循環(huán)水泵葉輪氣蝕機(jī)在凝汽器上應(yīng)用原理分析

產(chǎn)品相關(guān)介紹：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(jī)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(shí)，將直接影響機(jī)組的真空度，降低機(jī)組出力。葉輪氣蝕是循環(huán)水泵的主要故障之一，長(zhǎng)期在汽氣蝕下運(yùn)行會(huì)引起水泵部件壽命降低及葉輪局部損壞，氣蝕嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起泵體強(qiáng)烈振動(dòng)，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(yùn)行過程中采取了各種方法防止水泵氣蝕的發(fā)生，但實(shí)際運(yùn)行中，由于種種原因會(huì)使水泵的運(yùn)行條件與設(shè)計(jì)工況發(fā)生偏離，不同程度的氣蝕仍偶有發(fā)生，給電力企業(yè)造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。如：中山橫門電廠#1、#2機(jī)組(125MW)2004年10月~12月就因氣蝕的氯根腐蝕的雙重作用下，4臺(tái)循環(huán)水泵連續(xù)發(fā)生葉片斷裂事故；河北某電廠#2號(hào)機(jī)組(350MW)在2003年10月大修期間發(fā)現(xiàn)2臺(tái)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程度不等的氣蝕區(qū)域[1]；其他電廠對(duì)循環(huán)水泵的解體檢修也發(fā)現(xiàn)過類似現(xiàn)象，即所有氣蝕情況均是從中間到外側(cè)逐漸變淺，氣蝕表面呈現(xiàn)蜂窩狀。因此，循環(huán)水泵葉輪氣蝕的診斷與防范日益為人們所重視。

    泵運(yùn)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(jìn)口稍后的某處，抽送液體的絕對(duì)壓力下降到等于或低于當(dāng)時(shí)液溫下相應(yīng)的汽化壓力時(shí)，就會(huì)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(shí)，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(shí)，細(xì)水滴以高速填充汽泡空穴，發(fā)生互相撞擊而形成強(qiáng)烈的水擊，可達(dá)到10~100MPa，使過流流道的材料受到腐蝕和破壞?？梢姡瑲馕g過程包括汽泡形成、增長(zhǎng)直到崩潰破裂以至造成材料侵蝕的過程。

    氣蝕的形成過程及已有檢修經(jīng)驗(yàn)表明，循環(huán)水泵葉輪的氣蝕主要集中在葉片及輪蓋輪盤的結(jié)合部位，氣蝕痕跡形狀各異，有的呈現(xiàn)斷續(xù)分布的坑狀，有的呈密集的蜂窩狀，而且深淺不一。氣蝕嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起葉片穿孔,導(dǎo)致葉輪報(bào)廢而被迫更換。

    水泵葉輪氣蝕會(huì)改變泵內(nèi)水流狀態(tài)，造成流動(dòng)阻力增加，導(dǎo)致泵的流量、揚(yáng)程和效率降低。同時(shí)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(dòng)，危及水泵正常運(yùn)行。具體表現(xiàn)在以幾個(gè)方面：

1、產(chǎn)生噪聲和振動(dòng)

    泵發(fā)生氣蝕時(shí)，汽泡在高壓區(qū)連續(xù)發(fā)生突然破裂，微細(xì)射流的高速?zèng)_擊將形成噪聲，汽泡崩潰時(shí)的沖擊作用將使泵組產(chǎn)生振動(dòng)。

    氣蝕噪聲與氣蝕發(fā)展的程度有關(guān)，噪聲大時(shí)氣蝕對(duì)材料的破壞作用也大，可以利用噪聲的這種特性，用以判斷氣蝕的嚴(yán)重程度。氣蝕引起的振動(dòng)主要原因有二。一是汽泡破裂產(chǎn)生的高頻振動(dòng)；二是當(dāng)葉片進(jìn)口處沖角較大時(shí)，進(jìn)口邊后方會(huì)形成脫流，產(chǎn)生時(shí)生時(shí)滅的不穩(wěn)定汽穴。氣蝕振動(dòng)頻率若與泵組的自然頻率接近，就會(huì)引起共振，使泵的工況惡化，甚至使整個(gè)系統(tǒng)受到破壞。

