在贮槽液面上方压力p0一定的情况下,若增加泵的安装高度ZK(即Hg),则叶轮中心K处的压力pK必然下降。当ZK增加到使pK下降至被输送液体在操作温度下的饱和蒸汽压时,则被输送流体在叶轮中心处发生汽化,产生大量汽泡;汽泡在由叶片中心向周边运动时,由于压力增加而急剧凝结,产生局部真空,周围液体以很高的流速冲向真空区域;当汽泡的冷凝发生在叶片表面附近时,众多液滴尤如细小的高频水锤撞击叶片。此种现象称作“汽蚀现象”。
离心泵在汽蚀状态下工作时,泵体振动并发出噪音;压头、流量大幅下降,严重时不能输送液体;时间长久,在水锤冲击和液体中微量溶解氧对金属化学腐蚀的双重作用下,叶片表面出现斑痕和裂缝,甚至呈海绵状逐渐脱落(见右图)。
通过以上讨论可以看出,安装高度过高将会导致叶轮中心处的压力过低,从而发生汽蚀。只要泵的实际安装高度低于允许安装高度,则操作时就可避免发生汽蚀现象。
(2)汽蚀余量与允许安装高度
①汽蚀余量(NPSH):
泵入口处(1-1截面)的动压头与静压头之和与以液柱高度表示的被输送液体在操作温度下的饱和蒸汽压之差称作汽蚀余量,即:
(NPSH)的物理意义:(NPSH)越小,表明泵入口处的压力p1或叶轮中心处的压力pK越低,离心泵的操作状态越接近汽蚀。
②必需汽蚀余量(NPSH)r:
为避免发生汽蚀现象,离心泵入口处压力不能过低,而应有一最低允许值p1r,此时所对应的汽蚀余量称为必需汽蚀余量,以(NPSH)r表示。(NPSH)r一般由泵制造厂通过汽蚀实验测定,并作为离心泵的性能列于泵产品样本中(见教材附录八)。泵正常操作时,实际汽蚀余量必须大于(NPSH)r,我国标准中规定应大于0.5m以上。
③由(NPSH)r计算泵的最大允许安装高度[Hg]
一台泵的必需汽蚀余量(NPSH)r数值由泵的生产厂家提供,供用户计算泵的最大允许安装高度[Hg]:
(m)
离心泵的实际安装高度只要低于最大允许安装高度[Hg]就不会发生汽蚀。
(3)讨论
①引起汽蚀现象的原因:a.离心泵的安装高度太高;b.被输送流体的温度太高;c.吸入管路的阻力或压头损失太高。由此,一个原先操作正常的泵也可能由于操作条件的变化而产生汽蚀,如被输送物料的温度升高,或吸入管线部分堵塞。
②有时,计算出的允许安装高度为负值,这说明该泵应该安装在液体贮槽液面以下。
③最大允许安装高度[Hg]的大小与泵的流量有关。流量越大,计算出的[Hg]越小,因此用可能使用的最大流量来计算是必要的。
【例2-2】如图所示,用离心泵将循环冷却水由水池送入一敞口水槽,水槽水面比水池水面高52m,要求的流量为90m3/h,输送管路规格Φ159×4.5mm,管路总阻力损失为14m(包括所有局部阻力损失),水的密度ρ=1000kg/m3。现有一台IS100-65-250型离心泵,在高效区其扬程与流量的关系可近似地用直线:He=124.5-0.392qV表示(式中qV的单位:m3/h),必须汽蚀余量(NPSH)r=3.8m。
试求:(1)管路需要的外加能量(J/N)?
(2)该泵是否满足要求?
(3)工作点泵的轴功率(效率η=72%)Pa(W)?
(4)夏季水池水温最高35℃(pv=5.6 kPa),若离心泵的吸入管段流动阻力与平均流速的关系为(m),则该泵可否于水池水面之上3m处正常工作?
