水環(huán)式真空泵汽蝕問題及消除汽蝕措施分析

李俊宏

摘要：對于水環(huán)式真空泵而言，其運(yùn)行過程中通常會出現(xiàn)水溫過高而導(dǎo)致汽蝕問題，進(jìn)而對設(shè)備的運(yùn)行造成不良影響。水環(huán)式真空泵在新建大功率設(shè)備、機(jī)組中的應(yīng)用有著較大優(yōu)勢，所以消除水環(huán)式真空泵的汽蝕問題有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義?；诖耍恼峦ㄟ^讀相關(guān)文獻(xiàn)研究以及結(jié)合筆者多年工作經(jīng)驗(yàn)情況下，首先就水環(huán)式真空泵發(fā)生汽蝕的原因展開分析，然后結(jié)合真空泵的運(yùn)行原理探討了消除水環(huán)式真空泵汽蝕的有效措施。

關(guān)鍵詞：水環(huán)式；真空泵；汽蝕；原因分析：消除措施

在符合標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置的要求下以及在設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)，真空泵得以正常地運(yùn)行。而若是真空泵機(jī)組處于長期滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，又或者是在夏季時冷卻系統(tǒng)中的水溫過高或者流量過小，都會造成真空泵散熱不良的問題，此時真空泵處于高真空狀態(tài)，且極為接近憋死狀態(tài)下運(yùn)行，不利于真空泵的穩(wěn)定運(yùn)行。就物理原理分析，基于一定水溫，真空的程度越高，水溫也就會越高，真空泵內(nèi)的水發(fā)生同時會生成大量氣泡，而氣泡在形成與破裂的過程中，將會使葉輪發(fā)生汽蝕性損傷，對葉輪的平衡運(yùn)行造成破壞，進(jìn)而導(dǎo)致真空泵體發(fā)生劇烈振動，使得壓力開關(guān)、氣門反饋裝置以及壓力真空表等真空泵附屬設(shè)備發(fā)生損壞，并且產(chǎn)生極大的汽蝕噪聲，不利于真空泵的安全運(yùn)行，進(jìn)而導(dǎo)致汽輪發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行癱瘓，甚至?xí)l(fā)嚴(yán)重的安全事故。

一、水環(huán)式真空泵的工作原理

在泵體內(nèi)盛入適量的水充當(dāng)工作液作用，在葉輪發(fā)生旋轉(zhuǎn)過程中，在離心力的作用下，使得真空泵內(nèi)部產(chǎn)生一個接近泵腔厚度的封閉式圓環(huán)，泵腔的形狀決定了圓環(huán)的大小與形狀。對于水環(huán)的位置以及與葉輪的聯(lián)系主要是其上部分內(nèi)表面相切語葉輪輪轂，其下部分內(nèi)表面與葉片頂端發(fā)生接觸，通常是葉片有一部分插入水環(huán)內(nèi)。因?yàn)槿~輪偏心形態(tài)，所以使得葉輪輪轂和水之間，形成了月牙形狀的空間，而葉片將這一空間分成了干個小腔，水環(huán)與葉片發(fā)生相對運(yùn)動，導(dǎo)致了相鄰葉片之間的空間容積發(fā)生規(guī)律的周期性改變?？臻g容積發(fā)生由小變大過程中氣體則由外界吸入；當(dāng)容積出現(xiàn)由大變小時，空間力的氣體受到壓縮，當(dāng)壓力比外界的大氣壓略高時，氣體從水中分離出來，然后排到分離器中，分離出的水經(jīng)過冷卻系統(tǒng)的冷卻作用后，在真空泵自吸作用下從泵殼下方進(jìn)入泵內(nèi)。

另外，將一級前置抽氣器以串聯(lián)的方式置于水環(huán)式真空泵進(jìn)口管道上，使用空氣作為前置抽氣器的工作介質(zhì)。凝汽器中形成真空前，水環(huán)式真空泵直接通過泵組的進(jìn)氣口，隔離閥門氣口，以及抽氣器旁邊的閥口，向凝汽器進(jìn)行抽真空，此時應(yīng)關(guān)閉抽氣器空氣隔離閥。若是真空泵組的進(jìn)口隔離閥前的真空狀態(tài)形成一定程度，此時前置抽氣器空氣進(jìn)氣隔離閥則會自動地進(jìn)行開啟，同時在旁邊的隔膜閥會自動關(guān)閉，前置抽氣器進(jìn)入了串聯(lián)的工作狀態(tài)。

二、大氣噴射器的設(shè)計(jì)原理

大氣噴射器運(yùn)作原理是，在水環(huán)真空泵啟動之后，噴嘴進(jìn)、排氣口間出現(xiàn)壓力差，空氣經(jīng)噴嘴進(jìn)入到泵內(nèi)，若是壓力差到達(dá)大氣壓強(qiáng)的一半時，空氣在經(jīng)過噴嘴的收縮段時得到了大幅提速，到達(dá)喉部時獲得了初步加速，在擴(kuò)張段獲得進(jìn)一步加速，可達(dá)到聲速，之后加速后的空氣介質(zhì)射向擴(kuò)散器，形成高速空氣介質(zhì)流，同時導(dǎo)致吸氣室內(nèi)壓力低于被抽容器內(nèi)的壓力，此時被抽容器內(nèi)的氣體在壓力作用下進(jìn)入吸氣室。兩股介質(zhì)混合后發(fā)生能量交換，動力能損失的空氣介質(zhì)速度慢慢減小，在壓力作用下進(jìn)入擴(kuò)散器喉部，速度降低到聲速以下，進(jìn)入護(hù)張段時速度進(jìn)一步降低，同時壓力也在不停提升，最終達(dá)到大氣噴射器對于排氣壓力的要求，此時水環(huán)泵將氣體吸入泵內(nèi)再排出泵外，這就完成了吸氣與排氣的整個過程。

