчётные параметры насоса (самое-самое начало кавитационных процессов).
NPSH3 всегда больше NPSHr.
В паспорте насоса по умолчанию принято указывать NPSH3.
NPSH3 и NPSHr насосов измеряются производителями вживую при натурных испытаниях серий.
Принцип действия насоса, конструктивное исполнение, точность изготовления и т.д. конечно влияют на этот параметр, например, у вихревого насоса кавитационный запас будет меньше, чем у центробежного, и в данном случае меньше значит лучше.
Всегда рассматривается баланс системы насос – гидравлика.
Невозможно рассчитать работоспособность системы без гидравлической схемы, указания жидкости и её температуры. На глазок, без точных цифр и характеристик, описывающих систему, результат будет слабо предсказуем.
Надеемся, наши труды не прошли зря, и эта статья принесёт пользу людям, желающим разобраться в физике работы насосов.
Нам очень нравится делиться знаниями и опытом, ведь именно мы находимся на стыке теории и практики. И это очень интересно!