离心泵的汽蚀现象及其防范措.doc

离心泵的汽蚀现象及其防范措施（河北工程大学水电学院，热动0702，某某）摘要：离心泵是各类泵中应用最多的产品，水泵的汽蚀一直是离心泵运行中的一个重要问题。本文针对离心泵的汽蚀现象，分析汽蚀产生的原因及危害，探讨如何增强离心泵的抗汽蚀性能，避免汽蚀的发生，提高泵的运行效率。本文最后从离心泵的设计、安装、维护以及监测等角度提出了防范措施。关键词：离心泵 汽蚀 措施 效率CENTRIFUGAL PUMP CAVITATION PHENOMENON AND ITS PREEVENTIVE MEASUREAbstract: Centrifugal pump is used in most of the pump, The centrifugal pump cavitation is an important problem in operation. In this paper, according to the phenomenon of centrifugal pump cavitation, The author analyzes cavitation causes, this paper discusses the ways to enhance the anti-cavitation performance of centrifugal pump, avoid cavitation occurred, and improve the operation efficiency of pump. Finally, Paper describes the preventive measures in the centrifugal pump installation, maintenance and monitoring.Key words: Centrifugal pump; Cavitation;Measures；Efficiency。第 5 页 共 5 页离心泵的用途十分广泛，如化工、采矿、火力发电，建筑消防、给排水等。水泵的汽蚀、磨蚀及其联合作用的破坏一直是水泵运行、维护及管理工作中的一个重要问题。泵在运行过程中，由于设计不合理、吸入口压力过低或输送液体温度过高等原因，会发生气蚀。汽蚀对水泵危害很大，使离心泵不能正常工作，甚至停运。一、汽蚀现象由于水的物理特性，我们知道，水和汽可以互相转化，转化的条件即温度与压力。一个大气压下的水，当温度上升到100时就开始汽化。但在高原地区，水在不到1O0就开始汽化。如水温一定，降低水的压力，当压力下降到某一数值时，水就开始汽化并产生汽泡，此时的压力就称作该对应水温下的汽化压力。汽化发生后，就有大量的蒸汽及溶解在水中的气体逸出，形成许多蒸汽与流体混合的小汽泡。当汽泡随水从低压区流向高压区时，在高压作用下，迅速凝结而破裂。在破裂瞬间，产生局部空穴，高压水以极高的速度流向原汽泡占有空间，形成一个冲击力。由于汽泡中的气体和蒸汽来不及在瞬间全部溶解和凝结，在冲击力作用下又形成小汽泡再被高压水压缩凝结，如此多次反复，在流道表面极微小的面积上，冲击力形成的压力可高达几百甚至上千兆帕，冲击频率可达每秒几百万次。材料表面在水击压力的作用下，形成疲劳而遭严重破坏，从开始的点蚀到严重的海绵状空洞，甚至蚀穿材料壁面。另外，产生的汽炮中还夹杂着某种活性气体如氧气，它们借助气泡凝结时放出的热量可使局部温度升至200 300，对金属起化学腐蚀作用。我们把这种汽化产生汽泡,汽泡进入高压区破裂以致材料受到破坏的全部过程称为汽蚀现象。关于汽泡形成机理的研究发现，如果液体与固体的接触面上的缝隙中存在微波的气核，在汽化发生时，缝隙中的这些微笑气核首先迅速成长成为肉眼可见的气泡（或称空泡），而汽核的存在对汽化产生的压力具有明显的影响，在无气核条件下，汽化发生于热力学平衡态所对应的饱和蒸汽压力；气核越大对应的汽化压力也比热力学饱和蒸汽压力高出越多。