浅谈离心泵汽蚀原理及控制措施

发表时间:2019/9/27   来源:《知识-力量》2019年10月43期   作者:贺彬彬
[导读] 利用离心泵叶轮内汽蚀两相流基本理论,分析了离心泵发生汽蚀的原因及其危害。通过汽蚀参数的讨论,得出了汽蚀发生的临界条件,提出了离心泵抗汽蚀能力的控制措施。
(山西大唐国际临汾热电有限责任公司,山西 临汾 041000)
摘要:利用离心泵叶轮内汽蚀两相流基本理论,分析了离心泵发生汽蚀的原因及其危害。通过汽蚀参数的讨论,得出了汽蚀发生的临界条件,提出了离心泵抗汽蚀能力的控制措施。
关键词:离心泵;汽蚀理论;汽蚀参数;控制措施

 
               离心泵对电力生产的正常运行起着至关重要的作用。在离心泵的性能参数中,效率指标和汽蚀余量是代表离心泵技术水平的两个重要性能参数。效率指标与汽蚀余量两个性能参数相互联系、相互矛盾,当效率指标偏高时,汽蚀余量将会降低。由于过分追求效率指标,往往牺牲了汽蚀余量指标,所以有必要进行深入的分析和研究,采取有效措施预防汽蚀现象发生。
              1 汽蚀原理
              汽蚀过程是流动的液体中汽泡产生、发展及破裂的过程,从汽泡产生到消失所用的时间极短,是一个复杂的动态过程。液体在泵中流动时,在流道内各处的压强是不相等的。当流体的绝对速度增加,由于流体的静压力降低,对于一定温度下流体的某些特定质点来说,虽无热量自外界输入,但已达到汽化压力,使得质点汽化,汽化的结果就是在液体中产生很多汽泡,汽泡中充满了液体蒸汽及少量溶解于液体中的气体。被汽化液体中所含的氧气及被汽化液体周围液体中的氧气从液体中析出,混入汽泡内的蒸汽中,汽泡随液体进入高压区,流体的静压力随之再次升高,当流体的静压力大于汽化压力时,汽泡就会迅速破裂,周围液体迅速填充原汽泡空穴,产生巨大的属于内向爆炸性质的冷凝冲击,随之蒸汽又重新凝结成液体,汽泡消失。破裂凝结成液体的这部分液体如同无数细小的高频撞击锤撞击金属表面,造成金属表面的浸蚀。
              2 水泵汽蚀的原因
              水的饱和蒸汽压力与水温有关。如泵内的最低压力高于该温度的饱和蒸汽压力,水就不会在泵内汽化生成汽泡,水泵就不会发生汽蚀。由于水泵安装过高,在设计工况下运行,叶片进口背面出现低压区,导致叶片背面发生汽蚀。当水泵流量大于设计流量时,叶轮进口相对速度的方向偏离设计方向,共夹角增大,叶片前缘正面发生脱流和漩涡,产生负压,可能出现汽化而引起叶片正面发生汽蚀。当流量小于设计流量时叶轮进口若悬河水流相对速度向相反方向偏离,夹角减小,叶片进口背面产生脱流和漩涡,出现低压区,是导致叶片背面汽蚀的原因之一。泵内水流通过突然变窄的间隙时,流速升高而压力降低,可能发生汽蚀。水泵过流部件铸造质量较差,表面粗糙不平,水流在突出物下游产生漩涡,引起局部压力降低,也会产生汽蚀。
              3 汽蚀的危害
              3.1 产生振动和噪音
              离心泵发生汽蚀时,汽泡进入高压区后会迅速缩小并破裂,周围液体质点将高速填充空穴,发生强烈水力冲击,产生振动和噪声。实测结果表明,汽蚀引起的振动频率范围为600-25000Hz,如该频率接近装置的固有频率,可引起强烈振动。由于汽泡破裂,造成液体微团间及液体微团与流道壁面间的撞击,因而会产生各种频率范围的噪声,汽蚀严重时,引起泵的振动和噪音,致使泵不能正常工作。
              3.2 泵的性能下降
              在发生汽蚀的初始阶段,泵的性能参数没有显著变化,对泵的外部特性亦无明显影响,但长期处在潜伏汽蚀工况下的工作部件会受到严重破坏。当汽蚀发展到一定程度,汽泡大量产生和破裂,流道被汽泡严重阻塞,破坏了泵内液体的连续性,使泵的流量、扬程、效率均明显下降,严重时致使泵吸不上液体。
              3.3 过流部件的汽蚀破坏
              汽泡在金属表面破裂时,金属表面受到连续强烈的水击,金属晶粒松动并剥落而呈海绵状,甚至出现空洞。汽蚀破坏除机械作用外,还伴有电解、化学腐蚀等多种复杂的作用,使材料受到破坏。
              4 汽蚀参数
              4.1 汽蚀余量NPSH
              泵吸入口处单位质量的液体超出液体汽化压力的富裕能量(以米液柱计),称汽蚀余量。其值等于从基准面算起泵吸入口的总吸入压力减去该液体的汽化压力(绝压,以米液柱计)。


