排水泵喘振與汽蝕現象改善措施研究

張麗霞

(大同煤礦集團大斗溝煤業(yè)有限公司，山西 大同 037003)

0 引言

礦井主排水泵是確保礦井正常運轉并避免水害影響的主要設備，而礦用主排水泵多為多級離心泵。水泵在使用過程中，比較常見的故障有喘振和汽蝕。水泵產生喘振現象后，泵體內部受到水力沖擊作用加大，會對水泵各過流元件造成極大損傷，嚴重影響水泵正常運轉。汽蝕會對水泵內葉輪和各過流表面造成損傷，甚至造成表面變形和疲勞，降低水泵的運行效率，并表現出異常噪音和振動現象。為此，加強對礦井主排水泵的運行工況監(jiān)控，及時發(fā)現喘振和汽蝕現象，能夠有效確保水泵正常運轉效率，并確保井下排水工作的正常進行。

1 排水泵喘振與汽蝕現象分析

1.1 進氣導致喘振

水泵運轉過程受到多種因素影響，少量空氣會伴隨水流進入水泵泵體內部，被帶入的空氣受到流體的液體壓力，在葉輪低壓處會進行膨脹，而被帶入高壓處會被壓縮，體積縮小而壓力升高，形成小范圍的高壓區(qū)，該過程會不斷受到泵體內部流體的狀態(tài)影響而不停發(fā)生變化，這類泵體內部的體積變化會影響到流體低壓的真空度，降低排水泵吸水能力。壓力變化還會對泵體本身產生沖擊作用，致使離心泵出現振動和噪音，水泵的揚程、流量以及機械效率都會受到影響。

液體降落進氣：礦井排水系統需要井下排水先匯入水倉內，再通過主排水泵抽出輸入至地面進行處理，這就構成了一個水體循環(huán)流動系統。井下排水匯入水倉前，會由高處落下，沖擊作用會將一部分空氣攜帶至水體，當沖擊所產生的所有能量全部消耗完，進入水體的氣體會逐步釋放，水體需要進行一定時間的靜置，才能釋放大部分空氣。由于設計、現場場地等因素，水倉深度和體積會存在一定限制，水倉深度過低，水體流量過大，就會導致氣體尚未完全釋放就被帶到泵體進入循環(huán)系統內部。

蝸旋進氣：排水泵循環(huán)吸入過程中，液位急劇下降，會沿吸水口中心形成漩渦，這種渦流現象會攜帶一定量空氣伴隨水流進入泵體及循環(huán)系統內。而空氣進入泵體對系統造成的影響與上述情況是一致的。該情況大多是由于水井水位過低，水泵進水口設置過淺造成的。還有極個別情況是由于進水管出現漏氣現象。

1.2 氣蝕現象與分類

汽蝕現象主要是由于泵體內部流體壓力低于飽和蒸汽壓力，部分水出現汽化現象形成氣泡，體積上出現膨脹，隨水流流動到泵體高壓區(qū)域，受到壓力作用，氣泡重新凝結為液體，負壓作用導致水流向該處匯集，形成沖擊現象，形成水錘現象，作用在水泵葉輪上，長期作用下對葉輪和水泵的流道表面都會造成金屬疲勞，形成表面蜂窩狀孔洞或出現表面金屬部分剝蝕，同時氣泡攜帶的氣體本身也會造成金屬表面氧化，對葉輪和流道表面產生腐蝕。離心泵水流低壓區(qū)通常位于第1級葉輪入口處，汽蝕造成的沖擊力非常大，沖擊頻率能夠達到20 000次/s以上。

葉片汽蝕：離心式水泵最為常見的損傷為葉片汽蝕，主要受到水泵安裝高度或流量偏移因素的影響，損傷區(qū)域分布于葉片正面、背面和前蓋板等部位。葉片汽蝕正面受到的損傷多數為小的淺坑或微小汽蝕孔，并呈沿進水邊緣向外擴散，水泵流量較大時葉片正面損傷較大，而小流量時背部損傷會明顯增加。

