如何提高耐磨耐腐离心泵抗汽蚀性能？

我们在检修耐磨耐腐离心泵时,常常发现在叶片入口边靠近前盖板处和叶片入口边缘附近有许多麻点和蜂窝状凹坑或严重地破坏原有结构,甚至有的叶片禾盖板被穿透的现象。这就是由于汽蚀所引起的破坏,在磨耐腐离心泵运行中产生了噪音和振动,并伴随着流量扬程效率的降低而不能工作。

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一、耐磨耐腐离心泵发生汽蚀的原因

汽蚀现象是水和汽变化的物理特性,水在一定温度和汽化压力下促使它们相互转化。由于离心泵在高速旋转的叶轮对液体作功,使液体能量增加,在相互作用过程中,液体的速度和压力在不断变化,而叶轮入口处是压力最低的地方,就会有蒸汽及溶解在液体中的气体从液体中大量逸出,形成许多蒸汽与气体混合的小气泡。这些小气泡随液体流到高压区时,气泡在高压区受压破裂而重新凝结。在凝结过程中,液体质点从四周向气泡中心加速运动,在凝结的瞬间,质点互相撞击,产生很高的局部压力。这些气泡如果在金属表面附近破裂而凝结,则液体质点就象无数小弹头一样,连续打击在金属表面上在压力很大频率很高的连续打击下,金属表面逐渐因疲劳而破坏,这就是机械剥蚀作用。在所产生的气泡中还有化学腐蚀作用,在气泡中的氧等活泼气在压力很大频率很高的连续打击下,金属表面逐渐因疲劳而破坏,这就是机械剥蚀作用。在所产生的气泡中还有化学腐蚀作用,在气泡中的氧等活泼气体在借助气泡凝结时所放出的热量,对金属起化学腐蚀。金属在气泡的机械剥蚀和化学腐蚀的共同作用下,加快了损坏速度,发生汽蚀的部位很快就被破坏成蜂窝或海绵状,使泵的性能下降,寿命缩短,直至无法工作。

针对汽蚀的破坏,从耐磨耐腐离心泵发生汽蚀原因中找出抗汽蚀性能的方法。

首先注意离心泵的安装高度。

泵的安装高度必须小于某一定值,也就是泵轴心线距液面的垂直高度(即吸上真空度),以确保叶轮内各处压力均高于液体的饱和蒸气压,避免产生汽蚀。

当离心泵吸入口处为绝对真空时,压力为10.3m汞柱高度,而吸入口处是不可能达到绝对真空的。当叶轮吸入口处的压力接近水的汽化压力时,就会产生汽蚀,再加管路的摩擦阻力就更加吸不上水来,所以离心泵抽水时最大安装高度(几何高度)不可能达到10.33m,即最大吸上真空度通常都低于8.5m。为了保证离心泵运行时不发生汽蚀,同时又尽可能大的吸上水,以减少土建工程量,我国机标规定,将最大吸上真空度的试验值减去0.3m的安全量,作为允许最大吸上真空度。所以在安装离心泵时一定要按铭牌说明书上所规定允许最大吸上真空度(吸程)安装,还必须注意最大吸上真空高度会随流量的增加而下降,在注意安装高度时还必须防止长时间在大流量下运行。

二、改进耐磨耐腐离心泵叶轮入口的几何形状

从泵的本身来说,泵的吸入口处并不是泵内压力最低的地方,因为液体自泵的吸入口流到叶轮过程中还有能量损失,压力还要降低,因为从泵吸入口到叶轮入口的过流面积一般是逐渐收缩的,同时液流方向也有变化,因而引起了附加的压力降。在进入叶轮流道时(如图)液体以相对速度Ⅵ,绕流叶片头部,由于急速转弯流速加快,在叶片背面K点压力相应降到最大,当K点处的压力等于液休在该温度下的汽化压力时,泵开始发生汽蚀。液体由离心泵入口到叶轮叶片入口边压力最低点,K的动压降就是我们通常所说的最小汽蚀余量亼min(NPSJ)(当然NPS越小抗汽蚀性能越好)。当离心泵吸入口超过汽化压力的能量数值降到正好等于液体的动压降时,叶轮内开始发生汽蚀,所以要使泵不发生汽蚀动压降亼h( NPSHa)必须大于最小汽蚀余量αNPSh越大越不易汽蚀),也就是指泵吸入口处单位重量液体所具有的超过汽化压力的富余能量必须超过汽化压力最低限度的能量。

当泵的转速和流量确定后,泵的最小汽蚀余量仅与吸入室和叶轮入口几何形状有关,所以提高水泵抗汽蚀性能主要措施之一是改进叶轮入口的几何形状。

1.采用双吸叶轮,双吸叶轮相当于两个叶轮背靠背地并联工作,采用双吸叶轮的泵的最小汽蚀余量相当于单吸叶轮泵的最小汽蚀余量的0.63倍,这样大大提高了叶轮抗汽蚀性能。

