控制离心泵的气蚀

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)chikezienwaoha@yahoo.com  作者:Chikezie Nwaoha

  对于离心泵,叶轮中心的流体面积比泵入口管道或叶轮之间的流体面积要小。当流体进入离心泵的中心后,流体面积会显著增加,而流速的降低会伴随着压力的降低。

   泵的流速越大,泵入口和叶轮中心之间的压降越大。如果压降足够高,或温度足够高,当局部压力降低到饱和蒸汽压之下,流体会快速蒸发。叶轮中心压力降低时所形成的气泡随着流体流向叶片。当气泡进入的区域局部压力高于叶片外的饱和蒸汽压时,气泡就会突然破裂,对叶片边缘造成损坏。这种气泡的形成和破裂现象就称为气蚀。

  气蚀会降低离心泵的性能,引起流速和出口压力的变动。气泡导致的震动会在叶片边缘形成小的凹坑。每个凹坑都是很微小的,但是大量凹坑不断累积可能会损坏泵的叶轮。此外,气蚀还可能导致泵的过度震动,损坏泵的轴承、磨损环和密封。

气蚀的常见原因

  流体流经高温区域时,其中所携带的气泡破裂时就会发生气蚀,引发噪音、震动,有可能造成泵部件的损坏,降低泵的效率和扬程。流体中的气泡形成有多种模式,包括蒸发、回流、叶片通道效应、涡流和空气吸入。

蒸发

  水中可溶解高达12%的空气。在特定的运行条件下,溶解在水中的空气会蒸发。流体压力过低或温度过高时,就会蒸发。所有离心泵都有一个必需吸入扬程(压力),该扬程值由泵的制造商以清水为介质在20℃下测定。水从源头流经管道到达泵的吸入端时会有压力损失,因此所需扬程值要在压力损失计算出来以后再确定。

   此外,当泵没有得到正确的冷却时,流体也会蒸发。因此热量的聚集会导致泵内流体的蒸发,形成气泡。泵的入口过高、堵塞或者设计不佳、泵的冷却不足或吸滤器受阻都会导致溶解的空气蒸发。为了解决蒸发问题,必须提高吸入扬程,降低流体温度,减小必需气蚀余量(NPSHr)或避免热量在泵内累积。

 涡流

  流体能够以稳定的流速流经管道是最理想不过的。但水池的搅动、入口过滤器的堵塞和腐蚀都会改变液体的流速。流速改变,压力相应也会改变。在多级泵系统中,不同流速的流体汇合时可能会造成涡流,不同流体路线之间的摩擦还会增加剪切应变(图1)。这一情况可以通过管道的合理布置来避免,例如:

  ◆ 确保泵吸入口的间距,管道的第一个弯曲处至少为管道直径的10倍。

  ◆ 将吸入口放置在不同的区域内,防止相互干扰。

回流

  当流经泵的流体速度较低时就会发生内部回流(图2)。这种现象可以在叶片的边缘用肉眼看到。一共有两种回流形式,它们可以在入口和出口处同时或分别出现。两种回流形式都是由于方向相反的流体进入泵的吸入口造成的,它们会在叶轮中心或附近、入口管道或在吸入口内形成高速涡流。较高的流速会导致局部压力过低,当其低于流体的蒸汽压之时,发生气蚀的可能性就会增加。

  位于叶轮中心附近的入口叶片受压部位的气蚀损坏就是吸入回流的迹象。在出口回流中,流出出口的低速流体可能会反向,从而在两个方向的流体之间形成高速涡流。这种情况会导致局部低压,如果压力降至液体蒸汽压之下,就会发生气蚀。这种回流会导致叶轮外沿、出口内侧、分水角处(cutwater)或出口附近的管道的气蚀损坏。

  低流速下的回流气蚀是泵的固有缺陷。这一直是低气蚀余量(NPSH)泵存在的一个问题。要减轻回流问题,泵的吸入转速必须接近最佳效率点(BEP)。这是一种控制回流的预防性措施。

叶片通道狭窄

  当叶轮通道的外径与泵的分水角处直径过于接近时,就会发生这种气蚀损坏。当流体流经较窄的通道时,流速会增加,从而引起压力的降低,导致局部蒸发和脉动。该过程所形成的气泡一旦到达分水角外的高压区就会破裂。这种破坏对于叶轮盖板出口边缘、叶轮中心和泵壳下游以及分水角后侧的破坏是有限的(图3)。对于较小的叶轮(14英寸或以下),如果叶轮尖端和分水角处之间的最小间隙为叶轮直径的4%,那么就可以避免叶片通道过窄;对于较大的叶轮(大于14英寸),建议最小间隙为叶轮直径的6%。

空气的吸入

  离心泵可以处理空气体积含量为0.5%的流体。如果空气比例增加,后果可能非常严重。在空气被吸入的情况下,气泡不是在叶轮中心形成的,而是由外界空气的进入造成的。空气进入泵内的常见原因包括:阀门位于流体路线之上;泵轴密封出现故障 ;止回阀调节错误 ;吸入管道有孔;水池液位低、旁路系统太接近于吸入管道;或空气进入填料函。空气吸入很少会对叶轮或泵壳造成破坏,其主要影响是性能的降低。

预防和控制

  如果离心泵正遭受气蚀,对系统的设计或操作进行一些改变,将装置气蚀余量(NPSHa)提升至NPSHr之上,有可能会消除气蚀现象。

  ◆ 提高NPSHa: 这可以通过增加泵吸入口的压力实现。例如,当泵从密封的储罐中吸取流体时,增加液体上部空间的压力或提升储罐的液位都会增加吸入压力。

  ◆ 降低NPSHr: 对于一台特定的泵来说,NPSHr不是恒定不变的。起初,NPSHr随着流速的增加而增加。因此,流速的降低可以减小泵的NPSHr值。另一个因素是泵的转速。叶轮转速越快,NPSHr值越大。因此,叶轮转速减小,NPSHr值也会减小。

解决问题

  泵产生的故障声响被称作“噪音”,这也是离心泵发生气蚀的一个征兆。气蚀的其他征兆还有:功率消耗过大和出口压力的波动等。在良好的运行条件下,这些迹象应该很容易地被发现且马上被识别出来。设备的正确保养可以防止大多数空气污染问题的发生。如果在问题发生时,例如空气污染、空气吸入、叶片通道问题或回流,及时发现这些问题并采取合理的解决措施是很必要的。

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