間隙汽蝕：該類汽蝕現象的損傷多數位于葉片外邊緣，呈現出圈狀，損傷面為蜂窩麻面狀。該類汽蝕發(fā)生主要由于水泵的低負荷運轉，流體經過離心泵的回流槽處，水流通道變窄，流體速度加快但壓強相對下降，造成汽蝕損傷。

蝸旋汽蝕：排水泵前段的水倉、進水池等處設計不當，水泵進水口處水流紊亂，渦流攜帶部分空氣進入泵體，這類汽蝕狀況會呈現周期性，水泵內形成的渦帶會造成葉片的表面損傷，并集中在葉片低壓區(qū)域。同時漩渦旋轉方向與水泵內水流正常旋轉方向不同對水泵造成影響也不相同，當兩者方向相同，相對運動較弱，對于離心泵而言，功率會下降，并出現欠載；方向相反時，流體相對速度高且流量大，離心泵可能會出現超載。

2 礦井主排水泵喘振與汽蝕原因分析

2.1 喘振現象的分析

對礦井主排水泵的喘振現象進行分析，通過研究整個系統的力學穩(wěn)定性及排水泵的性能曲線，明確整個管路系統中的流動狀態(tài)。水泵出現喘振的頻率范圍基本穩(wěn)定在0.1～10 Hz范圍，在這個固有頻率內水泵出現喘振幾率極大。反映在曲線上，主排水泵的工作點會形成一個封閉的曲線，并且呈現逆時針變化，而工作點會位于駝峰型性能曲線上升區(qū)域，該段為不穩(wěn)定工作段，如圖1、圖2所示。

圖1 主排水泵的工作點軌跡

圖2 駝峰形性能曲線

圖2駝峰曲線中峰值處為最佳工況點K，當工況點位于K點左側，例如A點出水泵靜壓頭大于管路阻力損失，流速和流量會逐步增加；而位于K點右側，流量和流速會下降，即水泵靜壓頭會小于管路阻力值，并呈現降低趨勢，直到流量值歸零。這時，以峰值點K點為分界點，左區(qū)為不穩(wěn)定區(qū)，右區(qū)為穩(wěn)定區(qū)。一般情況下水泵系統分為簡單泵系統和復雜泵系統。簡單泵系統揚程特征量會小于管路特征量，即單純從管路系統中不會因為揚程曲線趨勢和工況變化是否出現駝峰而產生喘振現象。而復雜泵系統管路設置有水箱及其他控制閥，管路主線的控制閥對流量調整，導致排水泵的工況點超出關死揚程點就會發(fā)生喘振現象。排水泵系統中后段存在儲水罐或儲氣罐等部分形成復雜系統，并且使用罐體后段節(jié)流閥改變流量時會發(fā)生喘振現象。

2.2 汽蝕現象的分析

水泵在垂直方向上和水面間高度差被稱為吸水高度，能夠維持水泵將水抽離的最大吸水高度為最大吸水高度，受到大氣作用下吸水高度會<10 m，即pa/γ=10 m。

水泵吸水維持平衡的公式為

(1)

式中，Hx—吸水高度，m；po—水面大氣壓力，Pa；p1—水泵吸水壓力，Pa；v1—水流進入吸水口流速，m/s；ΔHx—吸水管壓力損傷，m；γ—水的重度，N/m3。

水泵與水面間的吸水高度增加會影響水泵入口水流流速，并呈反比。當最終水泵泵體內第1級葉輪入口位置的低壓區(qū)域的壓力狀況低于水的飽和蒸發(fā)壓力值后，會形成氣泡，進而產生汽蝕現象。為了避免汽蝕現象的發(fā)生，水泵的安裝位置應低于最大吸上真空度的高度，并且應確保0.3 m的安全余量。