解:(1)管路中单位重量流体需要的外加能量:
(J/N)
(2)在要求的流量下,泵所提供的扬程:
(m)
因为在规定流量下泵所提供的扬程大于管路要求的扬程,故该泵能满足要求。
(3)有效功率:?(W)
故轴功率:(W)
(4)因为吸入管内平均流速:(m/s)
所以吸入管段阻力:(m)
最大允许安装高度
(m)
因为泵的最大安装高度为3.9m,故该泵可以安装于水池液面之上3m处。
泵的生产厂家所提供的离心泵特性曲线一般都是在一定转速和常压下以20℃的清水作为工质做实验的。若被输液的ρ,μ不同,或改变泵的n,叶轮直径,则性能要发生变化。
(1).密度的影响由可知H,Q与ρ无关。
泵的效率也不随ρ而改变,所以H~Q与η~Q曲线保持不变。但, (或)ρ变Na也变,ρ↑,Na↑,电机功率要↑。
92).粘度的影响则H↓,Q↓,η↓和Na↑。
例2-3
(3).转速的影响n变化,导致速度△发生变化,H,Q和Na也发生变化,但η不变。4.叶轮直径的影响当n一定时,H,Q与D2有关。若对同一型号的泵,换用直径较小的叶轮,而其它几何尺寸不变(仅是出口处叶片的宽度稍有改变),这种现象称为叶轮的“切割”。
(1).离心泵的汽蚀现象(Cavitation)离心泵运转时,液体在泵内压强的变化如图所示:液体压强随着泵吸入口向叶轮入口而下降,叶片入口附近K—K面处的压强pK为最低,此后由于叶轮对液体作功,压强很快上升。假如:pK≤pv(t),pv(t)被输液温度t时的饱和蒸汽压,则液体发生汽化产生汽泡,汽泡随同液体从低压区流向高压区,在高压的作用下迅速凝聚或汽泡破裂,与此同时,汽泡周围的液体会以极高的速度冲向原汽泡所占据的空间,在冲击点处可形成高达几万kpa的压强,冲击频率可高达每秒几万次之多,若当汽泡的凝聚发生在叶片表面附近时,众多液体质点犹如细小的高频水锤撞击叶片,侵蚀叶片和叶轮,这种不正常现象称为汽蚀现象。汽蚀发生时,会产生噪音和震动,叶轮局部地方在巨大冲击力的反复作用下,材料表面疲劳,从点蚀到形成严重的蜂窝状空洞,损坏叶片。泵的流量,压头和效率急剧下降,严重时甚至吸不上液体,所以为保证离心泵正常运转,应避免汽蚀现象的产生,即须使pK﹥pv(t)。
(2).最大汲上真空高度与允许汲上最大真空高度[Hs]
定义:最大汲上真空高度
定义:允许汲上真空高度由于pk位置不易确定,而泵入口处的压强p1易测得(p1由真空表测得),当pK=pv(t)时,则相应的p1记作为p1min。
为防止汽蚀产生,p1/ρg﹥p1min/ρg(一般提高0.3m或以上)由此p1来定义[Hs],[Hs]是离心泵的另一性能参数,一般[Hs]与被输送液体的物性,泵的结构,流量及当地大气压等有关,泵制造厂在泵出厂前要标定,标定时实验条件为大气压10.33mH2O,20℃清水,测得的[Hs] ~Q曲线列于泵样本性能曲线中。
若输液的物性与水不同,且操作条件与标定条件不符时,则需换算:
(3).允许汽蚀余量[△h] NPSH(Net Positive Suction Head)
一般[△h]与泵的结构和尺寸有关,由实验测定,并同标绘于性能曲线图上。
Hg Hg——泵的吸入口与贮槽液面间的允许到达的垂直距离,m液柱。若对泵吸入管列B’s eg(在0—0'与1—1'面间)若贮槽为敞口,则p0=pa,则:实际安装高度应小于等于Hg由上两式可见,在一定流量下Q=定值,则Hg就直接与Hf0-1有关,相应地:Hf0-1值大,Hg值就小,反之亦然。所以,对泵的吸入管路而言,宜短而粗,尽量不装阀门和少装管件,这样Hf0-1较小,以保证一定的Hg值。
若Hg值为负,例如Hg= -2.0m,则意味着泵应装在液面下方2m以下处为宜,对于输送饱和蒸汽压高的液体往往属于这种情况。例2-4
例2-5 确定适宜的安装高度对泵的用户来说是很重要的,目的是正确地使用泵,保证泵正常运转,以防汽蚀产生。