              4.2 有效汽蚀余量NPSH a
              有效汽蚀余量NPSH a是泵装置系统确定的汽蚀余量,其大小由吸入管路系统参数和管路中流量所决定,与泵的结构无关。
              4.3 必需汽蚀余量NPSH r
              必需汽蚀余量NPSH r由泵制造厂据试验(通常用2O℃清水在额定流量下测定)确定的汽蚀余量。
              5 防止汽蚀产生的控制措施
              离心泵工作时如产生汽蚀,将对泵产生严重的损害,采取以下措施防止汽蚀的产生。
              5.1 确定合理的吸入高度
              在设计上增加吸液面位置或降低泵的安装位置,来提高NPSH。值。对吸上装置,可采用真空罐引水吸程防止汽蚀的产生,这方法虽增加了一定的设备投资费用,但操作方便实用。对于倒灌装置,在离心泵安装高度一定的条件下,增加吸入设备高度,增加有效汽蚀余量。
              5.2 减小泵吸入口水力损失
              尽量减小吸入管道水力损失,降低液体的饱和蒸汽压,在设计吸入管道时尽可能增大泵吸入口管径,减低管道内介质流速,缩短管道长度,减少弯头和阀门数量等措施减小泵吸入口水力损失,从而提高泵的有效气蚀余量。
              5.3 合理的管道布置
              为防止引起气蚀,吸入管路绝对避免有“几”形“气袋”出现,管路具有一定的坡度。对于吸上装置,泵入口处偏心异径管采用顶平连接,管路坡向容器;对于倒灌装置,泵入口处偏心异径管采用底平连接,管路坡向泵。
              5.4 增加泵吸入压力。
              通过增加前置泵提高泵入口吸入压力,提高有效汽蚀余量。在运行中维持前置泵的良好运行,保证泵的入口压力,大大提高有效汽蚀余量。
              5.5 提高离心泵本身抗气蚀性能的措施
              (1)改进泵的吸入口至叶轮附近的结构设计。增大过流面积;增大叶轮盖板进口段的曲率半径,减小液流急剧加速与降压;提高叶轮和叶片进口部分表面光洁度以减小阻力损失;将叶片进口边向叶轮进口延伸,使液流提前接受作功,提高压力。(2)采用前置诱导轮,使液流在前置诱导轮中提前作功,以提高液流压力。(3)采用双吸叶轮,让液流从叶轮两侧同时进入叶轮,则进口截面增加一倍,进口流速可减少一倍。(4)设计工况采用稍大的正冲角,以增大叶片进口角,减小叶片进口处的弯曲,减小叶片阻塞,以增大进口面积;改善大流量下的工作条件,以减少流动损失。但正冲角不宜过大,否则影响效率。(5)采用抗气蚀的材料。实践表明,材料的强度、硬度、韧性越高,化学稳定性越好,抗气蚀的性能越强。
              5.6提高进液装置有效气蚀余量的措施
              (1)增加泵前贮液罐中液面的压力,以提高有效气蚀余量。(2)运行中避免离心泵流量过大,超出力运行。(3)运行中尽量减少离心泵流量的大幅波动,避免在低于最小流量工况下长时间运行。(4)减小泵前管路上的流动损失。如在要求范围尽量缩短管路减小管路中的流速,减少弯管和阀门,尽量加大阀门开度等。以上措施可根据泵的选型、选材和泵的使用现场等条件,进行综合分析,适当加以应用。
              6 结论
              综上所述,为了尽量避免气蚀现象的产生,应遵循几点原则:泵的安装高度须低于泵的允许吸上高度;吸入管路在满足管道应力条件下应短而直,管件尽量少,吸入管的直径不应小于吸入口的直径;变径处不能有气体积存;离心泵运行中保证装置中足够的液位,避免运行中入口管道液体压力的突降引起气蚀。总之,提高离心泵抗汽蚀性能的措施有很多,但实际应用中,应根据具体的工艺要求和操作环境综合考虑,找出泵汽蚀的真正原因,从根本上解决泵的汽蚀问题。
参考文献
[1]董胜强,生产岗位专业技术培训教材(汽机分册)[M].山西大唐国际临汾热电有限责任公司,2017.8
[2]大唐国际发电股份有限公司,全能值班员技能提升指导丛书.汽轮机分册[M].中国电力出版杜,2008.
 
 
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