液体中存在固体颗粒杂质时，杂质的边角是液体的表面张力出现应力集中现象，液体液体压力降低时，记忆在该处诱发产生气核，进而形成汽泡，也有可能诱发离心泵的汽蚀。二、汽蚀现象对离心泵工作的影响汽蚀对离心泵有诸多危害影响，长期在断裂工况下运行，不仅影响泵的正常工作，而且会很快使叶轮材料出现疲劳及剥蚀。汽蚀的主要危害有以下几个方面：（1）造成材料破坏。汽蚀发生时，由于机械剥蚀于化学腐蚀的共同作用，使材料受到破坏。由于汽蚀现象的复杂性，所以其形成机理直到现在仍在研究探讨中。一般认为水力冲击引起的机械剥蚀，首先使材料破坏，而且是造成材料破坏的主要因素。（2）产生噪声和振动。汽蚀发生时汽泡的破裂和高速冲击会引起严重的噪声。另外，汽蚀过程本身是一种反复凝结、冲击的过程，伴随很大的脉动力。如果这些脉动力的频率与设备的自然频率接近，就会引起强烈的振动。如果汽蚀造成泵转动部件材料破坏，必然影响转子的静平衡及动平衡，导致严重的机械振动。（3）使离心泵的性能下降。泵汽蚀时，会使其性能下降。泵内气泡较少时，泵的性能曲线并无明显的变化，这是汽蚀的初生阶段。气泡大量产生时，流道被“堵塞”，这时汽蚀已到了发达阶段。表现在泵的性能曲线上，出现明显的变化，性能曲线发生显著下降，出现了“断裂”工况，如图1所示。但是不同的比转速泵，其汽蚀性能曲线下降的情况是不同的。可见，离心泵汽蚀的危害是严重的。因此我们应该很好的掌握汽蚀发生的原因，以及预防汽蚀发生的措施，防止汽蚀及其危害的发生。三、离心泵汽蚀的原因及类型水的饱和蒸汽压力与水温有关。如果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。所以，汽蚀是由水的汽化引起的。离心泵的汽蚀原因主要有以下几个方面：1）在水泵中，如果吸入系统中某一局部区域的绝对压力等于或低于被吸送液体温度相应的汽化压力，液体便发生汽化，从而发生汽蚀现象，从而造成泵叶轮、叶片表面的损坏。另外，溶解氧析出后对汽蚀区金属部件有氧化腐蚀作用。而汽蚀区液流发生猛烈撞击后，由液流撞击的机械能转化来的热能和汽泡凝结时放出的热能也助长了氧化腐蚀作用。2）几何安装高度过高，或倒灌高度过低。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，当低于饱和蒸汽压力时，导致叶片背面发生汽蚀。3）所输送的液体温度过高，则对应的饱和压力高，只要泵内最低点处的压力小于或等于该饱和压力，泵的汽蚀就会发生。4）运行方式不当。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。5）泵安装地点大气压力低。对于凝结水泵汽化，具体原因有很多种。如：泵内零、部件磨损、泵内空气未排尽、进口滤网堵塞、凝汽器水位低、循环水管路堵塞等，还要考虑凝结水温、凝结水含氧量等。根据上述泵内发生汽蚀的原因，可以分为叶面、间隙和粗糙三种汽蚀类型。水泵安装过高，或流量偏离设计流量时所产生的汽蚀现象，其汽泡的形成和溃灭基本上发生在叶片的正面和反面，我们称之为叶面汽蚀。叶面汽蚀是水泵常见的汽蚀现象。在离心泵密封环与叶轮外缘的间隙处，由于叶轮进出水侧的压力差很大，导致高速回流，造成局部压降，引起间隙汽蚀。轴流泵叶片外缘与泵壳之间很小的间隙内，在叶片正反面压力差的作用下，也因间隙中的反向流速大，压力降低，在泵壳对应叶片外缘部位引起间隙汽蚀。水流经过泵内粗糙凸凹不平的内壁面和过流部件表面时，在凸出物下游发生的汽蚀，称为粗糙汽蚀。四、离心泵汽蚀的基本理论4.1吸上真空高度泵的吸上真空高度的高、低，对于泵是否发生汽蚀是一个重要的因素。有些泵由于吸上高度较大，以至于泵内发生汽蚀，甚至吸上高度过大造成吸不上液体，使泵无法工作。所以，恰如其分地确定泵的吸上真空高度和吸上高度是必需的。其公式是： 泵吸上真空高度Hs，与泵几何安装高度Hg、泵吸入口流速cs、吸入管路阻力损失hAs及吸入液面压力有关。倘若吸入液面压力不变，吸上真空高度Hs，随着几何安装高度Hg、泵进口流速cs、吸入管路内液体流动阻力的增大而降低。