2.采用较低的叶轮入口速度,适当增大叶轮入口直径,提高了泵的抗汽蚀性能,但必须注意不是叶轮入口速度越低,叶轮入口直径越大越好。因为随入口直径増加后,密封环处间隙面积増大,泄漏量增加,使泵容积效率降低,另一方面,叶轮入口直径增大后,相对地缩短了流道长度,影响水力效率。所以在确定入口直径时,除了要考虑泵的抗汽蚀性能外,还要兼顾泵的效率

3.增大叶片入口边宽度,可以使叶轮入口相对速度W减小,从而提高泵的抗汽蚀性能。通常是在増大叶片入口边宽度与适当增大叶轮入口直径联合起来考虑,经验表明叶片入口过流面积和叶轮入口面积之比在1.1至2.5范围较好。对分数式多级泵第一级叶轮,一般略为加大叶轮入口直径以减低液体进入叶轮时的流速,提高泵的抗汽蚀性能,而其他各级叶轮由于已有一定的吸入压力,故就尽量减小叶轮入口直径,以提高泵的效率。

4.适当选择叶片数和冲角可以改善泵的汽蚀性能

一般叶片数取6片,对低比转数的泵可以取9片,对高比转数的泵可以取4~5片。

确定叶片数Z按经验公式估计Z=(1.1~1.5)D2，D2为叶轮外径,单位cm。

冲角是叶轮入口处的叶片安放角比相对速度液流角增大了一个角度,一般冲角取3°~15°,实验表明适当加大冲角可以延缓泵在大流量工况工作时抗汽蚀性能,但如果正冲角超过20°,将引起效率下降,如果取负冲角,则泵的抗汽蚀性能明显恶化。

三、耐磨耐腐离心泵采用抗汽蚀材料

当由于使用条件所限,不可能完全避免发生汽蚀时,应采用抗汽蚀材料制造叶轮,以延长叶轮的使用寿命,一般来说,零件表面越光滑,材料强度和韧性越高,硬度和化学稳定性越高,则材料的抗汽蚀性能也越好,实验证明铝铁青铜9-42α13稀土合金铸铁和高镍铬合金等材料,比普通铸铁的抗汽蚀能力大得多。

1.不同的材料抗汽蚀能力有十分明显的区别影响材料抗机械剥蚀能力的因素很多,通常具有高硬度和高弹性的材料抗机械剥蚀的能力较强,囯外推荐低碳铬镍合金钢,如134N作为在汽蚀状态下工作的水力机械材料。某泵站叶轮将原铸钢改换为不锈钢,运行多年未发现其破坏斑痕。铜叶轮比铸铁叶轮抗汽蚀效果好。

2.为防化学腐蚀给叶轮涂层的方法比较常用。

非金属涂料采用环氧树脂尼龙粉、聚胺脂等,但应注意操作工艺,以防止涂层脱落。当今,在流道表面堆焊合金或喷涂合金的方法防止汽蚀破坏有一定效果,如不锈钢焊条堆焊法、不锈钢镶焊修补法合金粉末喷焊和高速火焰喷涂

四、采用诱导轮提高耐磨耐腐离心泵的抗汽蚀性能

在离心泵的叶轮前加装诱导轮能提高泵的抗汽蚀性能,解决汽蚀问题,效果很好,而且运行维修方便。当液体流过诱导轮时,诱导轮首先对液体做功相当于进入后面叶轮的液体起到增压作用,从而提高了压力。虽然增加了电机的部分负荷,但由于电机的功率一般都比较大,所以电机仍能满足要求,勿需更换电机。但在设计制造断面形状诱导轮时必须注意诱导轮的外径轮毂直径叶片数叶片间距叶片长度厚度外圆处的液流角叶片冲角以及叶片入口边形状。诱导轮成螺旋形,螺旋外径处的螺旋角较小,内径处的螺旋角较大,以保证螺旋的导程相等。实践表明,如果离心叶轮和诱导轮合装后配合恰当,扬程有所提高,泵的汽蚀少,转数提高,效率也略升。随着人们对诱导轮的认识和设计制造水平的提高,以及使用经验的不断积累,将诱导轮作为提高泵抗汽蚀性能的最有力措施而被广泛应用。

五、修整叶片头部

修整叶片头部对降低叶片进口的水流速度,减小叶轮进口排挤,提高耐磨耐腐离心泵的抗汽蚀能力是有效的试验结果是将叶片头部背面修薄,在靠近叶轮前盖板处也修薄一些,不仅延长了叶轮使用寿命,还发现汽蚀余量下降0.5左右。