汽蝕對離心泵性能影響的實驗研究

(青海民族大學土木與交通工程學院，青海 西寧 810007)

離心泵一般具有大流量、低揚程、高效率、運轉(zhuǎn)可靠和維護方便等優(yōu)點[1]，在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應用。據(jù)統(tǒng)計，在石油、化工裝置中離心泵的使用量占泵總量的70%～80%[2]。但離心泵在長時間的運轉(zhuǎn)后，尤其是在高海拔地區(qū)，會出現(xiàn)危害嚴重的汽蝕現(xiàn)象，造成泵的性能下降，嚴重時影響泵的效率、壽命，甚至造成離心泵內(nèi)部部件損壞[3]。為了探究汽蝕對離心泵效率的影響程度及規(guī)律，本文在實驗室中通過改變進口壓力的方法，研究泵發(fā)生汽蝕時，泵效率的改變情況。通過實驗得出：當離心泵發(fā)生汽蝕時，其效率會發(fā)生不明顯的下降；發(fā)生嚴重汽蝕時，其效率會發(fā)生顯著下降。泵發(fā)生汽蝕時，提高進口壓力可以適當減小泵汽蝕所引起的危害。

1 汽蝕現(xiàn)象

汽蝕現(xiàn)象是19世紀末期人們在提高船舶螺旋槳的轉(zhuǎn)速時首次發(fā)現(xiàn)的一種現(xiàn)象，從此，開始了對此現(xiàn)象的研究。20世紀20年代，就提出了有明確物理意義的無因次系數(shù)[4]。第二次世界大戰(zhàn)以后，由于大力發(fā)展魚雷、潛艇等水下武器，對汽蝕現(xiàn)象的基礎研究就更為重視[5]。而到了40年代末至50年代，汽蝕核子、汽泡動力學以及汽泡的不穩(wěn)定性質(zhì)等思想逐漸興起，在此期間，還提出了非水液體問題，出現(xiàn)了誘導輪離心泵和超汽蝕泵[6]。直到今日，汽蝕問題仍是一個十分棘手的問題，人們研究發(fā)現(xiàn)，當抽送液體的絕對壓力降低到當時溫度下的液體汽化壓力時，液體便在該處開始汽化[7]，產(chǎn)生大量氣泡，當氣泡經(jīng)過葉輪內(nèi)的高壓區(qū)時，氣泡會瞬間被壓破。與此同時，液體以很高的速度填充空穴[8]，對葉輪或其他裝置造成破壞。當汽蝕現(xiàn)象較輕微時，泵體內(nèi)會出現(xiàn)振動和噪聲[9]；當汽蝕現(xiàn)象較嚴重時，會造成泵的性能下降，影響泵的效率。

2 實驗條件與過程

該實驗采用兩個型號均為ZP4-2-3D的離心泵進行，其參數(shù)見表1，剖面圖見圖1，實驗總裝置見圖3。在該次實驗中，針對單泵、雙泵并聯(lián)、雙泵串聯(lián)分別進行實驗。首先通過進口流量閥門使流量達到最大值，作為第一組數(shù)據(jù)；不斷調(diào)小進口流量閥門(間接地改變進口壓力)，當壓力表示數(shù)為1.94kPa(17℃下水的飽和蒸氣壓)時，記錄數(shù)據(jù)并作為泵是否發(fā)生汽蝕的判斷依據(jù)，當進口壓力大于1.94kPa時，泵不發(fā)生汽蝕，當進口壓力小于1.94kPa時，泵開始發(fā)生汽蝕，通過觀察進口段氣泡的多少及大小(見圖2)或裝置上真空表的數(shù)值來觀察汽蝕的程度；繼續(xù)調(diào)節(jié)進口流量閥門，當壓力表示數(shù)為零時，記錄此時的數(shù)據(jù)，作為最后一組數(shù)據(jù)。為了增強實驗的說服力，在從汽蝕區(qū)和非汽蝕區(qū)中各自選出兩組數(shù)據(jù)。最終通過所測得的數(shù)據(jù)，模擬出單泵、雙泵并聯(lián)、雙泵串聯(lián)三種情況下的進口流量—效率曲線。在泵發(fā)生汽蝕的條件下，調(diào)節(jié)無級變速開關，提高進口壓力值，觀察流量—效率的變化情況。

表1 離心泵參數(shù)情況

圖1 離心泵剖面

圖2 進口段管道的氣泡情況

圖3 實驗總裝置(左邊為1號泵、右邊為2號泵)

3 實驗成果分析

效率是衡量離心泵性能的重要指標之一，其計算公式為

(1)

