液體溫度對(duì)離心泵汽蝕余量的影響分析

孫鳳鳴 馮樹才 許金波

（1.中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011；2.江蘇揚(yáng)子江船業(yè)集團(tuán)公司 江陰214500）

引 言

離心泵具有性能范圍大、流量均勻、運(yùn)轉(zhuǎn)可靠和維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，因此在船舶系統(tǒng)中的應(yīng)用最為廣泛。在船舶系統(tǒng)中，運(yùn)輸高溫流體的管路如鍋爐給水系統(tǒng)也廣泛采用離心泵。根據(jù)離心泵的特性和系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，其在運(yùn)行中可能會(huì)出現(xiàn)汽蝕現(xiàn)象。汽蝕使離心泵的運(yùn)輸流體的性能大大下降并影響泵的壽命，甚至?xí)?duì)運(yùn)輸?shù)牧黧w造成污染，而高溫是離心泵造成汽蝕的一個(gè)重要因素。本文將結(jié)合實(shí)船的鍋爐供水系統(tǒng)布置案例，分析系統(tǒng)高溫管路設(shè)計(jì)中防止汽蝕的措施。

1 汽蝕產(chǎn)生原因

離心泵吸入口能量平衡關(guān)系見圖1。

圖1 離心泵吸入口能量平衡關(guān)系

如圖1所示，離心泵吸入口處的能量平衡關(guān)系可以表達(dá)為［1］：

為滿足正常工作條件，應(yīng)滿足下面的條件：

離心泵在工作時(shí)，葉輪高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力使由吸入管吸入的流體沿葉片流道被甩向葉輪出口，同時(shí)在葉輪入口處形成低于大氣壓力的低 壓區(qū)。泵的流速越大，泵入口和葉輪中心之間的壓降越大。如果壓降足夠大，或溫度足夠高，當(dāng)局部壓力降低到流體的飽和蒸汽壓之下，流體便快速蒸發(fā)。葉輪中心壓力降低時(shí)所形成的氣泡隨著流體流向葉片。當(dāng)氣泡進(jìn)入的區(qū)域局部壓力高于葉片外的飽和蒸汽壓時(shí)，氣泡就會(huì)瞬間破裂，對(duì)葉片造成損壞。這種氣泡的形成和破裂現(xiàn)象就稱為汽蝕［2］。

2 汽蝕危害

在汽蝕的發(fā)生和發(fā)展過程中，葉輪流道中產(chǎn)生大量氣泡，破壞了流道的線型，充塞葉輪吸入口，使過流斷面減小，流體介質(zhì)連續(xù)性受到破壞，泵的揚(yáng)程H、流量Q、效率η都急劇下降； 當(dāng)氣泡在高壓區(qū)潰滅的瞬間，四周的流體質(zhì)點(diǎn)高速?zèng)_擊氣泡中心并互相碰撞，使離心泵產(chǎn)生強(qiáng)烈的噪聲和振動(dòng)，同時(shí)高頻沖擊波使過流部件表面受到侵蝕，產(chǎn)生裂紋并剝落，嚴(yán)重時(shí)泵殼被蝕穿。因?yàn)槠g現(xiàn)象會(huì)影響離心泵的正常工作，影響泵的使用壽命，所以應(yīng)嚴(yán)防泵的汽蝕現(xiàn)象發(fā)生［3-4］。

圖2所示為某型集裝箱船上，由于管路水溫過高引起離心泵汽蝕，從而導(dǎo)致葉輪被打壞。從泵運(yùn)行調(diào)試到葉輪被打汽蝕破壞，整個(gè)過程僅1 h，可見汽蝕對(duì)泵的壽命影響非常大。

圖2 離心泵汽蝕損壞實(shí)例

3 汽蝕余量的基本關(guān)系及計(jì)算

3.1 汽蝕余量的基本關(guān)系

離心泵發(fā)生汽蝕的條件是由離心泵本身性能和吸入管路布置兩方面決定的，因此研究汽蝕發(fā)生的條件， 應(yīng)從離心泵本身和吸入管路兩方面來考慮。離心泵汽蝕的基本關(guān)系式應(yīng)當(dāng)如下：

NPSHa ≤NPSHr —離心泵發(fā)生氣蝕NPSHa =NPSHr —離心泵開始汽蝕NPSHa >NPSHr —離心泵無汽蝕

式中：NPSHa為有效汽蝕余量，越大越不易發(fā)生汽蝕。NPSHr為必需的汽蝕余量，在不考慮變速的情況下， 其只與離心泵本身的結(jié)構(gòu)有關(guān)，而與吸入管路無關(guān)；又由于其反映液流從泵入口到葉片進(jìn)口能量降低值， 因此該值越小越不易發(fā)生汽蝕，即抗汽蝕性能越好。