为保证泵的安全运行，需要规定泵的最大吸上真空高度Hsmax。为使泵运转时不产生气泡，同时又有尽可能大的吸上真空高度，一般规定留有一定的安全裕量K ，即式中Hs允许吸上真空高度，m。K安全裕量，机械工业部门规定安全裕量K0.30.5 m。允许吸上真空高度Hs也是泵的重要性能参数，用来说明离心泵吸入性能的好坏。泵在安装时的吸上真空高度，不能超过允许吸上真空高度Hs。最大吸上真空高度Hsmax。由制造厂试验求得，它是发生断裂工况时的吸上真空高度。泵安装时，根据制造厂样本规定的Hs值，计算泵允许几何安装高度Hg。为了获得足够的允许几何安装高度，吸入管路内液体的流速不能太高，吸入管路阻力损失不能太大，管路内产生局部阻力的装置尽可能保持最少。4.2汽蚀余量离心泵是否发生汽蚀受到泵本身和吸入装置两个方面的影响,具体表现就是泵必需汽蚀余量NPSHr有效汽蚀余量NPSHa二者的关系。其中NPSHr表示泵不发生汽蚀, 要求在泵进口处单位重量液体具有超过汽化压力水头的富余能量, NPSHa表示泵进口处液体具有的全部水头减去汽化压力水头净剩的值。当NPSHaNPSHr 时,离心泵不会发生汽蚀。当NPSHa=NPSHr 时,离心泵开始发生汽蚀。当NPSHaNPSHr 时,离心泵严重汽蚀。汽蚀刚发生时NPSHaNPSHr=NPSHc ； pkpv。此时的汽蚀余量称为临界汽蚀余量NPSHc。为确保泵运转时不汽蚀，相对于NPSHc应该留有一个安全量。安全量的大小视系统及泵具体情况而定。一般取NPSH（1.11.3）NPSHc或 NPSHNPSHc+K 式中 NPSH允许汽蚀余量；K汽蚀安全裕量。国际标准草案ISODis 9905：NPSHa必须超过10 NPSHr，各种情况下不得小于0.5m。4.3离心泵运行的最小流量 以上分析有效汽蚀余量NPSHa与必需汽蚀余量NPSHr的关系中，若NPSHaNPSHr，则所对应的流量Q，是泵运行的最大流量，泵在等于或超过最大流量时运行，必定会产生汽蚀。所以泵的工作点一定要限制在最大流量以内。但是，泵在小流量工况下工作，泵的运转亦会产生不稳定，乃至于汽蚀。如当泵工作的流量减小到大约额定流量的23以下时，叶轮的入口将产生二次回流，随着流量继续下降，回流范围迅速扩大。这股回流在主流的冲刷下，又重回叶轮内时往往引起泵体和管路的振动。有时还会在吸入侧引起强烈的液柱喘振。同样，此时在叶轮出口亦会产生二次流，形成出口不稳定的压力脉动，从而引起泵体与管路振动。 泵在小流量工况下运转，由于流量低，c0与w0亦是小的，因而必需汽蚀余量NPSHr应该较小。但实际情况则不然。泵小流量工作时，入口的二次流占据较大的叶片入口通流面积，液流真正的过流截面积很小。所以c0与w0不是下降，反而增加。另外，压降系数l2在额定工况附近值最小，离开这个工况l2值反而升高。由此可见，泵小流量工作时，从必需汽蚀余量的公式分析，它是增加的。 泵在小流量工况下运转，泵供给的扬程较大，而泵的效率却较低，所以泵内损失较大。泵内液流几乎在绝热下压缩，除了液流在泵中获得一定能量外，其余的耗功都转化为热能。当泵输送的流量较少，不能把热量带走时，就会导致液体的温度升高。首级叶轮密封环的泄漏返回叶轮入口，亦会引起叶轮入口液体温度升高。同时，液流通过轴向力平衡装置间隙处，压力降较大，放出热量亦大。而轴向力平衡装置的回流液体流入首级叶轮入口，又使液体温度升高，提高了饱和蒸汽压力，从而降低了有效汽蚀余量。把增大的必需汽蚀余量等于有效汽蚀余量时的流量称为最小流量。所以，最小流量是能连续保持而不使泵遭到汽蚀损害的最低流量。当泵的工作流量小于最小流量时，泵内液体汽化。对于火力发电厂的锅炉给水泵与凝结水泵，本身是输送饱和水，因为上述原因使水温升高，将使水泵的安全工作受到威胁，所以它们应该在大于最小流量值下工作。综上分析可知，泵的安全工作区，应该在最小流量与最大流量之间。如果是调速泵，用相似抛物线可给出泵安全工作的范围。