水泵的汽蝕與安裝高程確定

1、第四章水泵汽蝕及安裝標(biāo)高的確定本章重點(diǎn)：通過(guò)本章的學(xué)習(xí)，要求學(xué)生掌握汽蝕的定義、分類(lèi)和預(yù)防措施，并通過(guò)允許的真空抽吸高度和允許的汽蝕余量計(jì)算水泵的安裝高度。掌握空化的作用方式和危害。了解空化性能參數(shù)、空化基本方程、空化相似率和空化比轉(zhuǎn)數(shù)等。第一節(jié)泵的汽蝕及其預(yù)防措施葉片泵性能的描述是以吸水條件滿足要求為前提的。吸水性能是確定水泵安裝標(biāo)高和進(jìn)水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，空化是影響水泵安裝標(biāo)高的重要因素。葉片泵安裝標(biāo)高的確定是泵站設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。泵的安裝標(biāo)高是確定泵房各部分標(biāo)高的參考標(biāo)高。水泵安裝低會(huì)增加土建投資和泵房建設(shè)的難度；如果過(guò)高，將導(dǎo)致泵的工作流量和效率大大降低，甚至不能工作。如何處理水位變化與水

2、泵吸水性能的關(guān)系是泵站設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要問(wèn)題。在泵站運(yùn)行中，由于水泵的吸水性能也存在很多問(wèn)題。因此，必須重視葉片泵的吸水性能。一.定義由于某種原因，液壓機(jī)械低壓側(cè)的局部壓力降低到低于該溫度下水流的汽化壓力(飽和蒸汽壓力)，這導(dǎo)致氣泡(蒸汽袋)的出現(xiàn)、發(fā)展和破裂，從而導(dǎo)致溢流部件的損壞。這就是圖4-1-1，受汽蝕影響的葉片泵性能曲線的形式圖。離心泵()混流泵()軸流泵做空化。第二，行動(dòng)方式(a)機(jī)械剝蝕在空化過(guò)程中，水流中含有大量氣泡，破壞了水流的正常流動(dòng)規(guī)律，改變了水泵的通流面積和流向。因此，葉輪與水流之間能量交換的穩(wěn)定性被破壞，能量損失增加，導(dǎo)致水泵的流量和效率急劇下降，甚至達(dá)到截止?fàn)顟B(tài)。工作

3、性能的這種變化對(duì)具有不同比轉(zhuǎn)數(shù)的泵有不同的影響。低比轉(zhuǎn)速離心泵葉片槽窄，寬度小。當(dāng)空化開(kāi)始時(shí)，氣泡區(qū)從葉片槽的入口迅速擴(kuò)展到葉片槽的整個(gè)寬度，導(dǎo)致水流中斷，泵的性能曲線呈急劇下降的形狀，如圖4-1-1所示()。對(duì)于中高比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵和混流泵，由于葉輪通道較寬，當(dāng)發(fā)生脫落時(shí)，它將位于葉片槽的某一部分，而不是葉片槽的整個(gè)部分，只有當(dāng)脫落區(qū)域繼續(xù)發(fā)展時(shí)，所有葉片槽才會(huì)被覆蓋。斷裂發(fā)生前，其性能曲線先緩慢下降，然后直線快速下降，如圖4-1-1所示()。對(duì)于高比轉(zhuǎn)速的軸流泵，由于葉片相當(dāng)寬，空化開(kāi)始后空化區(qū)不容易延伸到整個(gè)葉片槽，所以性能曲線下降緩慢，沒(méi)有明顯的斷點(diǎn)，如圖4-1-1所示()。當(dāng)分離的氣泡被

4、水流帶到高壓區(qū)域時(shí)，氣泡周?chē)乃黝w粒高速相互碰撞，導(dǎo)致強(qiáng)烈的沖擊。根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)，沖擊頻率(3000 4000)集中在微小金屬表面，瞬時(shí)局部壓力急劇增加(300 400)。在高壓和高頻的作用下，葉輪或泵殼壁產(chǎn)生塑性變形和局部硬化，導(dǎo)致金屬疲勞、脆性、裂紋和剝落，在金屬表面形成凹坑、凹坑和蜂窩孔。隨著空化的進(jìn)一步作用，裂紋會(huì)相互穿透，直到葉輪或泵殼被腐蝕和破裂。這是空化的機(jī)械剝蝕。(2)化學(xué)腐蝕氣泡的溫度由于體積的減小而升高。同時(shí)，水流和墻壁的變形所造成的沖擊在產(chǎn)生的氣泡中有一些活性氣體(如氧氣)及其離子(如氧氣離子)。在氣泡凝結(jié)過(guò)程中釋放的熱量的幫助下，它們化學(xué)腐蝕金屬，從而產(chǎn)生氧化鐵、三氧化

