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水泵汽蚀、汽蚀余量、气囊危害-机理分解,处置措施!

发布时间:2022-03-31 20:06消防资源网 进入公众号阅读

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石峥嵘,消防资源网创始人,消防大讲堂主讲人,从业消防 25年,参与近千项目设计施工验收,主导专利数十项,答疑解惑数万条,资深实践经验,深厚理论基础,汇集金典,奉献大家!
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石峥嵘:了解离心式水泵的汽蚀机理,掌握必需汽蚀余量和有效汽蚀余量等概念,有利水泵设计及应用,有利于防范汽蚀、气囊危害,具重要意义!

同时,本文列示了水泵最大取水高度的计算方法,以供参考!

本文要点:

1 水泵的汽蚀机理

2 离心泵及原理

3 汽蚀形成及危害

4 汽蚀危害与气囊危害的区别

5 “汽蚀”与“气蚀”

6 必需汽蚀余量、有效汽蚀余量

第一章 水泵汽蚀机理(饱和蒸汽压、沸点)

一、饱和蒸汽压:

饱和蒸汽压是指蒸汽与液体保持动态平衡时的压强,由液体物质本身性质决定,饱和蒸汽压随温度升高而增大。

二、沸腾、沸点:

1、沸腾是液体内部和表面同时发生剧烈汽化的现象,当液体的饱和蒸汽压与外界压强相等时,产生沸腾。

当外界压强大于液体饱和蒸汽压时,通常仅在液体表面发生汽化(图示1左),当液体饱和蒸汽压与外界压强相等时,液体的内部和外部可同时发生汽化,开始沸腾(图示1右)。

注:敞开容器中的沸腾液体,蒸汽带走大量热量,温度不再升高。

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(图示1)

2、在一定压强下,液体沸腾时的温度称为沸点,当液体所受的压强增大时,沸点升高,压强减小时,沸点降低。

三、水的沸腾、沸点:

水的饱和蒸汽压随温度升高而增大,部分水温下的饱和蒸汽压如下(表1):

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注:数据源自网络,仅供参考!

处于空气中的水,外界压强为大气压,当水的饱和蒸汽压与大气压相等时,水产生沸腾。通常,以下两种方式可使水沸腾:

1、加热,可使水沸腾:

水加热时,温度升高,饱和蒸汽压增大。由表1可知,当温度为100℃时,水的饱和蒸汽压达到101.33kPa(10.33m水柱),与标准大气压相当,发生沸腾(图示1右),也就是说,水在标准大气压下的沸点为100℃

2、降低外部压强,可使水沸腾:

同理,降低外部压强,也可以使水沸腾,可以认为,当外部压强与表1右侧的某个饱和蒸汽压值相等时,表1左侧对应温度为该压强下的沸点,比如,当外部压强为0.238m水柱时,对应水的沸点为20℃,常温下的水就沸腾了

示例:大气压与海拨高度相关,标准大气压是指海拨高度为0时的大气压,水在标准大气压下的沸点为100℃。海拨高度越高,大气压力越低,水的沸点也同步降低。比如,在海拨高度为6000m的高山或高原环境中,其大气压强仅为47.2kPa,这个压强大约与80℃水的饱和蒸汽压相当,水的沸点约80℃,仅需将水加热到80℃就沸腾了。

当然,也可以通过抽空密闭容器的办法让水沸腾,比如,放置于密闭容器中的常温水(20℃),当密闭容器压强抽空至0.238m水柱时,水就沸腾了,20℃是水在这个压强下的沸点。注意,水泵汽蚀的根本原因在此:水在泵体内处于密封状态,类似于密闭容器中的水,在图示2中,取水高度(h)越高,泵体内的水压越低,由表1可知,当泵体内的水压达到0.4m水柱时,沸点温度降至30℃以下,沸腾的水产生大量蒸汽,并发汽蚀危害。

注1:除非特别指定,本文所述的大气压,均为标准大气压,是在标准大气条件下海平面的气压,其值为101.325kPa。

注2:除非特别指定,本文所述的压强,均为绝对压强,是以毫无一点气体存在的绝对真空为零点起计算的压强。

第二章 离心泵及原理

一、离心泵的定义:

离心泵是依靠叶轮高速旋转时产生的离心力把能量传递给液体,叶轮出口液流方向基本与泵轴垂直的回转动力式泵。

二、离心泵原理:

离心泵启动时,泵体内的叶轮带动水高速旋转,水作离心运动,向外甩出,水在叶轮末端(E点)及导流壳体区域形成高压,并被压入出水管。泵体内的水被压出后,在转轴附近(D点)形成低压区,外部水在大气压的作用下进入泵体,以此循环,将水从低位输送至到高位区域。(图示2、图示3)

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(图示2)

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(图示3)

三、扬程的概念:

离心泵的叶轮带动水高速旋转,以离心力的方式把能量传递给水,水获得能量,出口总水头大于入口总水头,两者代数差即为扬程(m)。

第三章 “汽蚀”的形成及危害

离心泵工作时,在转轴附近(D点)形成低压区,同时在叶轮末端(E点)和导流壳体区域形成高压区,由图示2可知,泵体内的压强随h的增加而降低,当泵体内低压区的压强达到水的饱和蒸汽压时,水会发生沸腾,产生无数蒸汽气泡,气泡进入叶轮末端(E点)及导流壳体区域时,压力剧增(远大于饱和蒸汽压),气泡瞬间溃灭,水质点高速填充气泡空间,产生频率和压力极高的水击,对叶轮和导流壳体造成损坏,并伴随噪声和水流工况失衡,这种现象就称为汽蚀,危害较大。(图示3、图示4)

由此可知,水泵蚀通常发生在叶轮末端和导流壳体区域。(图示4)

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(图示3)

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(图示4)
第四章 “汽蚀”危害与“气囊”危害的区别

一、“汽蚀”危害与“气囊”危害,是容易混淆的概念。

水泵运转时,吸水管路的水压降低,溶解在水中的气体可能释放出来,当吸水管路存在倒坡或局部升高时,即可形成气囊。气囊累积后可能以较大气团(气泡)的形式进入泵体,影响水泵流量扬程性能,并产生震动及叶轮损坏等类似汽蚀损害。

由本文可知,管路“气囊”的危害类似于“汽蚀”,但仍有别汽蚀,参专题:

水泵吸水管路-气囊危害,防范措施!

二、“汽蚀”与“气蚀”的区别:

汽蚀和气蚀,人们往往混用,但仍有区别。

对于离心水泵式水泵,宜以“汽蚀”为好,《离心泵名词术语》GB/T7021及相关标准也是采用“汽蚀”,比如本文所述的汽蚀危害、汽蚀余量等等。

但对于水泵吸水管路的气囊危害,气囊中的气体成分主要是普通空气,可能用气蚀更好。

第五章 必需汽蚀余量、有效汽蚀余量

一、汽蚀余量(NPSH):

汽蚀余量可以理解为某点的总水头与汽化压力水头(饱和蒸汽压)的差值,当水处于静止时,可以理解为水压强与饱和蒸汽压的差值,这个差值应为正,否则就会发生沸腾。

水泵汽蚀余量的规范定义:汽蚀余量是评价水泵汽蚀性能的重要参数,是指在水泵进口断面,绝对总水头与汽化压力水头的差,也可以理解为单位重量液体具有的超过汽化压力的富余能量,汽蚀余量的单位为米。

二、必需汽蚀余量(NPSHR)

1、从水泵原理可知,从水泵进口断面至转轴附近(D点),会有一个压降过程,这个压降由水泵性能结构确定,与外部条件无关,要使泵体内的低压区(D点)不发生沸腾,水泵进口断面必须保证足够的汽蚀余量,这个汽蚀余量扣除压降后,还可以保证D点的汽蚀余量为正,也就是说,保证D点压强不会降至汽化压力水头(饱和蒸汽压)。

可以这样认为,在保证泵体内部不发生沸腾的条件下,水泵进口断面的最低汽蚀余量,就是水泵要求的必需汽蚀余量。

2、必需汽蚀余量的规范定义:

必需汽蚀余量是在规定的流量、转速和输送液体的条件下,泵达到规定性能的最小汽蚀余量,是保证水泵内部不发生汽蚀所必须具有的汽蚀余量。注:发生蚀的特征包括:出现可见汽蚀、汽蚀引起的噪声和振动的增大、扬程或效率开始下降、给定降幅的扬程或效率、汽蚀侵蚀限度,等等。

3、水泵进口断面至D点的压力降由水泵性能结构确定,是决定最小汽蚀余量的关键要素,通常由泵厂以20℃清水在泵的额定流量下测定,根据规范要求,水泵铭牌应标注水泵进口断面的必需汽蚀余量。

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4、必需汽蚀余量的应用:

根据必需汽蚀余量、最高工作环境温度下水的饱和蒸汽压,结合管路损失等参数,就可以计算出水泵的最大取水高度。

以图示2为例,最大取水高度(h)可以这样估算:h=大气压(m水柱)-最高环境温度下的饱和蒸汽压(m水柱)-必需汽蚀余量(m)-管路损失-吸水管半径(m)。
注1:本公式的大气压,为取水所在地的实际大气压;注2:本计算仅供参考,最终取值应考虑一定的保证余量。

三、有效汽蚀余量(NPSHA)

有效汽蚀余量是由进水装置条件确定的、规定流量下可获得的(可利用的)汽蚀余量,有效汽蚀余量不应小于必需汽蚀余量。

有效汽蚀余量是进水装置提供给水泵进口断面的汽蚀余量,对于消防水泵,是消防水池通过吸水管路提供给水泵进口断面的汽蚀余量。

消防水泵采用自灌式吸水,很明显,有效汽蚀余量可完全保证必需汽蚀余量要求,通常无需校核。

 

 

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