循環(huán)水泵葉輪氣蝕機理分析報告與應(yīng)對

1、實用標(biāo)準(zhǔn)文案循環(huán)水泵葉輪氣蝕機理分析與應(yīng)對循環(huán)水泵是供水系統(tǒng)中的主要設(shè)備之一， 主要用來向凝汽器供給冷卻水， 將汽輪機排出的乏汽冷卻凝結(jié)， 由此來保持凝汽器內(nèi) 的真空度。當(dāng)循環(huán)水泵發(fā)生故障時，將直接影響機組的真空度，降低機組出力。葉輪汽蝕是循環(huán)水泵的主要故障之一，長期在汽饋 下運行會引起水泵部件壽命降低及葉輪局部損壞，汽蝕嚴(yán)重時會引起泵體強烈振動，導(dǎo)致水流中斷，泵不能工作。盡管循環(huán)水泵在 制造、 安裝和運行過程中采取了各種方法防止水泵汽蝕的發(fā)生， 但實際運行中， 由于種種原因會使水泵的運行條件與設(shè)計工況發(fā)生 偏離，不同程度的汽蝕仍偶有發(fā)生，給電力企業(yè)造成巨大經(jīng)濟損失。如：中山橫門電廠#1、#2

2、 機組(125MW)2004 年10 月12月就因汽蝕的氯根腐蝕的雙重作用下， 4 臺循環(huán)水泵連續(xù)發(fā)生葉片斷裂事故；河北某電廠 #2 號機組 (350MW) 在 2003 年 10 月大 修期間發(fā)現(xiàn) 2 臺循環(huán)水泵葉輪的各葉片均在入口同一部位出現(xiàn) 300mm 160mm 、深約 8mm 程度不等的汽蝕區(qū)域 1 ；本廠對循 環(huán)水泵的解體檢修也發(fā)現(xiàn)過類似現(xiàn)象，即所有汽蝕情況均是從中間到外側(cè)逐漸變淺，汽蝕表面呈現(xiàn)蜂窩狀。因此，循環(huán)水泵葉輪汽 蝕的診斷與防范日益為人們所重視。本文基于有關(guān)研究和現(xiàn)場運行經(jīng)驗，介紹引起循環(huán)水泵葉輪汽蝕的原因與特點，分析出泵產(chǎn)生汽蝕的條件，在總結(jié)與評述近 年來葉輪汽蝕檢修和

3、改造技術(shù)的基礎(chǔ)上， 對防止循環(huán)水泵葉輪汽蝕的措施作了一些有益的探討， 希望能對國內(nèi)循環(huán)水泵的優(yōu)化設(shè)計 和現(xiàn)場檢修工作有所幫助。1 水泵的汽蝕現(xiàn)象與危害1.1 汽蝕發(fā)生的過程和表現(xiàn)泵運轉(zhuǎn)過程中，若其過流部分的局部區(qū)域，通常是葉輪葉片進口稍后的某處，抽送液體的絕對壓力下降到等于或低于當(dāng)時液溫 下相應(yīng)的汽化壓力時，就會因汽化產(chǎn)生汽泡。汽泡中主要是蒸汽，但由于水中溶解有一定量的氣體，所以汽泡中除了蒸汽以外，還 夾帶有少量的氣體。這些汽泡隨著水流流到高壓區(qū)時，高壓液體使汽泡急劇縮小以至凝結(jié)成水，汽泡逐漸變形而破裂。在汽泡破裂 時，細水滴以高速填充汽泡空穴，發(fā)生互相撞擊而形成強烈的水擊，可達到 10100