水泵的真空度可表述為

(2)

式中，Hs—允許吸上真空度，m。

為了避免汽蝕現象的發(fā)生，應考慮吸水管路中阻力損失，并且進入到水泵入口處的水流壓力應大于蒸發(fā)氣化壓力，將水泵輸出的總能力稱之為有效汽蝕余量

(3)

水泵發(fā)生的汽蝕存在一個臨界點，稱之為汽蝕余量的臨界值，工程實際中還需要考慮預留一個安全余量，即增加0.3 m的余量。將允許汽蝕余量和水泵吸上高度公式進行合成后，可以得出水泵不發(fā)生汽蝕現象的吸上高度

(4)

式中，Δhc—允許汽蝕余量，m。

3 排水泵喘振與汽蝕現象改善措施

3.1 減少排水泵進氣

減少排水泵運轉過程中進入大量空氣，需要從以下幾處進行適當優(yōu)化。降低水倉深度與落水口間落差，排水進入水倉時落差不宜過大，否則由于沖擊作用會導致水體攜帶大量空氣；確保水倉容積，排水進入排水泵前在水倉內部進行靜置，可以將水體中氣體逐步析出，應確保水體具有0.5 h以上的靜置時間，需要增加水倉的容積來儲存更多水量；增加水泵進水管深度，水倉深部的水體含氣量較低，并且不易在管口產生旋流；及時監(jiān)控水倉液位變化情況，避免水位變化量過大，導致水位過低，接近或低于進水管口。

3.2 避免排水泵汽蝕

根據上述分析，排水泵發(fā)生汽蝕的性能指標，即允許汽蝕余量在設備生產和安裝完畢后基本就固定了，在設備安裝過程中就要保證合理安裝位置來保障設備運轉中不發(fā)生汽蝕，確保水泵正常的工作功能?；蛘咄ㄟ^優(yōu)化管路和系統，調整水流沿途阻力損失和速度狀況，整合提高礦用離心式水泵的抗汽蝕能力。

避免汽蝕的方法。合理設置水泵進水管長度和直徑，減少該管路上不必要的配件，最大限度地減少進水前端的管路能量損失；可以通過在水泵進水管路上設置射流泵或射流泵組合的方式提高主排水泵入口壓力；做好對管路中各處的密封，尤其在進水管階段避免空氣的進入；確保水倉容積率，保證匯入水倉內井下水能夠有一定的靜置，將水中的空氣析出，避免吸入水泵內；降低水泵葉輪入口處過流面的表面粗糙度和提高表面加工精度，減少進口處水流的局部阻力；在離心泵前端增加誘導輪，提高水泵入口的液體壓力，提高水泵效率，能在水泵選型時減小水泵的尺寸和重量，優(yōu)化排水泵的結構形式；定期使用超聲法、泵體噪音、振動監(jiān)控，及時發(fā)現水泵機組的非正常工況，并進行相應應急處置。

3.3 排水泵系統優(yōu)化措施

可考慮將排水泵選取為大葉片的多級離心式水泵，降低水流在管路中流速；水泵進口處盡量設置誘導輪，或者在吸入口加裝吸入閥，可通過吸入閥進行性能曲線調整，通過加大流量使性能曲線臨界點向右上移動，相反向左下方移動；減少排水系統流道中表面粗糙度，并且減少管路起伏，降低流動過程的阻力損失；主排水泵壓出側應設置旁路管，可將壓出的水流重新帶入吸入側，工作點會移動到駝峰右側穩(wěn)定區(qū)；選取高強度的過流元件來增加其耐久性。

4 結語

礦用離心式主排水泵受到多種因素影響會出現喘振和汽蝕現象，導致設備運行異常。通過對這兩種現象的分析，提出針對避免進氣、汽蝕的方法和優(yōu)化排水系統的措施，確保礦用離心式排水泵正常運轉，對增強設備的工作壽命具有一定的作用。