管道離心泵汽蝕現(xiàn)象分析及防汽蝕措施
時(shí)間：2014/3/17 來源：浙江揚(yáng)子江泵業(yè)有限公司
主要介紹了離心泵汽蝕現(xiàn)象及形成機(jī)理，重點(diǎn)突出了兩個(gè)主要概念：裝置汽蝕余量(NPSHa)和必需汽蝕余量(NPSHr)。對吸上裝置和倒灌裝置，分別給出了裝置汽蝕余量的計(jì)算公式。在此基礎(chǔ)上，列出了提高離心泵抗汽蝕能力的方法。
1、引言
離心泵因其性能平穩(wěn)、易操作和便于維修等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域和日常生活。效率和汽蝕余量是代表離心泵技術(shù)水平的兩個(gè)重要性能參數(shù)，兩者相互聯(lián)系、相互制約。設(shè)計(jì)時(shí)如過份追求效率指標(biāo)，則汽蝕余量指標(biāo)將會(huì)降低。泵一旦發(fā)生汽蝕，其流量揚(yáng)程性能會(huì)下降，還表現(xiàn)出噪聲、振動(dòng)明顯偏高，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使泵中液流中斷，不能正常工作。汽蝕還會(huì)對泵的過流部件產(chǎn)生破壞，甚至影響管路系統(tǒng)。
目前確定離心泵汽蝕余量指標(biāo)的可靠方法是試驗(yàn)測量。判別泵是否汽蝕的準(zhǔn)則是由美國水力標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(HIS) 制訂的性能下降法，也就是以揚(yáng)程下降3% 時(shí)測試系統(tǒng)的裝置汽蝕余量NPSHa為泵當(dāng)前流量點(diǎn)的汽蝕余量NPSHr。牟介剛等認(rèn)為泵在不同的使用條件下運(yùn)行，承受汽蝕破壞的程度有很大的差異。因此，對所有的泵都用同一判據(jù)來表征汽蝕性能并用同樣的方法來設(shè)計(jì)葉輪是不恰當(dāng)?shù)摹erry 認(rèn)為，應(yīng)當(dāng)根據(jù)介質(zhì)、泵比轉(zhuǎn)數(shù)以及葉輪外徑的不同對現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)方法得到的泵汽蝕余量進(jìn)行修正才能更準(zhǔn)確地描述泵的汽蝕特性。近年來，隨著計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展和測試手段的進(jìn)步，對汽蝕的研究由泵額定點(diǎn)汽蝕的發(fā)展機(jī)理轉(zhuǎn)向汽蝕模擬與診斷技術(shù)領(lǐng)域。從汽蝕余量計(jì)算公式出發(fā)，分析產(chǎn)生汽蝕的原因并提出防止離心泵汽蝕的措施。
2、汽蝕理論
離心泵工作時(shí)，葉輪由原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)作高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，迫使葉片間的液體也隨之作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，因離心力的作用，液體由葉輪中心向外緣作徑向運(yùn)動(dòng)，隨后進(jìn)入蝸殼。液體在流經(jīng)葉輪的運(yùn)動(dòng)過程中獲得動(dòng)能，液流進(jìn)入蝸殼后因過流面積的增大而減速，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓能。即通過泵的做功，液體從低壓變?yōu)楦邏簩?shí)現(xiàn)物料的輸送。
在離心泵葉輪入口處，由于液體向葉輪外緣流動(dòng)形成低壓區(qū)，而入口來流還未獲得葉輪的足夠能量，即使無外界熱量導(dǎo)入，也易于出現(xiàn)壓力低于液體氣化壓的情況，此時(shí)泵會(huì)產(chǎn)生空化汽蝕現(xiàn)象。汽蝕是液體在流動(dòng)中嬗變?yōu)槠w、再回歸為液體的過程，即汽泡產(chǎn)生、發(fā)展及破裂的過程，從汽泡產(chǎn)生到消失所用的時(shí)間極短，是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過程。汽化的結(jié)果就是在液體中產(chǎn)生很多汽泡，汽泡中充滿了液體蒸汽以及少量溶解于液體中的氣體。當(dāng)汽泡隨液體進(jìn)入高壓區(qū)時(shí)，汽泡就會(huì)迅速破裂，周圍液體迅速填充原汽泡空穴，產(chǎn)生巨大的屬于內(nèi)向爆炸性質(zhì)的冷凝沖擊，隨之蒸汽又重新凝結(jié)成液體，汽泡消失。汽泡破裂過程中，有一部分汽泡是附著在導(dǎo)流組件表面上破裂凝結(jié)成液體的，這部分液體如同無數(shù)細(xì)小的高頻撞擊錘撞擊金屬表面，造成金屬表面的侵蝕。
3、汽蝕參數(shù)
3.1、汽蝕余量NPSH
泵吸入口處單位質(zhì)量的液體超出液體汽化壓力的富裕能量(以m液柱計(jì))，稱汽蝕余量。其值等于從基準(zhǔn)面算起泵吸入口的總吸入壓力減去該液體的汽化壓力(絕壓，以m液柱計(jì))，即：
式中Ps———泵吸入口壓力，Pa
