离心泵汽蚀原因浅析

离心泵的汽蚀原因浅析离心泵的汽蚀原因浅析 专 业 轮 机 工 程 届 别 2 0 1 3 学 号 姓 名 指导教师 二 一三年五月 原创说明 1 原原 创创 声声 明明 本人郑重声明 所呈交的论文 离心泵的汽蚀原因 浅析 是本人在导师的指导下开展研究工作所取得的 成果 除文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以 明确方式标明 本人完全意识到本声明的法律后果 尊 重知识产权 并愿为此承担一切法律责任 论文作者 签字 日 期 2013 年 5 月 10 日 摘要 2 摘摘 要要 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 关键词 离心泵 汽蚀 措施 效率 Abstract 3 Abstract 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 目录 1 目录目录 前言 1 1 离心泵汽蚀现象及危害 2 1 1 离心泵汽蚀现象 2 1 2 汽蚀的危害 2 1 2 1 产生振动和噪音 3 1 2 2 损坏过流部件 3 1 2 3 影响泵的工作性能 4 2 离心泵有关基本概念 4 2 1 汽蚀余量 4 2 1 1 有效汽蚀余量 装置汽蚀余量 5 2 1 2 必须汽蚀余量 5 2 2 离心泵运行的最小流量 7 2 3 允许吸上真空度 7 前言 2 3 离心泵汽蚀的原因 9 4 提高离心泵汽蚀性能的措 施 11 4 1 提高泵的有效汽蚀余量 NPSHa 12 4 2 减小必须汽蚀余量 NPSHr 13 结 论 17 致 谢 18 参考文献 20 前言 1 前前 言言 无论是在陆地上还是在船舶上 离心泵其因为尺寸 小重量轻 转速高价格低廉 对杂质不敏感 易损件较 少 往往其使用的数量和范围远远超过其他类型的泵 而汽蚀是离心泵损坏的主要原因 因此对其分析 充分 认识汽蚀的原理及产生汽蚀的原因 有效防止离心泵汽 蚀 使其运转稳定 延长使用寿命 离心泵汽蚀原因浅析 2 1 1 离心泵汽蚀现象及危害离心泵汽蚀现象及危害 1 11 1 离心泵汽蚀现象离心泵汽蚀现象 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 在离心泵系统中 其液体的流 速和压力是变化的 其中叶轮入口处是压力最低的地方 通常称为低压区 当体液在吸口处的压力小于同温度下 该液体的饱和蒸汽压力时 液体就会汽化 原溶于液体 中的气体也会逸出 会产生许多气泡 气泡随液体进入 高压区 其中的蒸汽迅速凝结 气体也会重新融入液体 中 从而在许多处形成局部真空 这时周围压力较高的 液体会以极大的速度冲向众多的真空中心 使这局部的 地方产生了剧烈的 高频率的 高冲击力的水击 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 山东交通学院毕业论文 3 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 1 21 2 汽蚀的危害汽蚀的危害 汽蚀对离心泵有诸多影响 长期在断裂工况下运行 不仅影响泵的正常工作 而且谁使离心泵发生损坏 汽 蚀的危害主要有以下几个发面 1 2 11 2 1 产生振动和噪音产生振动和噪音 当离心泵在运行过程中发生汽蚀时 周围的水的质 点会以极大的速度冲向众多的真空中心 互相撞击而产 生局部高达几十兆帕的压力 引起频率为 600 25000Hz 的噪声和振动 冲击金属表面 产生各种频率的噪声 严重时可以听见泵内发出噼噼啪啪的爆炸声 同事引起 机组振动 如果机组振动频率与撞击频率相等 则产生 更强烈的汽蚀共振 1 2 21 2 2 损坏过流部件损坏过流部件 离心泵发生汽蚀时 汽蚀破灭区的金属因受到高频 高压的液击而发生疲劳损坏 水中逸出的氧气等借助蒸 汽凝结是的放热 也会对金属产生化学腐蚀 在这样的 双重作用下 叶轮外缘的叶片及盖板 蜗壳或者导轮等 离心泵汽蚀原因浅析 4 处会产生麻点和蜂窝状的破坏 1 2 31 2 3 影响泵的工作性能影响泵的工作性能 离心泵汽蚀时 会时其性能下降 汽蚀刚发生时泵 内气泡较少 泵的性能曲线没有明显的变化 随着汽蚀 的发展 泵内气泡大量产生 流到被 堵塞 泵的性 能曲线发生迅速下降 出现 断裂 工况 如图 1 表示 由此可知 汽蚀严重威胁着离心泵泵的正常运转 它也是影响泵向高转速发展的主要原因 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 