4、MPa ，使過流流道的材料受到腐蝕和破壞?？?見，汽蝕過程包括汽泡形成、增長直到崩潰破裂以至造成材料侵蝕的過程。汽蝕的形成過程及已有檢修經(jīng)驗表明 1-2 ，循環(huán)水泵葉輪的汽蝕主要集中在葉片及輪蓋輪盤的結(jié)合部位，汽蝕痕跡形狀各異，文檔實用標(biāo)準(zhǔn)文案有的呈現(xiàn)斷續(xù)分布的坑狀， 有的呈密集的蜂窩狀 （參見圖 1） ，而且深淺不一。 汽蝕嚴(yán)重時會引起葉片穿孔 ,導(dǎo)致葉輪報廢而被迫更換。1.2 循環(huán)水泵葉輪汽蝕的危害水泵葉輪汽蝕會改變泵內(nèi)水流狀態(tài)，造成流動阻力增加，導(dǎo)致泵的流量、揚程和效率降低。同時造成泵的流道材料發(fā)生侵蝕而 破壞，并使泵產(chǎn)生噪音和振動，危及水泵正常運行。具體表現(xiàn)在以幾個方面 3-4 ：1.

5、2.1 產(chǎn)生噪聲和振動泵發(fā)生汽蝕時， 汽泡在高壓區(qū)連續(xù)發(fā)生突然破裂， 微細射流的高速沖擊將形成噪聲， 汽泡崩潰時的沖擊作用將使泵組產(chǎn)生振動。 汽蝕噪聲與汽蝕發(fā)展的程度有關(guān)， 噪聲大時汽蝕對材料的破壞作用也大， 可以利用噪聲的這種特性， 用以判斷汽蝕的嚴(yán)重程度。 汽蝕引起的振動主要原因有二。一是汽泡破裂產(chǎn)生的高頻振動；二是當(dāng)葉片進口處沖角較大時，進口邊后方會形成脫流，產(chǎn)生時生 時滅的不穩(wěn)定汽穴。汽蝕振動頻率若與泵組的自然頻率接近，就會引起共振，使泵的工況惡化，甚至使整個系統(tǒng)受到破壞。1.2.2 對流道的材料造成破壞當(dāng)汽泡周圍的液體壓力上升時，汽泡受到壓縮，使汽泡內(nèi)的壓強升高。汽泡破碎時，形成微細

6、射流（ 速度可達 130m/s ，壓強可達 200MPa） 。流道金屬表面在高頻高壓的微細射流作用下，材料表面晶體發(fā)生疲勞破壞，嚴(yán)重時呈現(xiàn)蜂窩狀的空洞。另外，微 細射流造成的沖擊還會形成 200 以上的高溫， 使流道金屬出現(xiàn)電解現(xiàn)象而產(chǎn)生強烈的化學(xué)腐蝕。 泵內(nèi)流道材料受破壞的位置除葉 輪外，還有泵殼和導(dǎo)葉等處易于形成高速流的地方。1.2.3 造成泵的性能下降 汽蝕初生階段，對泵的外特性無明顯影響。待汽蝕發(fā)展到一定程度，使流道的有效形狀因汽穴空間較大而形成“堵塞”時，由 于葉輪和液體的能量交換受到干擾和破壞，泵的流量、揚程、效率、軸功率曲線開始下降，嚴(yán)重時會使液流中斷，泵不能工作。通 常，低比轉(zhuǎn)

7、數(shù)泵的性能下降比較急劇，高比轉(zhuǎn)數(shù)泵的性能下降則比較緩慢。2 產(chǎn)生汽蝕的條件與評價方法文檔實用標(biāo)準(zhǔn)文案2.1 泵產(chǎn)生汽蝕的條件在泵系統(tǒng) k 中通常用汽蝕余量 (NPSH) 表示泵汽蝕性能的好壞，汽蝕余量又分為裝置汽蝕余量(NPSHa)和泵汽蝕余量 (NPSHr )，它們是兩個性質(zhì)不相同的參數(shù)。 NPSHr 由泵本身的特性決定，是表示泵本身抗汽蝕性能的參數(shù)，它與裝置情況無關(guān)，只與泵進口 處的運動參數(shù) (v0，w0和wk等)有關(guān)；NPSHa 由外界的吸入裝置特性決定的，是表示吸入裝置汽蝕性能的參數(shù)。NPSHr 表示泵進口到最低壓力點 (即 k 點 )間液體流動過程的壓力降，也就是為了使泵不汽蝕，在泵