Pv———液體在該溫度下的汽化壓力，Pa
us———泵吸入口平均流速，m/s
ρ———液體密度，kg /m3
3.2、有效汽蝕余量NPSHa
有效汽蝕余量(NPSHa)，也即裝置汽蝕余量，是指泵所在裝置(或系統(tǒng)管路)所具有的汽蝕余量，其大小由吸入管路系統(tǒng)參數(shù)、安裝高度和管路中流量等決定的，與泵的結(jié)構(gòu)無關(guān)。該參數(shù)越大，泵越不容易汽蝕。式(1) 經(jīng)轉(zhuǎn)化可求出吸上或倒灌條件下的裝置汽蝕余量。
對上吸裝置：
對倒灌裝置：
式中P1———吸入液面壓力，Pa
hf———泵吸入管道阻力損失，Pa
h———吸入幾何高度，m
3.3、必需汽蝕余量NPSHr
必需汽蝕余量由泵制造廠根據(jù)試驗(yàn)或模型換算確定的汽蝕余量。其值與泵的結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)。該參數(shù)越小越好，參數(shù)小泵越不容易汽蝕。
我們認(rèn)為：選型時(shí)，泵須滿足下述條件：NPSHa - NPSHr≥0.5m，對易汽化的介質(zhì)須滿足NPSHa - NPSHr≥0.8m；當(dāng)NPSHa - NPSHr≤1m時(shí)，泵出廠必須做汽蝕性能試驗(yàn)，以確認(rèn)泵滿足選型要求。
4、防止汽蝕發(fā)生或減緩汽蝕破壞的措施
預(yù)防汽蝕發(fā)生或減緩汽蝕破壞，可以從兩方面著手：一方面從泵設(shè)計(jì)和制造考慮：改善葉輪進(jìn)口入液條件，降低泵的NPSHr，使泵的NPSHr 低于裝置汽蝕余量NPSHa，避免汽蝕發(fā)生；采用組織致密的高等級材質(zhì)制造葉輪，提高泵的抗汽蝕破壞能力；另一方面從泵的使用條件考慮：通過合理系統(tǒng)設(shè)計(jì)和設(shè)備選型、正確操作，使泵不會(huì)發(fā)生汽蝕。現(xiàn)分述如下：
(1) 適當(dāng)加大泵入口直徑和葉輪入口直徑，降低泵入口液體流速，降低NPSHr�；蛘咧苯硬捎秒p吸葉輪，因雙吸葉輪相當(dāng)于兩個(gè)單吸葉輪的入口面積，同樣流量條件進(jìn)口流速可降低一倍。
(2) 將葉片頭部背面修薄，改善葉片入口排擠，降低NPSHr�；蚣友b誘導(dǎo)輪，使液體進(jìn)入葉輪前增加了一定壓力能。
(3) 泵在接近汽蝕的狀態(tài)下工作，如采用組織致密的抗汽蝕材料(銅合金、不銹鋼等) 制造泵葉輪可以延長葉輪壽命。如用壓延的鋼板焊接的葉輪較鑄造的葉輪抗汽蝕能力強(qiáng)。也可以利用非金屬涂料采用環(huán)氧樹脂、尼龍、聚胺脂等對葉輪進(jìn)行涂層處理。
(4) 管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，泵的吸上高度盡可能低，條件許可就采用倒灌。配管時(shí)，適當(dāng)縮短吸入管長度、增大吸入管徑，在吸入路盡量減少不必要的閥門、彎頭數(shù)量，以減少吸入管的管路損失。
(5) 泵選型時(shí)，遇到裝置汽蝕余量低或介質(zhì)易汽化時(shí)，泵盡可能采用低轉(zhuǎn)速。
(6) 對易汽化介質(zhì)，做好管路的保溫降溫，避免所輸送液體的溫度升高。
(7) 泵在運(yùn)行過程中，應(yīng)利用泵出口閥控制流量在合理的范圍。泵偏大流量運(yùn)行時(shí)容易出現(xiàn)汽蝕現(xiàn)象。操作中，不允許用吸入管路閥門來調(diào)節(jié)流量。
(8) 泵出現(xiàn)汽蝕又無法改變其工藝條件時(shí)，可在泵入口加裝一個(gè)噴嘴，利用泵出口壓力，使其高壓液體回饋，以增大泵入口壓力，減小汽蝕的可能性。
5、處理汽蝕問題實(shí)例
某水廠2 臺(tái)取水泵運(yùn)行一段時(shí)間后，出現(xiàn)振動(dòng)、聲音也大，水泵盤根處有氣吸入，未見水向外滴落。解體后發(fā)現(xiàn)葉輪入口有許多凹坑，初步認(rèn)為泵發(fā)生了汽蝕。進(jìn)行排查發(fā)現(xiàn)：該泵設(shè)計(jì)流量7000m3 /h、揚(yáng)程56m，由于泵出口只有拍門，無流量控制閥，實(shí)際運(yùn)行流量8200m3 /h，也就是說泵長期在偏大流量工況運(yùn)行；其次，入口攔污柵處有樹枝和塑料袋等雜物堵塞。我們分析，造成泵汽蝕的原因是吸水管路阻力增加導(dǎo)致裝置汽蝕余量NPSHa 降低；而運(yùn)行流量的加大使得NPSHr 增大，終導(dǎo)致泵發(fā)生汽蝕。處置措施：將葉輪改為鋼板焊接的，將葉輪外徑減小到合適尺寸( 即控制運(yùn)行流量) ，并定期清理攔污柵，此后未出現(xiàn)汽蝕問題。
6、結(jié)語
綜上所述，為了避免汽蝕現(xiàn)象的產(chǎn)生，應(yīng)遵循幾點(diǎn)原則：泵的安裝高度必須低于泵的允許吸上高度；吸入管路在滿足管道應(yīng)力條件下應(yīng)短而直，管件盡量少，吸入管的直徑不應(yīng)小于吸入口的直徑；變徑處不能有氣體積存。泵一旦出現(xiàn)汽蝕，可結(jié)合工藝要求和操作環(huán)境，采用上述某一項(xiàng)或幾項(xiàng)措施來解決。
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