Q H Q 图 1 泵的汽蚀性能曲线 山东交通学院毕业论文 5 2 2 离心泵有关基本概念离心泵有关基本概念 2 12 1 汽蚀余量汽蚀余量 所谓汽蚀余量 是指泵吸口处所具有的能头与它的 饱和蒸汽压力头之差 用 h 表示 英文缩写为 NPSH Net Positive Suction Head 可以翻译成 净 正吸入能头 汽蚀余量又有有效汽蚀余量 装置汽蚀 余量 和必须汽蚀余量之分 2 1 12 1 1 有效汽蚀余量 装置汽蚀余量 有效汽蚀余量 装置汽蚀余量 有效汽蚀余量 NPSHa 是指泵工作时实际的汽蚀余量 即液体在泵进口处能头超过汽化压力头的富裕能量 它 取决于泵的吸入条件和液体的饱和压力 Pv 而与泵无关 2 1 22 1 2 必须汽蚀余量必须汽蚀余量 必须汽蚀余量是指泵为避免发生汽蚀所需的汽蚀余 量 他取决于液体进泵后压力进一步降低的程度 与泵 进口处部分的几何形状及泵的转速和流量有关 而与泵 的吸入条件及所吸入的液体的 Pv 值无关 离心泵是否发生汽蚀受到泵本身和吸入装置两个方 离心泵汽蚀原因浅析 6 面的影响 具体表现就是泵必需汽蚀余量 NPSHr 与有效汽 蚀余量 NPSHa 二者的关系 其中必须汽蚀余量 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 有效汽蚀余量 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 NPSHa NPSHr 时 离心泵不会发生汽蚀 当 NPSHa NPSHr 时 离心泵开始发生汽蚀 当 NPSHa NPSHr 时 离心泵严重汽蚀 山东交通学院毕业论文 7 汽蚀刚发生时 NPSHa NPSHr NPSHc pk pv 此 时的汽蚀余量称为临界汽蚀余量 Hc 为确保泵运转时不 汽蚀 相对于 Hc 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 1 1 3 NPSHc 或 H Hc K 式中 H 允许汽蚀余量 K 汽蚀安全裕量 国际标准草案 ISO Dis 9905 Ha 必须超过 10 Hr 各种情况下不得小于 0 5m 2 22 2 允许吸上真空度允许吸上真空度 H Q NPSHr Q NPSHa Q Q H O 图 2 NPSHa与 NPSHr关系 Qmax A 离心泵汽蚀原因浅析 8 泵工作时液体进入泵内在接受运动部件作工前 压 力还会进一步降低 当泵吸口处的真空度增高到一定的 程度 液体就会因在泵内的最低压力降到其饱和蒸汽压 力 Pv 而汽化 泵即不能工作 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 泵工作时允许的 最大吸入真空度即称为 允许吸上真空度 用 Hs 表示 As s gs h g c HH 2 2 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 KHH ss max 山东交通学院毕业论文 9 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 K 0 3 0 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 As s sg h g c HH 2 2 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 3 3 离心泵汽蚀的原因离心泵汽蚀的原因 通常认为 当水的绝对压力低到等于或者低于该液 体的饱和蒸汽压力时 就会形成气泡 这些气泡在低压 离心泵汽蚀原因浅析 10 区中增长并形成空腔 当气泡被水流带到高压区时 气 泡崩溃 从而在其材料的表面上造成侵蚀 我们把气泡 的形成 增长和崩溃以及造成侵蚀的过程称为汽蚀 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 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 2 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 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 山东交通学院毕业论文 11 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 