离心泵气蚀及应急处理

离心泵气蚀及应急处理

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离心泵的汽蚀

在设计、选择和使用离心泵时，通常需要根据泵的吸入能力来确定和核算泵的安装高度，以保证泵能正常地吸入液体。而离心泵能不能正常吸入液体又与吸入口处液流的状况有密切关系。

1.离心泵的汽蚀

从离心泵的工作原理我们知道:流体之所以能被顺利地吸入叶轮,是由于叶轮中心处的流体被离心力甩出叶轮，在叶轮中心处由于流体的减少而形成低压区,流体在压力差的作用下被吸入叶轮。

事物都有两面性，从某种意义上讲，叶轮中心处低压区的形成是液体被吸入叶轮的先决条件,并在一定范围内，叶轮中心处与吸入罐之间的压差越大，流体越容易被吸入。但液体的形态是随温度和压力不同而转化的，如水在20℃,2.4×１０3Pa时要气化。一般情况下,温度一定时，压力越低,液体越容易气化;压力一定时,温度越高,液体越容易气化。因此，在离心泵的工作过程中,如果叶轮中心处的压力低于液体在输送温度下的气化压力P t，液体就要发生气化现象。由于液体在离心泵叶轮内的气化引起的对离心泵正常工作的影响称为汽蚀。

1)汽蚀现象

在离心泵的使用过程中,有时会出现一些异常现象,如：在泵内产生一种特殊的噪声和振动，此时，泵理论排量排量、压头和效率都显著下降,严重时甚至泵的吸入过程也会中断,这种情况通常称为泵的汽蚀现象。

离心泵最易产生汽蚀的地方是在吸入管与叶轮进口处叶片的背面,为了防止汽蚀现象的出现,保证正常的吸入，在安装离心泵时，应进行泵的最大允许安装高度的计算。

2)汽蚀产生的过程

（1）气体逸出,形成小汽泡

如上所述,当离心泵叶轮入口处的液体压力低于输送温度下液体的气化压力pｔ时，液体就开始气化；同时,原来溶于液体中的其他气体（如水中的空气)也可能逸出。此时,液体中有大量的小汽泡形成。这种现象也称为空化。

（2）汽泡溃灭，重新凝结

由气化和溶解气逸出形成的小汽泡,随液体在叶轮流道内一起流动，压力逐渐升高,当压力达到液体的气化临界值(泡点压力)时，汽泡在周围液体压力的挤压下，将会溃灭,重新凝结。

（3）形成空穴,产生汽蚀

当气泡溃灭,重新凝结时,气体所占体积迅速减小，在流道内形成空穴。这时，空穴周围的液体便以极快的速度向空穴冲来，形成液体质点间或液体质点与金属表面间的相互撞击。这种由空穴产生的撞击称为水力冲击。气泡越大，溃灭时形成的空穴就越大，水力冲击就越强。

实践证明，这种水力冲击速度快，频率高(可达每秒上万次);有时产生的气泡内还夹杂有某些活泼性气体(如Ｏ2),它们在凝结时放出热量,使局部温度升高。这些现象,一方面使叶轮表面因疲劳而剥落;另一方面,由于温差电池的形成,对金属造成电化学腐蚀,加快了泵叶轮等金属构件的破坏速度。

这种液体的气化、凝结、水击和腐蚀的综合现象叫汽蚀。

3）汽蚀的主要原因

叶轮进口处的压力低于输送温度下液体的汽化压力p t引起的。

造成叶轮进口处的压力过分降低的原因可能有：吸入高度过高;所输送的液体温度过高；气压太低；泵内流道设计不完善而引起液流速度过大等。

4)汽蚀对离心泵工作的影响

（１)引起噪音和振动

汽泡溃灭时，液体质点互相撞击,产生各种频率的噪音,有时可听到“噼噼”“啪啪”的爆破声，

图1-39 离心泵吸入装置图

同时伴有机器的振动。在这种情况下，泵就不能继续工作了。 （2)引起泵工作参数的下降

当泵汽蚀较严重时，泵叶轮内的大量气泡将阻塞叶轮流道，使泵内液体流动的连续性遭到破坏,泵的流量、扬程和效率等参数均会明显下降,严重时会出现“抽空”断流现象。这种情况下,泵也不能继续工作了。

