循环水泵叶轮气蚀机理分析报告与应对

1、实用标准文案循环水泵叶轮气蚀机理分析与应对循环水泵是供水系统中的主要设备之一， 主要用来向凝汽器供给冷却水， 将汽轮机排出的乏汽冷却凝结， 由此来保持凝汽器内 的真空度。当循环水泵发生故障时，将直接影响机组的真空度，降低机组出力。叶轮汽蚀是循环水泵的主要故障之一，长期在汽馈 下运行会引起水泵部件寿命降低及叶轮局部损坏，汽蚀严重时会引起泵体强烈振动，导致水流中断，泵不能工作。尽管循环水泵在 制造、 安装和运行过程中采取了各种方法防止水泵汽蚀的发生， 但实际运行中， 由于种种原因会使水泵的运行条件与设计工况发生 偏离，不同程度的汽蚀仍偶有发生，给电力企业造成巨大经济损失。如：中山横门电厂#1、#2

2、 机组(125MW)2004 年10 月12月就因汽蚀的氯根腐蚀的双重作用下， 4 台循环水泵连续发生叶片断裂事故；河北某电厂 #2 号机组 (350MW) 在 2003 年 10 月大 修期间发现 2 台循环水泵叶轮的各叶片均在入口同一部位出现 300mm 160mm 、深约 8mm 程度不等的汽蚀区域 1 ；本厂对循 环水泵的解体检修也发现过类似现象，即所有汽蚀情况均是从中间到外侧逐渐变浅，汽蚀表面呈现蜂窝状。因此，循环水泵叶轮汽 蚀的诊断与防范日益为人们所重视。本文基于有关研究和现场运行经验，介绍引起循环水泵叶轮汽蚀的原因与特点，分析出泵产生汽蚀的条件，在总结与评述近 年来叶轮汽蚀检修和

3、改造技术的基础上， 对防止循环水泵叶轮汽蚀的措施作了一些有益的探讨， 希望能对国内循环水泵的优化设计 和现场检修工作有所帮助。1 水泵的汽蚀现象与危害1.1 汽蚀发生的过程和表现泵运转过程中，若其过流部分的局部区域，通常是叶轮叶片进口稍后的某处，抽送液体的绝对压力下降到等于或低于当时液温 下相应的汽化压力时，就会因汽化产生汽泡。汽泡中主要是蒸汽，但由于水中溶解有一定量的气体，所以汽泡中除了蒸汽以外，还 夹带有少量的气体。这些汽泡随着水流流到高压区时，高压液体使汽泡急剧缩小以至凝结成水，汽泡逐渐变形而破裂。在汽泡破裂 时，细水滴以高速填充汽泡空穴，发生互相撞击而形成强烈的水击，可达到 10100

4、MPa ，使过流流道的材料受到腐蚀和破坏。可 见，汽蚀过程包括汽泡形成、增长直到崩溃破裂以至造成材料侵蚀的过程。汽蚀的形成过程及已有检修经验表明 1-2 ，循环水泵叶轮的汽蚀主要集中在叶片及轮盖轮盘的结合部位，汽蚀痕迹形状各异，文档实用标准文案有的呈现断续分布的坑状， 有的呈密集的蜂窝状 （参见图 1） ，而且深浅不一。 汽蚀严重时会引起叶片穿孔 ,导致叶轮报废而被迫更换。1.2 循环水泵叶轮汽蚀的危害水泵叶轮汽蚀会改变泵内水流状态，造成流动阻力增加，导致泵的流量、扬程和效率降低。同时造成泵的流道材料发生侵蚀而 破坏，并使泵产生噪音和振动，危及水泵正常运行。具体表现在以几个方面 3-4 ：1.

5、2.1 产生噪声和振动泵发生汽蚀时， 汽泡在高压区连续发生突然破裂， 微细射流的高速冲击将形成噪声， 汽泡崩溃时的冲击作用将使泵组产生振动。 汽蚀噪声与汽蚀发展的程度有关， 噪声大时汽蚀对材料的破坏作用也大， 可以利用噪声的这种特性， 用以判断汽蚀的严重程度。 汽蚀引起的振动主要原因有二。一是汽泡破裂产生的高频振动；二是当叶片进口处冲角较大时，进口边后方会形成脱流，产生时生 时灭的不稳定汽穴。汽蚀振动频率若与泵组的自然频率接近，就会引起共振，使泵的工况恶化，甚至使整个系统受到破坏。1.2.2 对流道的材料造成破坏当汽泡周围的液体压力上升时，汽泡受到压缩，使汽泡内的压强升高。汽泡破碎时，形成微细