吸入管直径过小 或者吸入管阻力过大 由于水在 吸入管路中有能量的损失 致使水的压力会有所下降 当吸入管直径过小或者吸入管阻力过大 离心泵就容易 发生汽蚀 6 吸入滤器堵塞 由于离心泵长期运转 吸入滤器 脏污导致吸口压力降低 离心泵就会发生汽蚀 7 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 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 4 4 提高离心泵汽蚀性能的措施提高离心泵汽蚀性能的措施 离心泵的汽蚀不仅影响到泵的本身工作特性 运转 可靠性和使用寿命 而且还影响到整个系统运转的可靠 离心泵汽蚀原因浅析 12 性和经济行 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 4 14 1 提高泵的有效汽蚀余量提高泵的有效汽蚀余量 NPSHaNPSHa Asg vA a hH g p g p NPSH 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 山东交通学院毕业论文 13 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 4 24 2 减小必须汽蚀余量减小必须汽蚀余量 NPSHrNPSHr 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 22 00 12 22 r vw NPSH gg 1 压降系数 一般情况下为 1 0 1 2 2 液体绕流叶片头部的压降系数 液体无冲击 离心泵汽蚀原因浅析 14 流入叶片的情况下为 0 3 0 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 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 山东交通学院毕业论文 15 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 叶轮的汽蚀性能得到有效改善 4 叶轮出口宽度适当增加在叶轮的设计过程中 叶轮出口宽度增加会导致流量增大 如果在计算中控制 其它参数 使流量限制在设计要求中 则适当增大叶轮 出口宽度可使流道中的流速相对减小 提高泵的汽蚀性 离心泵汽蚀原因浅析 16 能 5 采用适当的叶片数量流道内的流速大是造成汽 蚀的一个主要原因 为减小叶轮内的相对流动速度 就必 须加大叶片角 而叶片角加大后 必然使每个叶片上的载 荷加大 为保证叶片作功符合需要 就必须适当减少叶 片数 但过分的减少叶片数 会造成流道内分层效应 使 叶轮出口流场畸变 影响叶轮与蜗壳中的流动效率 因 此 叶片数有个最佳值 通常为 5 6 片 6 采用双吸式叶轮 此时单侧流量减小一半 从 而使 0 减小 如果汽蚀比转速 c 转数和流量相同时 采用双吸式叶轮 NPSHr 相当于单级叶轮的 0 63 倍 因 而提高了离心泵的抗汽蚀性能 如国产 125MW 和 300MW 机组的给水泵 首级叶轮都采用双吸式叶轮 7 降低零件表面的粗糙度 研究表明 材料表面 的不平 裂纹等缺陷 都是液流容易产生漩涡的因素 也就更加容易诱发更多的空泡是材料更快的被汽蚀破坏 所以 材料表面越光滑 材料强度 韧性 硬度越高 化学稳定性越好 则材料的抗汽蚀性能越好 古当材料 选定后 可采用液体抛光的方法 对液流流道表面进行 打磨抛光 这是非常好的措施之一 山东交通学院毕业论文 17 另外采用抗汽蚀材料 增加叶轮的机械强度 提高 泵的汽蚀实性能 离心泵汽蚀的危害是严重的 因此我们应该很好的 掌握泵的其实性能 正确地选择确定水泵安装高程 以 及泵的合理运行流量 防止汽蚀及其危害的发生 结论 18 结结 论论 综上所述 离心泵为了尽量避免汽蚀的发生 应该 遵循以下原则 尽量在离心泵安装过程中 泵的安装高 度低于泵的允许吸上高度 吸入管路应该短而且直 管 件尽量少 吸入管的直径不应小于吸入口的直径 变径 处不应有气体存积 致谢 19 致致 谢谢 时光匆匆如流水 转眼便是大学毕业时节 春梦秋 云 聚散真容易 离校日期已日趋临近 毕业论文的的 完成也随之进入了尾声 从开始进入课题到论文的顺利 完成 一直都离不开老师 同学 朋友给我热情的帮助 在这里请接受我诚挚的谢意 本学位论文是在我的指导老师 老师的亲切关怀与 细心指导下完成的 从课题的