5、二鐵及其混合物四氧化三鐵，這大大降低了金屬的強(qiáng)度，并增強(qiáng)了機(jī)械剝離的效果。(3)電化學(xué)反應(yīng)在高溫高壓下，水流會(huì)產(chǎn)生一些帶電現(xiàn)象。過(guò)流部件的溫差是由氣穴現(xiàn)象引起的，并且熱電偶形成在冷過(guò)流部件和熱過(guò)流部件之間，導(dǎo)致電勢(shì)差，這導(dǎo)致金屬表面上的電解(即電化學(xué)作用)，并且金屬的光滑層由于電解而逐漸變得粗糙。只有當(dāng)表面光滑并被破壞時(shí)，機(jī)械剝蝕才能有效地開(kāi)始。這樣，在機(jī)械剝蝕、化學(xué)腐蝕和電化學(xué)反應(yīng)的共同作用下，金屬的損傷速度更快。圖4-1-2腐蝕葉片示意圖()雙吸泵葉片()軸流泵葉片此外，當(dāng)水中泥沙含量較高時(shí)，水泵溢流部件的表層會(huì)因泥沙的磨損而損壞，當(dāng)某些部件出現(xiàn)氣蝕時(shí)，會(huì)加速金屬腐蝕。在氣蝕破壞和凝結(jié)過(guò)程

6、中，隨著壓力的瞬時(shí)和周期性增加，水顆粒之間的碰撞以及對(duì)泵殼和葉輪的沖擊，泵會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的噪聲和振動(dòng)。其振動(dòng)會(huì)引起機(jī)組基礎(chǔ)或機(jī)座的振動(dòng)。當(dāng)空化振動(dòng)的頻率接近水泵的固有頻率時(shí)，會(huì)引起共振，這將大大增加其振幅。三。分類(lèi)圖4-1-4葉輪葉片背面的低壓區(qū)()離心泵()軸流泵1.葉片空化圖4-1-3設(shè)計(jì)流量為暴雨時(shí)葉片前緣渦流面積圖圖4-1-6軸流泵空化位置1-葉片前部2-葉片后部3-間隙4-輪轂表面5-導(dǎo)葉表面4-輪轂體表面5-導(dǎo)葉表面圖4-1-5離心泵空化位置1刀片正面2，3刀片背面：4前蓋板5間隙空化發(fā)生的地方。如圖4-1-2 圖4-1-6所示，即使水泵在設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行，由于水泵安裝高度較高等原因，葉

7、片出口背面也會(huì)出現(xiàn)低壓區(qū)。當(dāng)泵流量大于設(shè)計(jì)流量時(shí)，葉輪進(jìn)口處的相對(duì)速度方向向前偏移，角度增大，葉片前緣前部失去流量和渦流，導(dǎo)致負(fù)壓甚至空化。當(dāng)泵的流量小于設(shè)計(jì)流量時(shí)，它會(huì)減小并向后偏離，從而在葉片背面形成一個(gè)游動(dòng)渦流區(qū)，從而增加葉片背面低壓區(qū)的氣穴現(xiàn)象。在上述兩種工況引起的空化現(xiàn)象中，氣泡的形成和破裂主要發(fā)生在葉片的前后兩側(cè)，這種現(xiàn)象稱為葉片空化。葉片空化是水泵中常見(jiàn)的空化現(xiàn)象。2.間隙氣蝕當(dāng)水流過(guò)間隙時(shí)，如離心泵的回流罐，水流過(guò)突然變窄的間隙，速度增加，壓力降低，也會(huì)引起氣蝕。在葉片的外邊緣和軸流泵的泵殼之間的非常小的間隙中，在葉片的前側(cè)和后側(cè)之間的大壓力差的作用下，產(chǎn)生大的回流速度，導(dǎo)致間

8、隙中的局部壓降和氣穴現(xiàn)象。在泵殼對(duì)應(yīng)葉片的外緣形成一圈蜂窩狀點(diǎn)蝕空化區(qū)。如圖4-1-4 4-1-5所示，減漏環(huán)與離心泵葉輪外緣之間的間隙也會(huì)發(fā)生氣穴現(xiàn)象。圖4-1-7渦流空化的位置3.旋渦空化旋渦空化是由于取水建筑物和取水構(gòu)筑物的設(shè)計(jì)不當(dāng)而引起的，它在泵的入口處引起水流的紊流和旋渦，并產(chǎn)生旋渦帶，周期性地將大量氣體帶入泵內(nèi)。即使泵葉片本身不產(chǎn)生葉片氣蝕，由于渦流帶，葉片的低壓區(qū)域也會(huì)出現(xiàn)周期性的強(qiáng)葉片氣蝕。當(dāng)旋渦的旋轉(zhuǎn)方向與水泵的旋轉(zhuǎn)方向相同時(shí)，相對(duì)運(yùn)動(dòng)減弱，流量減小，揚(yáng)程降低，效率降低，功率增大或減小(軸流泵)，導(dǎo)致過(guò)載(軸流泵)或欠載(離心泵)；當(dāng)旋渦的旋轉(zhuǎn)方向與水泵的旋轉(zhuǎn)方向相反時(shí)，相對(duì)

