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BLOG ANSYS

January 30, 2020

Quali sono le cause della cavitazione della pompa e come prevenirla

Pompe, giranti ed eliche sono una parte fondamentale dell'infrastruttura quotidiana. Mantengono in funzione centrali elettriche, navi e impianti di produzione in tutto il mondo.

Una delle principali preoccupazioni per gli ingegneri che progettano e utilizzano queste macchine è quella di evitare la cavitazione, dove il fluido subisce improvvisi cambiamenti di fase che possono danneggiare fisicamente i meccanismi.


La cavitazione della pompa può danneggiare i meccanismi interni.

Per evitare ciò, gli ingegneri devono assicurarsi che l'attrezzatura giusta sia installata nel sistema giusto. Le simulazioni sono una soluzione conveniente per ottimizzare i progetti e le configurazioni delle pompe per evitare cambi di fase involontari.


Quali sono le cause della cavitazione?

La cavitazione si verifica quando bolle, o vuoti, si formano all'interno di un fluido perché la pressione scende rapidamente al di sotto della pressione di vapore. Quando le bolle subiscono pressioni più elevate, collassano, creando piccole onde d'urto che, nel tempo, danneggiano le parti. Quando queste onde di pressione perforano piccoli fori nelle parti, si parla di pitting.


Eliche bucate per cavitazione

Rumorosità, vibrazioni e prestazioni ridotte sono buoni indicatori della cavitazione della pompa. Quando iniziano questi segnali di avvertimento, gli ingegneri devono ispezionare l'apparecchiatura per vedere se si sono formati dei buchi.

Il pitting è una delle preoccupazioni principali per gli ingegneri. Questo perché man mano che le fosse crescono e si moltiplicano, possono ridurre la durata e l'efficienza della pompa.

Ma ci sono altri motivi per cui gli ingegneri vorranno ridurre la formazione di bolle nelle loro apparecchiature. Ad esempio, le onde di pressione possono produrre vibrazioni che potrebbero causare il cedimento di altre parti, come un cuscinetto.

Poiché la cavitazione della pompa influisce anche sulla portata e sull'efficienza di un progetto, gli ingegneri dovranno aumentare il consumo energetico per mantenere la produttività. Ciò comporta un aumento dei gas a effetto serra e dei costi del carburante.


Come prevenire la cavitazione della pompa

Il modo migliore per evitare che le pompe subiscano cavitazione è aumentare la pressione a monte del girante della pompa. Questa pressione è nota come net positive suction head (NPSH).


Una visualizzazione Ansys EnSight del volume dell'olio in una pompa gerotor mostra
estensione della cavitazione (rossa) sulla parete dell'ingranaggio.

Alcuni modi in cui gli ingegneri possono aumentare NPSH:

  • Aumentare il livello dell'acqua del serbatoio a monte
  • Aggiungere un induttore all'ingresso della pompa
  • Ottimizzare il design della girante
  • Minimizzare le perdite di flusso a monte
  • Azionare la pompa a portate più basse

Nella fase di progettazione, è improbabile che gli ingegneri sappiano come verrà installata una pompa all'interno di una determinata installazione. Pertanto, utilizzano calcoli e simulazioni per testare varie configurazioni per fornire agli utenti finali valutazioni NPSH appropriate. Queste classificazioni aiutano ad accoppiare una pompa a un'installazione.

Tradizionalmente, gli ingegneri usavano l'equazione di Rayleigh-Plesset per simulare la formazione di bolle. La sfida è che questi risultati sono empirici e possono restituire risultati non realistici se i parametri di input sono stati sintonizzati in modo errato.

In alternativa, gli ingegneri possono utilizzare un modello a cambiamento di fase di equilibrio in Ansys CFX per simulare la cavitazione. Questo utilizza le proprietà dei materiali per prevedere la formazione di bolle senza dati empirici. Di conseguenza, non richiede la messa a punto dell'equazione di Rayleigh-Plesset per produrre risultati accurati.

Gli ingegneri possono quindi parametrizzare la simulazione in modo da poter eseguire rapidamente cicli dei loro progetti attraverso varie configurazioni per produrre valutazioni NPSH. Possono anche creare un grafico che mostra come le riduzioni di NPSH ridurranno la prevalenza generata dalla pompa a causa di improvvisi cambiamenti di fase.

Per conoscere il modello di cambiamento di fase di equilibrio, dai un'occhiata a questo brief applicativo: Cavitation: A Critical CFD App You Have to Get Right.

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