8、進口處單位重量液體所必需具有的超過汽化壓力的富余能量，泵汽蝕余量NPSHr 值表達式為 3,5 ：(1)式中， g ：重力加速度， m/s 2；v0：葉片進口稍前液體的絕對平均速度， m/s ；w 0：葉片進口稍前液體的相對平均速度， m/s ；m： 絕對速度壓降系數(shù)，通常取 1.01.2 ；：相對速度壓降系數(shù)或葉片汽蝕系數(shù)，可用下式表示：(2)式中： wk表示 k 點處的相對速度。根據(jù) 5 ，裝置汽蝕余量 (NPSHa)可用下式表示：(3)式中， p e：吸入液面壓力， Pa； p v：泵入口處水溫對應(yīng)的飽和蒸汽壓力，Pa；Hg：泵入口處液體倒灌高度， m ；hw：吸入管路內(nèi)流動損失， m

9、；：傳送液體的單位體積重量，N/m 3 。大流量引起葉輪進口速度的增加，會引起泵進口至葉輪以及進口管路中的壓力降增加。由式 (3) 可知，在液溫、吸入液面上的壓強和幾何安裝高度都保持不變的情況下，由于吸入管路中的流道損失與流量的平方成正比，所以 NPSHr 隨著流量的變化為一條下降的拋物線，而 NPSHa-Q 則呈拋物線上升，如圖3-5 所示 6。由圖 2 可得出鑒別泵是否汽蝕的判別式為：NPSHaNPSHr ， 對應(yīng) (pk= pv) 泵開始汽蝕文檔實用標(biāo)準(zhǔn)文案NPSHa NPSHr ， 對應(yīng)(pk NPSHr ， 對應(yīng) (pk pv) 泵無汽蝕2.2 汽蝕的評價方法泵汽蝕余量 NPSHr

10、是由泵自身的結(jié)構(gòu)，如吸水室、葉輪進口部分等的幾何形狀決定的，它的值越小，表示泵本身的抗汽蝕性 能越好。至于在某一工況是否發(fā)生汽蝕，與裝置汽蝕余量 NPSHa 大小有關(guān)。 NPSHa-Q 曲線和 NPSHr-Q 相交時所相應(yīng)的流量為 QK稱為臨界流量，它標(biāo)志著汽蝕的界限。由圖2可知，對于給定的泵，流量小于 QK時，即使泵的 NPSHr 很大，但泵進口裝置提供足夠的 NPSHa ，即 NPSHaNPSHr ，泵也不會汽蝕。當(dāng) NPSHaNPSHr ，此時相應(yīng)于 pkpv，泵開始發(fā)生汽蝕。當(dāng)流量大于 QK 后，就會發(fā)生嚴(yán)重汽蝕，因為此時 NPSHa NPSHr ，即，泵汽蝕余量所能提供的超過汽化壓頭

11、的富余能量不足以補償或克服該 泵進口部分的壓頭降。對幾何相似的兩臺泵，在相似工況下，由汽蝕相似定律公式(4)可知，兩臺泵的泵汽蝕余量之比等于葉輪進口直徑D1的平方比和轉(zhuǎn)速 n的平方比的乘積。 對同一臺泵， 即 D1p = D1m ，則式(4)可簡化為：(5)式(5)表明：泵汽蝕余量隨轉(zhuǎn)速的平方成正比增長。即，轉(zhuǎn)速下降，泵汽蝕余量會成平方下降，泵的抗汽蝕性能大大提高。與比轉(zhuǎn)數(shù) n s類似，可推出相似泵的汽蝕相似準(zhǔn)則汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù)C3(6)式(6)表明：對幾何相似，工況相似的泵， C 值等于常數(shù)，在一定流量和轉(zhuǎn)速下， C值越大，泵的抗汽蝕性能越好。根據(jù)泵的設(shè) 計理論，設(shè)計汽蝕比轉(zhuǎn)速 C值越大，泵的抗汽