（３)引起泵叶轮的破坏

泵发生汽蚀时,由于机械剥蚀(冲击作用)和电化学腐蚀(温差电池)的共同作用，使叶轮材料呈现海绵状、沟槽状、鱼鳞状等破坏，严重时会出现叶片的蚀穿。

汽蚀现象对离心泵的危害较大，离心泵即使在轻微的汽蚀下长期工作也是不允许的。 ２．汽蚀余量

从汽蚀产生的过程可知,要避免离心泵运行中汽蚀的产生,就必须使叶轮入口处的最低压力高于输送条件下的液体气化压力。高出的这部分压力，我们称之为汽蚀余量。

1）有效汽蚀余量

泵的吸入装置如图１-39所示。其有效汽蚀余量（△h ｓ）是指液流在泵的吸入口处所具有的高出液体气化压力的能头。可用式1-16表示。

L g t

A s h H g

p g p h ---=

?1ρρ

（1－１6）

式中 ｐA —液体吸入液面上的压力,P ａ;

Pt —液体的汽化压力,Ｐａ; Ｈg1—泵吸入口与液面之间的高度差,m; ＨL —泵吸入管路的流动摩阻损失,m 。

从定义式可以看出,离心泵的有效汽蚀余量是与泵的吸入装置特性有关的参数。即：离心泵的有效汽蚀余量等于吸液面上的能头在克服吸入管路的流动摩阻损失并把液体提高到Ｈｇ1的高度后，所剩余的超过液体在输送温度下气化压力的能头。

离心泵的有效汽蚀余量与泵吸入装置的安装高度、操作条件、

吸入管的尺寸等有关,与泵自身的结构尺寸无关。

2）必需汽蚀余量

实践证明，液体在从吸液面至叶轮的吸入过程中，其最低压力点并不在吸入口S —Ｓ'截面处,而是在叶片入口稍向里的K 点处,如图1—39所示。在K 点以后液体开始获得能量。我们把从叶轮入口Ｓ—Ｓ’截面到压力最低点K 处的液体能量损失定义为离心泵的必需气蚀余量,用△h r 表示。△h ｒ是液体进入泵叶轮后,在未获得能量前，因流速变化和流动损失引起的压力降低。其数值主要取决于泵的吸入室、叶轮进口几何形状及流量、转速等参数,与吸入管路的装置情况无关。在一定程度上是一台离心泵抗汽蚀性能的标志,是离心泵的重要性能参数之一。

3)允许汽蚀余量

由以上分析可知，泵装置的有效汽蚀余量△ｈｓ越大，说明装置提供的能量越多,泵越不容易发生汽蚀；必需汽蚀余量△h r 越小，说明泵结构的能量损失越少,泵也越不容易发生汽蚀。综上所述，离心泵是否发生汽蚀的条件是:

△h s >△ｈr ,泵不发生汽蚀； △h s =△h r ,泵开始发生汽蚀; △h ｓ<△h r ，泵汽蚀严重。

在实际运行中,为了确保泵不发生汽蚀，需要在△h r 的基础上增加0.３～０.5 m 的富裕量,作为确定泵是否发生汽蚀的标准。即:

[]()

5.0~3.0+?=?r r h h

(1-１7)

[]r h ?称为离心泵的允许汽蚀余量,其数值一般由生产厂家通过实验给定。 3．吸入真空度

由于汽蚀余量不易直接测量和直观显示，使用起来不太方便。为此,我们引入了能反映离心泵吸入性能的吸入真空度的概念。 1)泵装置的吸入真空度

实际应用中，在泵的吸入口处都安装有显示此处真空度的真空表。真空表的读数表示的是吸液表面上的压头与泵入口处压头的差值。即：

g

P g P H s

A s ρρ-=

(1-18)

式中:Hs —泵的吸入真空度，m;

ＰＡ—泵吸入液面上的压力,P ａ; Ｐｓ—泵吸入口的压力,Pa 。

由吸液面与吸入口的能量平衡方程可知： 2

2s s A l

gl p c p h H g g g ρρ=--- （1－19)

代入(1－1９)得:

g

v h H H L gt s 22

+

+=

(１-２０）

从上式可清楚地看出,泵装置吸入真空度与吸入管的安装高度、流动损失、液体的流速等参数有关。

2)泵装置的吸入真空度与有效汽蚀余量的关系

由式(1-1６)和(１－20)可以看出:泵装置的吸上真空度越大，其有效汽蚀余量就越小，泵越容易发生汽蚀;泵装置的有效汽蚀余量越大,其吸上真空度就越小,泵越不容易发生汽蚀。 3）允许吸上真空度

