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IH50-32-160型离心泵气蚀性能改进的探讨 |
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作者：广东省建材学校 叶颖 |
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摘要：针对某型号离心泵比较特殊的气蚀特性曲线，分析了其内在的气蚀机理，得出了减少气蚀发生、提高泵的运行效率的办法。实践表明，所采取的办法经济、合理且效果显著。
关键词：离心泵 性能曲线 气蚀特性
某公司设计制造的IH50-32-160型号离心泵经检测后，其气蚀性能曲线NPSHR-Q如图1所示，呈现出两头(大流量与小流量时)大的情况，而与之对应的扬程却不低。下面对这种现象作些初步的分析，以期获得改进气蚀性能的办法。
图1 改进前泵的气蚀曲线
1 离心泵气蚀的概念
从本质上看，离心泵气蚀现象是一种流体力学的空化作用，与旋涡有关。它是指流体在运动过程中压力降至其临界压力(一般为饱和蒸汽压)之下时，局部地方的流体发生汽化，产生微小空泡团。该空泡团发育增大至一定程度后，在外部因素的影响(气体溶解、蒸汽凝结等)下溃灭而消失，在局部地方引发水锤作用，其应力可达到数千个大气压。显然这种作用具有破坏性，从宏观结果上看，气蚀现象使得流道表面受到浸蚀破坏(一种持续的高频打击破坏)，引发振动，产生噪音；在严重时出现断裂流动，形成流道阻塞，造成水泵性能的下降。所以说，气蚀问题是水泵行业的一个很重要的科研课题。
从上述表述可知，气蚀现象是由于流场中出现的最小绝对压力引起，哪里的绝对压力小，哪里就容易发生气蚀。因而，控制最小绝对压力即可控制空化作用，有效地减少气蚀现象的发生。
水泵是一种给流体增加能量的机器。流体经叶轮向外流出，其压力一般而言是增加的，因而在水泵中流体出现最小压力的地方只能是叶轮叶片进口处附近。这样一来，确保流体在叶轮叶片进口处具有足够的绝对压力，便成为避免水泵发生气蚀的关键。
2 水泵的气蚀余量NPSH
由于叶轮机械中流体运动的复杂性，很难从理论上计算出流场中何处可能出现气蚀，再加上气蚀现象不仅仅取决于流体的流动特性，还取决于流体本身的热力学性质，所以，更难于从理论上提出气蚀发生的判据。因此，在实践中往往是采用经验加实验的办法来提出气蚀判据。水泵的气蚀余量概念即是其中的重要判据之一，它既具有一定的理论意义，又是产品验收的标准之一。
水泵气蚀余量有两个概念：其一是与安装方式有关，称有效的气蚀余量NPSHA，它是指水流经吸入管路到达泵吸入口后所余的高出临界压力能头的那部分能量，是可利用的气蚀余量，属于“用户参数”；其二是与泵结本身有关，称必需的气蚀余量NPSHR，它是流体由泵吸入口至压力最低处的压力降低值，是临界的气蚀余量，属于“厂方参数”。要确保水泵在运行中不气蚀，必须在安装上保证NPSHA≥K×NPSHR，(K为安全裕量)，而后者由制造厂所保证。从这个意义上看，降低水泵气蚀余量的意义在于保证水泵的绝对提水高度，满足使用要求。
如图2所示，一般采用下列公式来计算气蚀余量
式中：P0为下游压力；Pv为临界压力；HSZ为安装高度；∑hs为吸入管路流动损失，包括阀门、弯头等处的损失。
图2 泵气蚀余量的计算
由上式可以看出，NPSHA是一种能量储备，较小的NPSHA可使得安装高度HSZ较大，这是有利的。
式中：V1为叶片进口绝对速度；λ1为绝对速度变化及流动损失引起的压降系数，称绝对速度的不均匀系数；W1为叶片进口相对速度；λ2为流体绕流叶片头部引起的压降系数，称叶片的气蚀系数。
由上式可以看出，NPSHR仅与泵本身的运动特性有关。对设计者而言，要求NPSHR尽可能小，以使得泵在安装上有较充裕的气蚀储备。
3 NPSHR的分析
显然，NPSHR的大小取决与泵吸入口出流体运动的能量损失。由于流程较短，这种损失主要体现为流动局部损失。有如下几方面的因素：
(1)泵吸入口到叶轮进口流道收缩，流速增加而产生的压力损失以及流体运动自轴向变为径向，转弯处流场不均匀而产生压力损失；
(2)流速变化引起的流动损失，体现为压力降低；
(3)流体绕流叶片进口缘产生的能量损失；
(4)叶片厚度排挤作用使得进口速度增加而产生压力损失；
(5)非设计工况下运行流体在叶片前缘产生的冲击损失；
(6)叶轮铸造质量不佳、流道表面不平所致流动粘性损失。
在上面几方面的因素之中，难以完全避免的是前两项；而后几项则可以通过改进设计及制造质量来使之减少。这就要求设计者在设计时应力求使得从泵进口到叶轮进口这一段流道尽可能地合乎流体运动之流线，以减少这一段流动的压力损失；而对一台现有的产品泵来说，分析其气蚀性能亦应当从分析其进口流道的流动损失着手。
4 某离心泵的气蚀分析
现在对前面所提到的离心泵的气蚀问题作些定性分析。该泵的气蚀余量偏大，其原因可以认为是由于泵吸入口处存在的过大的压力损失所引起的。但该泵在小流量时气蚀余量大，这与通常检测结果不一样，可能与设计和制造有关。小流量时的气蚀余量增加，可认为是在小流量时液流入口角增加，使得叶片入口正冲角过大，从而脱流过大，产生了很大的压力损失；而大流量时气蚀余量增加，更主要的则是由于流速增加使得损失增加所致。
从设计和制造两方面来看，除去间隙气蚀的原因外，叶片进口安放角偏小(设计偏小或铸造时偏小)，叶片入口厚度大，叶片表面铸造质量不佳可能是该型号泵气蚀余量大的主要原因。
5 改进措施
对本例泵来说，可以采取以下一些适当措施来减少气蚀发生的可能性：
(1)若有可能的话，可将叶片进口边前移，即在进口边处粘结上一块，使得流体及早接触叶片获得能量，避免出现低于临界压力的情况发生。
(2)清理叶轮入口流道，尽量使其光滑平坦，提高进口光洁度，减少流动阻力，降低压力损失。
(3)打磨叶片头部，削尖，以减少进口冲击损失，降低进口冲角的敏感性。
(4)如果间隙气蚀严重，可采用在叶轮上打平衡孔的办法来减少泄漏流速，以减轻气蚀程度。
6 改进结果
原泵的铸造质量不好，外观明显可见叶型表面凹凸不平，因此决定重新铸造。首先修理了木模表面，提高其光洁度。然后在叶片进口边处加上一块叶型，并削尖其进口前缘。最后铸造，得到了质量较好的叶轮。经过测试，其气蚀特性曲线如图3所示。
由图3可见，气蚀余量NPSHR得到了较大改善。因此，本文所提出的方法是可行的。
图3 改进后泵的气蚀曲线
(end)
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(6/2/2004) |
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