3.2 有效氣蝕余量計(jì)算

由上式可以看出，有效汽蝕余量主要與以下因素有關(guān)：

（1）泵的安裝高度ZS；

在實(shí)船管路布置中，也會(huì)盡可能地考慮縮短吸入管，以便減少管路的沿程阻力損失此數(shù)值在流體體流速確定的情況下變化不大。對(duì)于開敞的系統(tǒng)中，pa一般都取大氣壓力值?？梢钥闯觯篘PSHa主要受到液體性質(zhì)pv、ρ以及泵吸入高度ZS的影響，而液體的性質(zhì)pv和ρ與液體的溫度相關(guān)，故影響NPSHa的為輸送液體的溫度和離心泵的吸入高度ZS。

4 實(shí)例計(jì)算

現(xiàn)以某型集裝箱船的鍋爐熱井至鍋爐給水泵系統(tǒng)為例進(jìn)行分析。該船配備的鍋爐給水泵排量為6.85 m3/h×1.2 bar（120 Pa）， 鍋爐給水泵的 NPSHr為3 m。從熱井單元至鍋爐給水泵之間的管路為通徑DN40（48×4），管路中設(shè)有2個(gè)截止閥和1個(gè)鹽度檢查裝置。熱井單元布置在機(jī)艙內(nèi)距基線15160 mm處、鍋爐給水泵布置在機(jī)艙內(nèi)距基線9976 mm處。鍋爐的供水溫度設(shè)定在80℃左右，具體布置參見圖3。

圖3 某型集裝箱船的鍋爐給水管路布置

根據(jù)放樣設(shè)計(jì)提供的相關(guān)計(jì)算數(shù)據(jù)，該段管路的沿程阻力損失約為∑hi= 4.9 m。此時(shí)的熱井內(nèi)水位位置高于離心泵的布置高度，可考慮為倒灌形式，ZS= 5.2 m。

根據(jù)查閱淡水的相關(guān)參數(shù)表可知，80℃時(shí)水的飽和蒸汽壓力為：pv= 0.47359×105Pa，大氣壓力為pa=1.01325×105Pa［6］。

由此便計(jì)算鍋爐給水系統(tǒng)的NPSHa如下：

此時(shí)的NPSHa（6.21 m）>NPSHr （3 m），鍋爐給水泵不會(huì)出現(xiàn)汽蝕現(xiàn)象。

而在實(shí)船安裝布置后，某次試驗(yàn)操作造成熱井中的水溫加熱至95℃（設(shè)計(jì)值為80℃），泵發(fā)生氣蝕而造成損壞。此溫度下水的飽和蒸汽壓力為pv= 0.84525×105Pa。計(jì)算可得此工況下鍋爐給水管路中的NPSHa如下：

此時(shí)的NPSHa（2.41 m）

針對(duì)此案例，根據(jù)80℃、85℃、90℃、95℃每一檔的溫度的飽和蒸汽計(jì)算離心泵的有效汽蝕余量，以及溫度每升高5℃NPSHa的變化值ΔNPSHa如表1所示。

由表1可以看出，當(dāng)溫度加熱到90℃時(shí)泵的汽蝕余量還是相對(duì)安全。但隨著溫度升高，泵的汽蝕余量下降速度也更快。從80℃升至85℃時(shí)，泵的有效汽蝕余量只減少了0.77 m；而從90℃升至95℃時(shí)，泵的有效汽蝕余量卻減少了1.48 m?？梢?，溫度是影響管路氣蝕余量的較重要因素。

反之亦然，如果該離心泵要滿足在95℃水溫下正常工作，必須將熱井單元的高度抬高至少0.6 m。

5 結(jié) 語

離心泵在船舶中的應(yīng)用極其廣泛，而汽蝕的發(fā)生對(duì)離心泵的危害巨大。根據(jù)以上的理論以及實(shí)際案例分析，可以得出離心泵內(nèi)輸送高溫水的管路中水溫的升高對(duì)于管路汽蝕余量的影響是比較大的一個(gè)因素。所以在設(shè)計(jì)中遇到離心泵用于高溫水管路時(shí)，應(yīng)認(rèn)真核算離心泵的汽蝕余量是否滿足要求。如有特定的輸送溫度要求，一定要在設(shè)計(jì)中提前考慮，保證足夠的吸入靜壓。