三、水環(huán)式真空泵汽蝕原因分析

當(dāng)真空泵出現(xiàn)異常導(dǎo)致運(yùn)轉(zhuǎn)停止時，蒸汽外泄使泵內(nèi)工作水溫迅速增加至接近沸騰，同時生成大量氣泡。氣泡的形成至破裂的過程都會對引發(fā)葉輪形成汽蝕性損壞，使葉輪的動平衡遭到破壞進(jìn)而導(dǎo)致泵體發(fā)生劇烈振動，使真空泵的附屬設(shè)備遭到破壞，同時造成極大汽蝕問題。隨著真空狀態(tài)的提升，泵內(nèi)壓力不斷降低，振動與汽蝕問題進(jìn)一步加劇，導(dǎo)致水環(huán)不斷增大，大幅增加了葉片負(fù)荷，極易導(dǎo)致葉片斷裂，尤其是葉輪鑄造存在缺陷之處特別容易發(fā)生葉片斷裂。

本次發(fā)生汽蝕現(xiàn)象的主要原因是由于蒸發(fā)器停車，使得蒸汽閥門發(fā)生內(nèi)漏，蒸汽經(jīng)抽氣管道進(jìn)入到真空泵內(nèi)，水環(huán)真空泵內(nèi)剩余的水溫度快速升高，負(fù)壓蒸發(fā)系統(tǒng)再次啟動時水溫進(jìn)一步升高至沸騰，形成大量氣泡，真空泵在葉輪帶動下進(jìn)入到高壓壓縮腔體內(nèi)，氣泡擠壓破裂進(jìn)而造成葉輪氣蝕損壞。

四、消除措施

鑒于此次氣蝕發(fā)生的原因是由于蒸汽發(fā)生內(nèi)漏，使得真空泵剩余的工作液溫度升高，下次啟動時水環(huán)真空泵內(nèi)的工作液的溫度在短時間內(nèi)快速升高，直至沸騰。因此，通過改變控制程序，在真空泵再次啟動之前置換掉真空泵內(nèi)剩余的高溫工作液，真空泵再次啟動時工作液發(fā)生由于溫度過高而產(chǎn)生氣泡，導(dǎo)致葉輪汽蝕的問題。

五、具體操作步驟

當(dāng)水環(huán)式真空泵啟動后，壓力開關(guān)對泵內(nèi)壓力測量值小于10kPa的情況下（具體的參考壓力值可結(jié)合季節(jié)不同情況下的運(yùn)行情況進(jìn)行設(shè)定），關(guān)閉大氣噴射器的切換閥，開啟大氣噴射器的驅(qū)動氣動閥，此時大氣噴射器處于運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)泵內(nèi)壓力大于14kPa時，先關(guān)閉驅(qū)動氣動閥，再開啟切換閥，此時大氣噴射器處于停車狀態(tài)。不用改變原來機(jī)組中，針對泵組抽汽氣動蝶閥壓力、壓差開關(guān)設(shè)定值。

六、改造結(jié)果

通過以上改措施造，避免了水環(huán)式真空泵汽蝕問題，軸承處的振動幅度與噪聲都明顯降低，延長了真空泵的使用壽命。經(jīng)過改造措施之后，葉輪運(yùn)行良好，沒有出現(xiàn)振動過大、溫度過高以及葉片斷裂問題。對于高真空階段的泵組抽氣性能而言，加裝大氣噴射器之后其性能明顯較單泵更好，同時能夠使得凝汽器真空保持在較為理想的水平（2～6kPa），使得機(jī)組的帶負(fù)荷率的提高有了較為良好條件。大氣噴射器安裝之后，降低了汽蝕引起的振動對葉輪表計(jì)以及軸承等其他附屬的損傷，使得泵的檢修周期與使用壽命得到了有效延長，大大節(jié)約了維護(hù)成本。同時提高了水環(huán)式真空泵的穩(wěn)定性與安全性。

七、結(jié)束語

水環(huán)式真空泵發(fā)生汽蝕問題，振動故障會導(dǎo)致葉輪葉片出現(xiàn)裂紋、斷裂，導(dǎo)致真空泵運(yùn)行故障，對機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行造成不良影響。通過加裝大氣噴射裝置進(jìn)行改造之后，大大降低了真空泵軸承振動幅度與頻率，降低了運(yùn)行過程中的噪音影響，避免可出現(xiàn)葉片斷裂故障，此外還可以通過提高機(jī)組的真空狀態(tài)降低能耗。通過改造措施使得真空泵軸承、葉輪的使用壽命與運(yùn)行穩(wěn)定性得到了大幅提升，此外還延長了真空泵及輔助設(shè)備的檢修周期，大大節(jié)約了維護(hù)成本。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳世恩.水環(huán)式真空泵汽蝕的原因分析及消除措施研究[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì)，2017.

[2]張斌仉國明，戈春鵬武翔.水環(huán)式真空泵汽蝕原因分析及改造措施[J].河北電力技術(shù)，2012.

[3]吳世恩.水環(huán)式真空泵汽蝕的原因分析及消除措施研究[J]. 建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì)，2017.