式中N——泵的功率；

Q1——進口流量；

102——功率換算系數(shù)；

η——泵的效率；

H——揚程。

通過式(1)計算得出進口流量與效率的關系曲線。

正常情況下時，進口流量與泵效率呈拋物線關系(見圖4～圖6)，即：隨著進口流量的不斷增大，泵的效率先增大，達到最大值后，隨著流量的增大而減小。從圖5中可以看出，在雙泵并聯(lián)的條件下，正常情況時進口流量—效率關系曲線在1號、2號泵上表現(xiàn)相似。從圖6中可以看出，在雙泵串聯(lián)的條件下，正常情況時進口流量—效率關系曲線在1號、2號泵上表現(xiàn)相差較大，從圖中可以看出，1號泵的最大效率遠遠高于2號泵的最大效率。當離心泵發(fā)生汽蝕時，三種情況下，泵的進口流量—效率曲線變化趨勢相似，都是隨著汽蝕的發(fā)生泵的效率開始下降，但隨著汽蝕的不斷增大，當達到嚴重汽蝕區(qū)時，泵的效率發(fā)生急劇下降，此時的進口流量—效率曲線出現(xiàn)陡坡。從圖5、圖6中可以看出，當泵發(fā)生汽蝕時，不管是雙泵并聯(lián)還是雙泵串聯(lián)，此時的1號、2號泵進口流量—效率曲線近似重合，從而可以得出：在雙泵并聯(lián)或雙泵串聯(lián)時，由進口流量的變化而引起的汽蝕對泵效率的影響在1號、2號泵上表現(xiàn)相似。

圖4 單泵進口流量與效率的關系

圖5 雙泵并聯(lián)進口流量與效率的關系

圖6 雙泵串聯(lián)進口流量與效率的關系

圖7 進口流量與效率關系對比圖(單泵、1號)

圖8 進口流量與效率關系對比圖(單泵、2號)

不管泵的使用方式如何，其效率都會隨著進口流量的增大先增大，達到峰值后再降低(見圖7～圖8)。分析圖7可知，隨著進口流量的增加，紅線首先達到峰值，隨后是綠線達到峰值，藍線最后達到峰值。針對單泵與雙泵、串聯(lián)時的1號泵而言，其效率達到峰值時，進口流量的排序為Q并>Q串>Q單。從圖8中可以觀察出，隨著進口流量的不斷增加，紅線首先達到峰值，繼而是綠線，最后達到峰值的是藍線，針對單泵與雙泵并聯(lián)、串聯(lián)時的2號泵而言，其效率達到峰值時，進口流量的關系為Q并>Q串>Q單。從圖中還可以看出，在汽蝕區(qū)時，雙泵并聯(lián)和雙泵串聯(lián)的1號和2號泵的進口流量—效率曲線的變化程度與單泵的近似，其效率值都低于單泵的效率值。

綜上所述得出以下結(jié)論：

a.在不同情況下，泵發(fā)生汽蝕時，泵的效率開始下降，隨著泵汽蝕的不斷增大，達到嚴重汽蝕區(qū)時，泵的效率明顯下降，流量—效率曲線中出現(xiàn)陡坡。

b.汽蝕條件下，不管是雙泵并聯(lián)還是雙泵串聯(lián)，其1號、2號泵的流量—效率曲線相似。

c.在泵發(fā)生汽蝕的情況下，采用單泵時泵所達到的效率要高于采用雙泵并聯(lián)或雙泵串聯(lián)時泵所達到的效率。

4 采取的措施和效果

從上面分析可知，隨著進口壓力的不斷減小，泵的汽蝕程度越來越大，泵的效率也不斷降低。為了進一步探究汽蝕對泵效率的影響關系，該實驗在1號、2號泵上分別安裝了一個無級變速開關，在離心泵處于汽蝕的條件下，通過調(diào)節(jié)無級變速開關，運用改變轉(zhuǎn)速的方法來提高離心泵的進口壓力，研究此時離心泵的流量—效率關系曲線。通過對數(shù)據(jù)的分析繪制相關曲線(見圖9～圖11)。

圖10 雙泵并聯(lián)汽蝕效率與調(diào)整效率的關系

圖11 雙泵串聯(lián)汽蝕效率與調(diào)整效率的關系

從圖中可以看出，不管泵的使用方式如何，泵調(diào)整后的效率都高于泵發(fā)生汽蝕時的效率，由此可以得出：當泵發(fā)生汽蝕時，適當提高離心泵的進口壓力，可以有力地提升泵的效率，但在不同的汽蝕區(qū)，提高的程度也有所不同。當泵處于汽蝕區(qū)時，適當增大離心泵的進口壓力，效率有所提高，但提高得不明顯，可以近似地等于汽蝕效率；當泵處于嚴重汽蝕區(qū)時，

適當提高泵的進口壓力，泵的效率有明顯的提高?？梢?，提高泵的進口壓力，可以適當減小泵汽蝕對泵效率所帶來的危害，在嚴重汽蝕區(qū)時表現(xiàn)更為突出。

5 結(jié) 論

此次實驗通過改變進口壓力，間接改變進口流量，模擬出不同情況下泵效率的變化情況。通過流量—效率曲線，最終得出：當泵進口壓力小于當?shù)販囟认螺斔鸵后w的飽和蒸汽壓時，泵開始發(fā)生汽蝕，且泵效率也開始降低，但表現(xiàn)不明顯；隨著汽蝕的不斷增大，當達到嚴重汽蝕區(qū)時，泵的效率發(fā)生明顯下降，機器發(fā)出嗡嗡噪聲；當泵發(fā)生汽蝕時，提高泵的進口壓力，可適當減小由泵汽蝕對泵性能所帶來的危害。