如图3所示，泵在某转速下工作的性能曲线HQ，B为该转速下泵的最大流量。过B点的相似抛物线OB，为泵在不同转速下的最大流量界限点。HQ曲线上的A点，为该转速泵的最小流量。过A点的相似抛物线OA，为泵在不同转速下的最小流量界限点。泵的安全工作范围在OB与OA相似抛物线范围内。泵在变速运行时，如果工作点落在OB曲线以右区域，则一定要通过相应措施，使泵工作点移动至OB曲线以左。五、提高离心泵汽蚀性能的措施根据离心泵汽蚀的理论分析，由于离心泵发生汽蚀的临界点就是NPSHr=NPSHa,要使离心泵不发生汽蚀, 必须增大NPSHa和减小NPSHr。提高离心泵汽蚀性能的措施主要从提高有效汽蚀余量NPSHa和必需汽蚀余量NPSHr两个方面进行。5.1提高泵的有效汽蚀余量NPSHa根据有效汽蚀余量的公式，可以从如下五个方面考虑提高泵有效汽蚀余量：1）增加泵前储液罐中液面上的压力pA来提高NPSHa。在长距离输油管道中，可要求正压进泵或配备给油泵。2）降低泵的安装高度Hg，可以显著提高NPSHa。如果将吸上装置改为倒灌装置，此时的Hg为负值。3）减少泵前管路上的个损失hA-s，可以提高NPSHa。例如采取缩短管路，减小管路中的流速，尽量减少弯管或阀门（减小局部阻力损失），或尽可能加大吸入管路上阀门的开度等。4）通过降低输送液体的温度，使其饱和蒸汽压下降也可达到提高NPSHa的目的。5) 在叶轮吸入口前加装诱导轮。诱导轮是与主叶轮同轴安装的一个类似轴流式的叶轮，其叶片是螺旋形的，叶片安装角较小。使液体通过诱导轮生压后流入主叶轮，因而提高了主叶轮的有效汽蚀余量改善了泵的汽蚀性能。5.2减小必须汽蚀余量NPSHr另一方面，从离心叶轮机械内流理论出发,深入研究汽蚀机理, 将其应用于抗汽蚀叶轮的研制和开发中, 对叶轮进行最优化设计,从而减小离心泵的必需汽蚀余量NPSHr。因此，根据泵汽蚀基本方程式：l1压降系数，一般情况下为1.01.2；l2液体绕流叶片头部的压降系数，液体无冲击流入叶片的情况下为0.30.4；c0、w0分别为在叶片入口处稍前一点截面的液流绝对速度和相对速度。由汽蚀的理论公式可知, 要减小NPSHr , 必须通过减小0、w0 、l 来实现。而这三者都与叶轮的结构形状有着密切的关系, 叶轮结构的选择将直接影响水泵汽蚀性能, 因此, 采用合理的叶轮结构和形状, 对提高叶轮自身的抗汽蚀性能具有特别重要的意义。根据本文理论分析，通过叶轮的优化设计来提高离心泵的汽蚀性能主要有以下几个方面: 1）适当增大叶轮进口直径D1。流量不变的情况下, 进口液流的绝对速度和相对速度都是吸入管径的函数, 所以直径D1 对泵汽蚀特性的影响可以利用方程来深入分析。从防止汽蚀的观点来看, 分析结果表明在改善汽蚀性能上存在最佳的叶轮进口直径。当叶轮进口直径增大到此最佳值时, 进口处的流速减小, 使汽蚀性能得到提高。如果继续增大, 则对于给定流量来说, 进口直径过大了, 在叶轮进口部分所形成的停滞区和反向流将会使汽蚀性能恶化。2）增加叶轮叶片进口宽度b1。在泵的工况不变的情况下, 可以增大叶片进口边处流道宽度b1来增加泵叶轮中液流的实际进口面积。因为增大b1 会使液流绝对速度的轴面分速度减小, 所以汽蚀性能将得到改善, 而水力效率和容积效率却并不减小3 。3）采用长短叶片形式的叶轮常规离心泵的叶轮叶片出口边节距较大,叶栅稠密度偏小, 出水边处叶片对水流的导流作用减弱, 使水流偏离叶片出水边工作面而产生汽蚀。由于这些原因, 提出了采用长短叶片形式的叶轮来改善离心泵的汽蚀性能。其原则为: 在不致造成叶片间的流道阻塞, 保持良好的导流性能前提下, 利用长短叶片的形式适当增大该出口部位的叶栅稠密度。短叶片的位置根据流线流面优化导流特性决定, 并非一定在两个长叶片的中间位置。由于增加了短叶片,出口部位的节距减小为原来的一半,叶栅稠密度相应增大,叶片对水流的导流能力明显提高,避免了出口液流偏离叶片的现象; 同时叶片出口部位单位面积上的负载大为减轻。因此使