9、運(yùn)動(dòng)將加強(qiáng)，流量將增加，揚(yáng)程將增加，效率將降低，離心泵的功率將增加或軸流泵的功率將降低，從而導(dǎo)致過(guò)載(離心泵)或欠載(軸流泵)。兩者都是不利的(圖4-1-7)。四.損害1.使泵的性能更差。詳見(jiàn)三. 3。2.損壞水泵的過(guò)流部件。見(jiàn)二。(二)詳情。3.見(jiàn)二。(3)關(guān)于產(chǎn)生噪音和振動(dòng)以及縮短機(jī)組使用壽命的細(xì)節(jié)V.常見(jiàn)原因1.安裝標(biāo)高太高；2.流入條件差；3.吸水損失過(guò)大；4.局部壓力過(guò)低；5.當(dāng)?shù)厮疁靥撸?.劣質(zhì)制造材料；7.技術(shù)水平太低了。六.減少和防止氣蝕的措施泵的氣蝕由泵本身的氣蝕性能和泵送裝置的使用條件決定。在泵的運(yùn)行過(guò)程中，氣穴現(xiàn)象總是在一定程度上發(fā)生。問(wèn)題在于試圖減輕氣穴現(xiàn)象的影響。減

10、少氣蝕的根本措施是提高泵本身的抗氣蝕性能，盡可能減少必要的氣蝕余量。然而，對(duì)于給定的泵，有必要合理地確定泵吸入側(cè)管道系統(tǒng)的安裝和泵的合理運(yùn)行。下面從使用角度描述一些減少氣蝕的措施。1.正確確定泵的安裝標(biāo)高：在設(shè)計(jì)泵站時(shí)，應(yīng)使裝置的汽蝕余量大于泵的允許汽蝕余量，或使泵入口處的吸入真空度小于泵的允許吸入真空度。同時(shí)，為了正確確定安裝標(biāo)高，應(yīng)充分考慮泵送裝置的各種工況。2.良好的進(jìn)水條件：進(jìn)水建筑物內(nèi)的水流應(yīng)穩(wěn)定均勻，無(wú)漩渦。大中型泵站的進(jìn)水流道應(yīng)設(shè)計(jì)合理，進(jìn)入葉輪的水流速度和壓力應(yīng)接近正態(tài)分布，以避開(kāi)局部低壓區(qū)。3.將進(jìn)水管路的水頭損失降至最低：泵站設(shè)計(jì)時(shí)，進(jìn)水管路長(zhǎng)度應(yīng)盡可能縮短，管路附件應(yīng)減少

11、，管路內(nèi)壁應(yīng)光滑，進(jìn)水管路直徑應(yīng)適當(dāng)加大。4.提高空化區(qū)的壓力：向水泵進(jìn)水管中注入少量的水或空氣，可以減輕氣泡破裂時(shí)的沖擊，降低空化區(qū)的真空度。但是，必須控制噴射量，否則泵的性能會(huì)變差。將高壓水從出口管引入泵的入口可以增加葉輪入口的壓力，從而提高泵的抗氣蝕能力。然而，這會(huì)降低水泵的出水量和效率。例如，江都水利樞紐第三排灌站在軸流泵葉片進(jìn)口端鉆斜孔，以增加空化區(qū)的壓力，從而降低葉片表面的空化程度。5.降低工作水溫：由于夏季溫度較高，可與井水混合，或在導(dǎo)流渠和取水建筑物處增加隔熱措施，以降低空化現(xiàn)象的危害程度。6.提高葉輪表面的光滑度：葉輪表面的光滑度影響泵的空化性能。光滑度越高，其抗氣蝕性越好。