泵的有效气蚀余量△h s 与泵的必需气蚀余量△h ｒ相等时，是泵气蚀的临界状态。该状态下泵的吸上真空度即为泵的最大吸上真空度。由△h s 与△h ｒ的关系可得:

r

s V

A s h g

c g P g P H ?-+-=2)(2max ρρ

(1-21)

为了保证泵不发生汽蚀，其吸上真空度应小于最大吸上真空度。保证泵不发生汽蚀的吸上真空度称为泵的允许吸上真空度，用[Hs]表示,即:

max []()s s H H K =-

(1-2２)

K 取0．.3～0．5m 。

图1-40 离心泵装置

４)允许几何安装高度

为了从几何尺寸上更直观地判别离心泵的气蚀情况，我们把在保证泵不发生气蚀的前提下,可能的最大几何安装高度称为允许几何安装高度,用[Hg ｌ]表示。

2

[][]2s gl s L c H H h g

=--

(1－23)

或 [][]r L V

A gl

h h g

P P H ?---=

ρ （1－

24)

4．离心泵的最大允许吸入安装高度

如图1-40所示，离心泵的功用是将液体从一个较低的位置,输送到压力较大或位置较高的地方,在这个过程中,泵首先将液体从较低的位置吸上来，然后再由泵打出去。泵主要依靠吸入池液面与叶轮进口处的压差来吸

入液体。因此,泵的吸入能力是有限的,同时，还要防止泵发生汽蚀现象。

由能量平衡方程可推出，叶轮进口处的压力：

2

2a

p p v Z h g

γγ=---吸

吸吸

(1－25）

为避免液体进泵后产生汽蚀现象，吸入口的

p γ

吸

压力应以该温度时液体的气化压力为限,即：

t

p p γ

γ

=

吸

故:泵的临界吸高为:

2

2a t

p p v Z h g

γ

-=

--

吸吸临

(1-26)

由于离心泵风内液体流速不均匀,叶轮前面的压力比叶轮背面的压力高,也主是说,叶轮进口处的最低压力

p γ

吸

比平均压力低

γ

p

?，即：

γ

γ

P

g v h P P Z t

a ?-

---=

22吸吸临

(1－2７)

若令：γ

P

g v h ?+=?22 则：

h h P P Z t

a ?---=

吸吸临γ

（1-２8)

式中，△ｈ—液流速度因素引起的压力降，其值随泵的排量和转速的增加而增加。 △h 可用公式计算，即:

3

4)(10c

Q n h =?

(1-29)

式中，Ｑ—泵的排量,米3

／秒;n —泵的转速,转/分;

ｃ—汽蚀比转数,是一个表示离心泵汽蚀性能的系数,它与泵的比转数有关，其值可按表１-4选择。

表1－4

n s ５0~7０ 7０~80 80~150 1５0～２００ c

60０～750

800

800~１00０

10０0~12０0

由于计算中的误差,为安全起见，一般对△h 还应考虑汽蚀安全系数?(等于1.2~1．4）, 即△ｈ许=?△h ，这样,就可以得出泵的最大允许吸入高度，即泵的最大允许安装高度：

许

吸吸h h P P Z t

a ?---=

γ

max

（1-30）

式中,△ｈ许—允用汽蚀余量，一般在离心泵的特性曲线中给出。

对输送温度较高的液体,由于p t 在为增加,计算出的Z 吸ｍａｘ可能为负值,因此，安装离心泵时应采用灌注的方式。

对于多级离心泵，它的吸入能力只与第一级叶轮有关，所以，计算时只对第一级叶轮进行计算。许多厂这为了改善多级泵的吸入能力，往往把第一级叶轮做成双吸的,或增大吸入口的直径,以降低液体进入叶轮的速度。

5.防止离心泵产生汽蚀的措施

离心泵产生汽蚀的原因可能有:吸入高度过高；所输送的液体温度过高；气压太低；泵内流道设计不完善而引起液流速度过大等。对使用者来说，防止离心泵汽蚀的措施有：

1）降低输送的液体的温度。

２)改善流道,使液流畅通。即可以采取的措施有：增大吸入管的直径;减少管线接头的数量；在吸入管上安装过滤装置;工作过程中不调节吸入阀门等。

3)降低泵的安装高度。即泵的安装高度不能超过泵的最大允许吸入安装高度。