Кавитационный запас насоса (NPSH): что это и как рассчитать

Кавитационный запас — это превышение давления на входе в насос над давлением насыщенных паров жидкости, выраженное в метрах. В зарубежных паспортах тот же параметр называют NPSH (Net Positive Suction Head). Если запаса не хватает, на входе в рабочее колесо появляются пузырьки пара. Начинается кавитация: шум, вибрация, падение напора и эрозия колеса.

Что такое кавитационный запас простыми словами

Вода кипит не только от нагрева, но и от падения давления. В горах она закипает ниже 100 °C, а в разрежении может вскипеть и при комнатной температуре. На входе в рабочее колесо давление всегда ниже, чем в трубе перед насосом: поток разгоняется, и часть энергии уходит в скорость.

Кавитационный запас — это «подушка» давления, которая остаётся у воды до точки кипения. Пока подушка толще, чем нужно конкретному насосу, пар не образуется. Как только она становится тоньше, начинается кавитация.

NPSH насоса: что это, NPSHr и NPSHa

В расчёте всегда участвуют две величины, и путать их нельзя.

В отечественных паспортах требуемому запасу соответствует допускаемый кавитационный запас Δhдоп, в котором уже заложена небольшая страховка. Условие работы без кавитации одно: располагаемый запас должен быть больше требуемого. Сверху обычно оставляют не меньше 0,5–1 м.

Требуемый запас растёт с подачей. Поэтому сравнивать надо в рабочей точке, а не при номинальном расходе. Где искать NPSHr на графике, разобрано в статье как читать характеристики насоса.

Как рассчитать кавитационный запас системы

Располагаемый запас считают от атмосферного давления над уровнем воды:

NPSHa = Hатм − Hп ± Hг − Hпот

• Hатм — атмосферное давление в метрах водяного столба: около 10,3 м на уровне моря;
• Hп — давление насыщенных паров воды при её температуре, тоже в метрах;
• Hг — высота уровня воды относительно входа в насос: плюс, если вода выше насоса, минус, если насос её поднимает;
• Hпот — потери напора во всасывающей линии: трение, повороты, фильтр, клапан.

Температура воды влияет сильнее, чем кажется. Давление паров быстро растёт с нагревом, и горячая вода вскипает на входе гораздо легче холодной.

Высота над уровнем моря тоже съедает запас. На 1000 м атмосфера даёт около 9,2 м водяного столба, на 2000 м — около 8,1 м.

Пример расчёта

Поверхностный насос забирает воду из колодца. Уровень воды на 5 м ниже входа в насос, потери во всасывающей трубе с клапаном — 1 м, вода 20 °C, объект на равнине.

NPSHa = 10,3 − 0,24 − 5 − 1 ≈ 4,1 м.

Допустим, в рабочей точке насосу нужно 3 м. Запас 4,1 − 3 = 1,1 м, значит, работать можно. Теперь опустим уровень воды до 7 м ниже насоса: NPSHa ≈ 2,1 м, и насос уже кавитирует. Тот же результат даст вода 60 °C при прежних 5 м: 10,3 − 2,07 − 5 − 1 ≈ 2,2 м.

Высота всасывания насоса: почему поверхностный не поднимает воду глубже 8 м

Теоретический предел всасывания — высота водяного столба, который удерживает атмосфера, то есть около 10,3 м. На практике из него вычитают давление паров, потери во всасывающей линии и требуемый запас самого насоса. Остаётся 7–8 м, а у многих бытовых станций и того меньше. Как с этим пределом работает самовсасывающий насос, объясняет отдельная статья.

Поэтому из глубоких колодцев и скважин воду не тянут сверху, а опускают в них погружной насос. Как выбрать схему, разобрано в сравнении погружного и поверхностного насоса.

Кавитационный запас у погружного насоса

Погружной насос стоит под водой, и уровень над входом работает как подпор: в формуле он идёт со знаком плюс. Всасывающей трубы нет, потерь на всасе почти нет. Поэтому у погружных машин располагаемый запас обычно заметно больше требуемого. Так работают все дренажные насосы Grindex — от компактного Minor до промышленного Mega.

Кавитация у погружного насоса всё же возможна: на горячей воде, высоко в горах или при работе далеко справа по кривой, когда напор мал, а подача велика. Однако чаще под «кавитацией» скрывается другое — воронка и подсос воздуха при слишком низком уровне. Звучит похоже, но лечится иначе: минимальным погружением и автоматикой по уровню. Подробнее — в статье об остаточном уровне откачки.

Как увеличить кавитационный запас

• опустить насос ближе к уровню воды или поставить его под залив;
• укоротить всасывающую линию и увеличить её диаметр, чтобы снизить скорость и потери;
• убрать лишние повороты, почистить фильтр и приёмный клапан;
• не допускать подачи больше расчётной: прикрыть задвижку на напорной линии, но никогда — на всасе;
• горячую воду подавать с подпором, ставя насос ниже ёмкости.

Частые вопросы

Что такое NPSH насоса? Это английское обозначение кавитационного запаса, Net Positive Suction Head. NPSHr требует насос, NPSHa даёт система.

Какой кавитационный запас считается достаточным? Такой, при котором располагаемый запас больше требуемого хотя бы на 0,5–1 м во всём рабочем диапазоне подач.

Где взять NPSHr? В паспорте или на графике характеристик: это отдельная кривая, обычно под кривой напора. Если её нет, запросите у производителя.

Можно ли прикрыть задвижку на всасе, чтобы снизить подачу? Нет. Это добавит потерь на всасе и уменьшит располагаемый запас, то есть насос скорее закавитирует. Подачу регулируют задвижкой на напорной линии.

Вывод: кавитационный запас — проверка того, хватит ли давления на входе, чтобы вода не закипела в насосе. Считайте располагаемый запас системы, сравнивайте его с требуемым в рабочей точке и оставляйте сверху 0,5–1 м. Погружные машины эту проблему в основном снимают — линейка в обзоре дренажных насосов Grindex. Производитель оборудования — шведская компания Grindex.