12、蝕性能越好，但同時提高 C 值往往會使泵的效率下降，目前設(shè)計汽蝕比轉(zhuǎn)速的大致 范圍如如表 1 所示。文檔實用標(biāo)準(zhǔn)文案主要考慮提高效率 （對汽蝕不作要求的泵 ）兼顧效率和汽蝕的泵主要為考慮提高汽蝕性能的泵C600800C8001100C 11001600托克托發(fā)電廠二期循環(huán)水泵改造時， 依據(jù)上述公式就發(fā)現(xiàn)該廠循環(huán)水泵產(chǎn)生汽蝕的關(guān)鍵在于： 盡管二期循環(huán)水泵采用 425r/min轉(zhuǎn)速新設(shè)計來降低其制造成本，但二期循泵運行中實際水淹深度（6.8m 左右 ）卻采用以 375r/min轉(zhuǎn)速設(shè)計，導(dǎo)致實際水淹深度遠小于雙泵運行時 （流量為 11.5m 3/s） 所需的最小水淹深度 8.47m3 影響葉輪汽蝕

13、的因素分析根據(jù)以上流體動力學(xué)分析可知， 泵是否發(fā)生汽蝕取決于泵汽蝕余量和裝置汽蝕余量的差值， 泵汽蝕余量小于裝置汽蝕余量是循 環(huán)水泵葉輪發(fā)生汽蝕的主要原因。 從設(shè)備的檢修角度看， 循環(huán)水泵葉輪產(chǎn)生汽蝕的主要原因有以下幾方面： 倒灌高度不夠造成有效 汽蝕余量下降；空氣進入泵內(nèi)；密封間隙大造成間隙汽蝕；長期偏離設(shè)計工況運行造成葉片內(nèi)流速過快；泵超負(fù)荷運行；壓力和流 量分布不均，產(chǎn)生汽泡；運行方式不當(dāng)?shù)?1,6-8 。以下根據(jù)各電廠的實際情況進行詳細分析。3.1 泵送系統(tǒng)的流量過大實際運行中， 泵循環(huán)水量大大超過設(shè)計值， 由于大流量引起葉輪進口速度增加， 從而引起泵進口至葉輪以及進口管路中的壓力 降

14、增加 （見圖 1） ，超過汽蝕界限，即， NPSHa NPSHr ，產(chǎn)生嚴(yán)重汽蝕。另外，每年夏季，由于氣溫高，熱負(fù)荷大，循環(huán)水泵必須滿負(fù)荷，甚至超負(fù)荷運行，從而造成泵的允許吸上揚程降低，導(dǎo)致循 環(huán)水泵允許汽蝕余量增大，致使 NPSHa NPSHr ，從而引起泵葉輪的汽蝕。3.2 倒灌高度不夠倒灌高度為吸人池最高液面標(biāo)高與泵中心線標(biāo)高的差值，隨著液面降低，倒灌高度會減小。如果倒灌高度的減小超過界限，會文檔實用標(biāo)準(zhǔn)文案導(dǎo)致 NPSHa )進入葉片，取沖角 i=3 8 ，對效率沒有顯 著影響，卻能提高泵的汽蝕性能。但葉片進口安裝角過大，將會導(dǎo)致泵效率和抗汽蝕性能的降低。4.4 葉片進口厚度銼削葉片進口的壓力面，削薄葉片進口邊，并打圓角，使葉片進口厚度減薄，接近流線型，此時泵的抗汽蝕性能更好。同時，每隔一個葉片縮短葉片的進口段，并強制葉輪進口處達到 90 的正預(yù)旋。長山熱電廠對其 48sh 22 和 24sh-19 型循環(huán)水泵進行 技術(shù)改造時，考慮到改進后要提高泵的效率和抗汽蝕性能，便將原泵的葉輪的材質(zhì)由鑄鐵改為 25 號鋼，葉片也盡量做得薄了一些 12 。另外，采用采用誘導(dǎo)輪可使泵的汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù) C 提高到 35004000 ，采用雙吸泵或降低轉(zhuǎn)速等方面的措施，則在相同 C 值下， 可降低泵汽蝕余量 NPSH r，以解決汽蝕問題。5 結(jié)束語葉輪發(fā)生汽蝕，是電廠循環(huán) 水泵 運