2、對(duì)流道的材料造成破壞

    當(dāng)汽泡周圍的液體壓力上升時(shí)，汽泡受到壓縮，使汽泡內(nèi)的壓強(qiáng)升高。汽泡破碎時(shí)，形成微細(xì)射流(速度可達(dá)130m/s，壓強(qiáng)可達(dá)200MPa)。流道金屬表面在高頻高壓的微細(xì)射流作用下，材料表面晶體發(fā)生疲勞破壞，嚴(yán)重時(shí)呈現(xiàn)蜂窩狀的空洞。另外，微細(xì)射流造成的沖擊還會(huì)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(qiáng)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。

3、 造成泵的性能下降

    氣蝕初生階段，對(duì)泵的外特性無明顯影響。待氣蝕發(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(shí)，由于葉輪和液體的能量交換受到干擾和破壞，泵的流量、揚(yáng)程、效率、軸功率曲線開始下降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使液流中斷，泵不能工作。通常，低比轉(zhuǎn)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。

    在泵系統(tǒng)k中通常用氣蝕余量(NPSH)表示泵氣蝕性能的好壞，氣蝕余量又分為裝置氣蝕余量(NPSHa)和泵氣蝕余量(NPSHr)，它們是兩個(gè)性質(zhì)不相同的參數(shù)。NPSHr由泵本身的特性決定，是表示泵本身抗氣蝕性能的參數(shù)，它與裝置情況無關(guān)，只與泵進(jìn)口處的運(yùn)動(dòng)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，是表示吸入裝置氣蝕性能的參數(shù)。

    大流量引起葉輪進(jìn)口速度的增加，會(huì)引起泵進(jìn)口至葉輪以及進(jìn)口管路中的壓力降增加。在液溫、吸入液面上的壓強(qiáng)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。

    泵氣蝕余量NPSHr是由泵自身的結(jié)構(gòu)，如吸水室、葉輪進(jìn)口部分等的幾何形狀決定的，它的值越小，表示泵本身的抗氣蝕性能越好。至于在某一工況是否發(fā)生氣蝕，與裝置氣蝕余量NPSHa大小有關(guān)。NPSHa-Q曲線和NPSHr-Q相交時(shí)所相應(yīng)的流量為QK稱為臨界流量，它標(biāo)志著氣蝕的界限。對(duì)于給定的泵，流量小于QK時(shí)，即使泵的NPSHr很大，但泵進(jìn)口裝置提供足夠的NPSHa，即NPSHa>NPSHr，泵也不會(huì)氣蝕。當(dāng)NPSHa＝NPSHr，此時(shí)相應(yīng)于pk＝pv，泵開始發(fā)生氣蝕。當(dāng)流量大于QK后，就會(huì)發(fā)生嚴(yán)重氣蝕，因?yàn)榇藭r(shí)NPSHa<NPSHr，即，泵氣蝕余量所能提供的超過汽化壓頭的富余能量不足以補(bǔ)償或克服該泵進(jìn)口部分的壓頭降。

    對(duì)幾何相似的兩臺(tái)泵，在相似工況下，兩臺(tái)泵的泵氣蝕余量之比等于葉輪進(jìn)口直徑D1的平方比和轉(zhuǎn)速n的平方比的乘積。對(duì)泵氣蝕余量隨轉(zhuǎn)速的平方成正比增長(zhǎng)。即，轉(zhuǎn)速下降，泵氣蝕余量會(huì)成平方下降，泵的抗氣蝕性能大大提高。與比轉(zhuǎn)數(shù)ns類似，可推出相似泵的氣蝕相似準(zhǔn)則——氣蝕比轉(zhuǎn)數(shù)，對(duì)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，泵的抗氣蝕性能越好。根據(jù)泵的設(shè)計(jì)理論，設(shè)計(jì)氣蝕比轉(zhuǎn)速C值越大，泵的抗氣蝕性能越好，但同時(shí)提高C值往往會(huì)使泵的效率下降。