12、如果葉輪表面粗糙，可以對(duì)其進(jìn)行精細(xì)加工以提高其光滑度。7.C允許的氣蝕余量與轉(zhuǎn)速的平方成正比。降低水泵轉(zhuǎn)速可以減少氣蝕的危害。調(diào)整泵工作點(diǎn)的具體方法見(jiàn)第三章第三節(jié)。第二節(jié)空化性能參數(shù)和空化基本方程圖4-2-1離心泵泵送裝置示意圖一.空化性能參數(shù)(a)氣蝕余量汽蝕余量是表征泵汽蝕性能的一個(gè)參數(shù)，在中國(guó)和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中通常用符號(hào)()表示。1.設(shè)備的氣蝕余量所謂汽蝕余量是指泵入口處單位重量水的剩余比能，它大于汽化壓力，其大小以換算成泵參考平面的水柱米數(shù)表示。根據(jù)它的定義，下列表達(dá)式可以寫(xiě)成：(421)其中：-泵站的泵送溫度下的汽化壓力()，以及其他符號(hào)具有與前面相同的含義。裝置的氣蝕余量是泵裝置給泵參考

13、平面上的單位重量的水提供的能量，以及減去相應(yīng)水溫的蒸發(fā)壓頭后剩余的比能。即機(jī)組給水泵提供的汽蝕余量。不同的設(shè)備形式有不同的計(jì)算公式。當(dāng)水泵安裝在取水建筑物的水面之上時(shí)，如圖4-2-1所示，以取水建筑物的水面為參考平面，選取絕對(duì)壓力，可以得到取水建筑物的水面和水泵進(jìn)水口橫截面的能量方程：(422)其中：進(jìn)水建筑物水面氣壓()；水泵入口處的絕對(duì)壓力()水泵進(jìn)口平均截面速度()，吸入管道的水頭損失()，其他符號(hào)與之前相同。流入建筑物的速度和水頭非常小，可以忽略不計(jì)。將公式(4-2-2)代入公式(4-2-1)，忽略進(jìn)水建筑物中的速度水頭，可得到廠房空化裕量的計(jì)算公式：(423)當(dāng)水泵安裝在進(jìn)水建筑物的

14、水面下時(shí)，也可以用同樣的方法推導(dǎo)出該裝置的汽蝕余量的計(jì)算公式(424)其中：泵的反沖洗(或溢流)深度()。應(yīng)該注意的是，裝置的氣蝕是指水泵裝置能夠?yàn)榻o水泵提供的氣蝕余量。圖4-2-2抽吸操作水泵的氣體拾取余量2.臨界空化余量臨界氣蝕余量是指當(dāng)泵內(nèi)最低壓力點(diǎn)的壓力為汽化壓力時(shí)，泵入口處的氣蝕余量。其實(shí)質(zhì)是當(dāng)最低壓力點(diǎn)的壓力降至汽化壓力時(shí)，泵入口處的水頭降，如圖4-2-2所示。也就是說(shuō)，臨界汽蝕余量是水泵汽蝕的臨界條件。3.容許氣蝕余量允許汽蝕余量是指在適當(dāng)增加臨界汽蝕余量以確保泵正常運(yùn)行而無(wú)汽蝕的情況下的汽蝕余量。其計(jì)算公式為(425)其中：0.3是根據(jù)中國(guó)第一機(jī)械部發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)1040-67增加

15、的安全值。一方面，大型泵較大，另一方面，當(dāng)模型試驗(yàn)轉(zhuǎn)換為原型泵時(shí)，由于比例效應(yīng)，0.3的安全值仍然太小，所以可由下式計(jì)算 (426)應(yīng)該注意的是也是泵本身的空化參數(shù)。當(dāng)泵的流量和速度相同時(shí)，數(shù)值越小，泵的空化性能越好。(2)允許真空抽吸允許的真空抽吸高度是在泵入口處允許的最大真空度，以確保泵內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)最低壓力，或者只出現(xiàn)對(duì)泵運(yùn)行無(wú)害的輕微氣穴現(xiàn)象，以轉(zhuǎn)換為泵裝置參考基準(zhǔn)面的水柱米數(shù)表示。它是泵空化參數(shù)的表達(dá)式。當(dāng)進(jìn)水建筑物的水面處于大氣壓時(shí)，如圖(4-2-1)所示。整理出水源面和葉輪進(jìn)口排的能量方程；(427)其中：水泵入口處的真空高度為。說(shuō)明：中水泵吸水過(guò)程中進(jìn)水建筑物水面與水泵進(jìn)水口之間的壓差是用來(lái)維持水流所需的流速水頭；另一方面，它用于克服由水流引起的水力摩擦阻力損失水頭；另一方面，它用于將水流從進(jìn)水建筑物的水位提升到一定高度。如果三者中的任何一個(gè)增加，真空度就會(huì)增加。為了防止泵出現(xiàn)氣穴現(xiàn)象，泵樣品中規(guī)定了泵的允許吸入真空度。如果達(dá)到，它對(duì)應(yīng)于最大允許凈吸入高度，考慮的安全儲(chǔ)備為：(428)(3)允許汽蝕余量與允許吸入真空度的關(guān)系為