6、射流（ 速度可达 130m/s ，压强可达 200MPa） 。流道金属表面在高频高压的微细射流作用下，材料表面晶体发生疲劳破坏，严重时呈现蜂窝状的空洞。另外，微 细射流造成的冲击还会形成 200 以上的高温， 使流道金属出现电解现象而产生强烈的化学腐蚀。 泵内流道材料受破坏的位置除叶 轮外，还有泵壳和导叶等处易于形成高速流的地方。1.2.3 造成泵的性能下降 汽蚀初生阶段，对泵的外特性无明显影响。待汽蚀发展到一定程度，使流道的有效形状因汽穴空间较大而形成“堵塞”时，由 于叶轮和液体的能量交换受到干扰和破坏，泵的流量、扬程、效率、轴功率曲线开始下降，严重时会使液流中断，泵不能工作。通 常，低比转

7、数泵的性能下降比较急剧，高比转数泵的性能下降则比较缓慢。2 产生汽蚀的条件与评价方法文档实用标准文案2.1 泵产生汽蚀的条件在泵系统 k 中通常用汽蚀余量 (NPSH) 表示泵汽蚀性能的好坏，汽蚀余量又分为装置汽蚀余量(NPSHa)和泵汽蚀余量 (NPSHr )，它们是两个性质不相同的参数。 NPSHr 由泵本身的特性决定，是表示泵本身抗汽蚀性能的参数，它与装置情况无关，只与泵进口 处的运动参数 (v0，w0和wk等)有关；NPSHa 由外界的吸入装置特性决定的，是表示吸入装置汽蚀性能的参数。NPSHr 表示泵进口到最低压力点 (即 k 点 )间液体流动过程的压力降，也就是为了使泵不汽蚀，在泵

8、进口处单位重量液体所必需具有的超过汽化压力的富余能量，泵汽蚀余量NPSHr 值表达式为 3,5 ：(1)式中， g ：重力加速度， m/s 2；v0：叶片进口稍前液体的绝对平均速度， m/s ；w 0：叶片进口稍前液体的相对平均速度， m/s ；m： 绝对速度压降系数，通常取 1.01.2 ；：相对速度压降系数或叶片汽蚀系数，可用下式表示：(2)式中： wk表示 k 点处的相对速度。根据 5 ，装置汽蚀余量 (NPSHa)可用下式表示：(3)式中， p e：吸入液面压力， Pa； p v：泵入口处水温对应的饱和蒸汽压力，Pa；Hg：泵入口处液体倒灌高度， m ；hw：吸入管路内流动损失， m

9、；：传送液体的单位体积重量，N/m 3 。大流量引起叶轮进口速度的增加，会引起泵进口至叶轮以及进口管路中的压力降增加。由式 (3) 可知，在液温、吸入液面上的压强和几何安装高度都保持不变的情况下，由于吸入管路中的流道损失与流量的平方成正比，所以 NPSHr 随着流量的变化为一条下降的抛物线，而 NPSHa-Q 则呈抛物线上升，如图3-5 所示 6。由图 2 可得出鉴别泵是否汽蚀的判别式为：NPSHaNPSHr ， 对应 (pk= pv) 泵开始汽蚀文档实用标准文案NPSHa NPSHr ， 对应(pk NPSHr ， 对应 (pk pv) 泵无汽蚀2.2 汽蚀的评价方法泵汽蚀余量 NPSHr

10、是由泵自身的结构，如吸水室、叶轮进口部分等的几何形状决定的，它的值越小，表示泵本身的抗汽蚀性 能越好。至于在某一工况是否发生汽蚀，与装置汽蚀余量 NPSHa 大小有关。 NPSHa-Q 曲线和 NPSHr-Q 相交时所相应的流量为 QK称为临界流量，它标志着汽蚀的界限。由图2可知，对于给定的泵，流量小于 QK时，即使泵的 NPSHr 很大，但泵进口装置提供足够的 NPSHa ，即 NPSHaNPSHr ，泵也不会汽蚀。当 NPSHaNPSHr ，此时相应于 pkpv，泵开始发生汽蚀。当流量大于 QK 后，就会发生严重汽蚀，因为此时 NPSHa NPSHr ，即，泵汽蚀余量所能提供的超过汽化压头

11、的富余能量不足以补偿或克服该 泵进口部分的压头降。对几何相似的两台泵，在相似工况下，由汽蚀相似定律公式(4)可知，两台泵的泵汽蚀余量之比等于叶轮进口直径D1的平方比和转速 n的平方比的乘积。 对同一台泵， 即 D1p = D1m ，则式(4)可简化为：(5)式(5)表明：泵汽蚀余量随转速的平方成正比增长。即，转速下降，泵汽蚀余量会成平方下降，泵的抗汽蚀性能大大提高。与比转数 n s类似，可推出相似泵的汽蚀相似准则汽蚀比转数C3(6)式(6)表明：对几何相似，工况相似的泵， C 值等于常数，在一定流量和转速下， C值越大，泵的抗汽蚀性能越好。根据泵的设 计理论，设计汽蚀比转速 C值越大，泵的抗汽

12、蚀性能越好，但同时提高 C 值往往会使泵的效率下降，目前设计汽蚀比转速的大致 范围如如表 1 所示。文档实用标准文案主要考虑提高效率 （对汽蚀不作要求的泵 ）兼顾效率和汽蚀的泵主要为考虑提高汽蚀性能的泵C600800C8001100C 11001600托克托发电厂二期循环水泵改造时， 依据上述公式就发现该厂循环水泵产生汽蚀的关键在于： 尽管二期循环水泵采用 425r/min转速新设计来降低其制造成本，但二期循泵运行中实际水淹深度（6.8m 左右 ）却采用以 375r/min转速设计，导致实际水淹深度远小于双泵运行时 （流量为 11.5m 3/s） 所需的最小水淹深度 8.47m3 影响叶轮汽蚀

13、的因素分析根据以上流体动力学分析可知， 泵是否发生汽蚀取决于泵汽蚀余量和装置汽蚀余量的差值， 泵汽蚀余量小于装置汽蚀余量是循 环水泵叶轮发生汽蚀的主要原因。 从设备的检修角度看， 循环水泵叶轮产生汽蚀的主要原因有以下几方面： 倒灌高度不够造成有效 汽蚀余量下降；空气进入泵内；密封间隙大造成间隙汽蚀；长期偏离设计工况运行造成叶片内流速过快；泵超负荷运行；压力和流 量分布不均，产生汽泡；运行方式不当等 1,6-8 。以下根据各电厂的实际情况进行详细分析。3.1 泵送系统的流量过大实际运行中， 泵循环水量大大超过设计值， 由于大流量引起叶轮进口速度增加， 从而引起泵进口至叶轮以及进口管路中的压力 降

14、增加 （见图 1） ，超过汽蚀界限，即， NPSHa NPSHr ，产生严重汽蚀。另外，每年夏季，由于气温高，热负荷大，循环水泵必须满负荷，甚至超负荷运行，从而造成泵的允许吸上扬程降低，导致循 环水泵允许汽蚀余量增大，致使 NPSHa NPSHr ，从而引起泵叶轮的汽蚀。3.2 倒灌高度不够倒灌高度为吸人池最高液面标高与泵中心线标高的差值，随着液面降低，倒灌高度会减小。如果倒灌高度的减小超过界限，会文档实用标准文案导致 NPSHa )进入叶片，取冲角 i=3 8 ，对效率没有显 著影响，却能提高泵的汽蚀性能。但叶片进口安装角过大，将会导致泵效率和抗汽蚀性能的降低。4.4 叶片进口厚度锉削叶片进口的压力面，削薄叶片进口边，并打圆角，使叶片进口厚度减薄，接近流线型，此时泵的抗汽蚀性能更好。同时，每隔一个叶片缩短叶片的进口段，并强制叶轮进口处达到 90 的正预旋。长山热电厂对其 48sh 22 和 24sh-19 型循环水泵进行 技术改造时，考虑到改进后要提高泵的效率和抗汽蚀性能，便将原泵的叶轮的材质由铸铁改为 25 号钢，叶片也尽量做得薄了一些 12 。另外，采用采用诱导轮可使泵的汽蚀比转数 C 提高到 35004000 ，采用双吸泵或降低转速等方面的措施，则在相同 C 值下， 可降低泵汽蚀余量 NPSH r，以解决汽蚀问题。5 结束语叶轮发生汽蚀，是电厂循环 水泵 运