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循环水泵叶轮气蚀机理分析与应对

      循环水泵是供水系统中的主要设备之一，主要用来向凝汽器供给冷却水，将汽轮机排出的乏汽冷却凝结，由此来保持凝汽器内的真空度。当循环水泵发生故障时，将直接影响机组的真空度，降低机组出力。叶轮汽蚀是循环水泵的主要故障之一，长期在汽馈下运行会引起水泵部件寿命降低及叶轮局部损坏，汽蚀严重时会引起泵体强烈振动，导致水流中断，泵不能工作。尽管循环水泵在制造、安装和运行过程中采取了各种方法防止水泵汽蚀的发生，但实际运行中，由于种种原因会使水泵的运行条件与设计工况发生偏离，不同程度的汽蚀仍偶有发生，给电力企业造成巨大经济损失。如：中山横门电厂#1、#2机组(125MW)2004年10月~12月就因汽蚀的氯根腐蚀的双重作用下，4台循环水泵连续发生叶片断裂事故；河北某电厂#2号机组(350MW)在2003年10月大修期间发现2台循环水泵叶轮的各叶片均在入口同一部位出现300mm×160mm、深约8mm程度不等的汽蚀区域[1]；本厂对循环水泵的解体检修也发现过类似现象，即所有汽蚀情况均是从中间到外侧逐渐变浅，汽蚀表面呈现蜂窝状。因此，循环水泵叶轮汽蚀的诊断与防范日益为人们所重视。
       本文基于有关研究和现场运行经验，介绍引起循环水泵叶轮汽蚀的原因与特点，分析出泵产生汽蚀的条件，在总结与评述近年来叶轮汽蚀检修和改造技术的基础上，对防止循环水泵叶轮汽蚀的措施作了一些有益的探讨，希望能对国内循环水泵的优化设计和现场检修工作有所帮助。
1 水泵的汽蚀现象与危害
1.1 汽蚀发生的过程和表现
     泵运转过程中，若其过流部分的局部区域，通常是叶轮叶片进口稍后的某处，抽送液体的绝对压力下降到等于或低于当时液温下相应的汽化压力时，就会因汽化产生汽泡。汽泡中主要是蒸汽，但由于水中溶解有一定量的气体，所以汽泡中除了蒸汽以外，还夹带有少量的气体。这些汽泡随着水流流到高压区时，高压液体使汽泡急剧缩小以至凝结成水，汽泡逐渐变形而破裂。在汽泡破裂时，细水滴以高速填充汽泡空穴，发生互相撞击而形成强烈的水击，可达到10~100MPa，使过流流道的材料受到腐蚀和破坏。可见，汽蚀过程包括汽泡形成、增长直到崩溃破裂以至造成材料侵蚀的过程。
     汽蚀的形成过程及已有检修经验表明[1-2]，循环水泵叶轮的汽蚀主要集中在叶片及轮盖轮盘的结合部位，汽蚀痕迹形状各异，有的呈现断续分布的坑状，有的呈密集的蜂窝状(参见图1)，而且深浅不一。汽蚀严重时会引起叶片穿孔,导致叶轮报废而被迫更换。
1.2 循环水泵叶轮汽蚀的危害
     水泵叶轮汽蚀会改变泵内水流状态，造成流动阻力增加，导致泵的流量、扬程和效率降低。同时造成泵的流道材料发生侵蚀而破坏，并使泵产生噪音和振动，危及水泵正常运行。具体表现在以几个方面[3-4]：
1.2.1 产生噪声和振动
     泵发生汽蚀时，汽泡在高压区连续发生突然破裂，微细射流的高速冲击将形成噪声，汽泡崩溃时的冲击作用将使泵组产生振动。
     汽蚀噪声与汽蚀发展的程度有关，噪声大时汽蚀对材料的破坏作用也大，可以利用噪声的这种特性，用以判断汽蚀的严重程度。汽蚀引起的振动主要原因有二。一是汽泡破裂产生的高频振动；二是当叶片进口处冲角较大时，进口边后方会形成脱流，产生时生时灭的不稳定汽穴。汽蚀振动频率若与泵组的自然频率接近，就会引起共振，使泵的工况恶化，甚至使整个系统受到破坏。
1.2.2 对流道的材料造成破坏
      当汽泡周围的液体压力上升时，汽泡受到压缩，使汽泡内的压强升高。汽泡破碎时，形成微细射流(速度可达130m/s，压强可达200MPa)。流道金属表面在高频高压的微细射流作用下，材料表面晶体发生疲劳破坏，严重时呈现蜂窝状的空洞。另外，微细射流造成的冲击还会形成200℃以上的高温，使流道金属出现电解现象而产生强烈的化学腐蚀。泵内流道材料受破坏的位置除叶轮外，还有泵壳和导叶等处易于形成高速流的地方。
1.2.3 造成泵的性能下降
      汽蚀初生阶段，对泵的外特性无明显影响。待汽蚀发展到一定程度，使流道的有效形状因汽穴空间较大而形成“堵塞”时，由于叶轮和液体的能量交换受到干扰和破坏，泵的流量、扬程、效率、轴功率曲线开始下降，严重时会使液流中断，泵不能工作。通常，低比转数泵的性能下降比较急剧，高比转数泵的性能下降则比较缓慢。

2 产生汽蚀的条件与评价方法

2.1 泵产生汽蚀的条件
     在泵系统k中通常用汽蚀余量(NPSH)表示泵汽蚀性能的好坏，汽蚀余量又分为装置汽蚀余量(NPSHa)和泵汽蚀余量(NPSHr)，它们是两个性质不相同的参数。NPSHr由泵本身的特性决定，是表示泵本身抗汽蚀性能的参数，它与装置情况无关，只与泵进口处的运动参数(v0，w0和wk等)有关；NPSHa由外界的吸入装置特性决定的，是表示吸入装置汽蚀性能的参数。
      NPSHr表示泵进口到最低压力点(即k点)间液体流动过程的压力降，也就是为了使泵不汽蚀，在泵进口处单位重量液体所必需具有的超过汽化压力的富余能量，泵汽蚀余量 NPSHr值表达式为[3,5]：
（1）
式中，g：重力加速度，m/s2；v0：叶片进口稍前液体的绝对平均速度，m/s；w0：叶片进口稍前液体的相对平均速度，m/s；m：绝对速度压降系数，通常取1.0~1.2；λ：相对速度压降系数或叶片汽蚀系数，可用下式表示：
（2）
式中：wk表示k点处的相对速度。根据[5]，装置汽蚀余量(NPSHa)可用下式表示：
（3）
式中，pe：吸入液面压力，Pa；pv：泵入口处水温对应的饱和蒸汽压力，Pa；Hg：泵入口处液体倒灌高度，m；hw：吸入管路内流动损失，m；ρɡ：传送液体的单位体积重量，N/m3。
大流量引起叶轮进口速度的增加，会引起泵进口至叶轮以及进口管路中的压力降增加。由式(3)可知，在液温、吸入液面上的压强和几何安装高度都保持不变的情况下，由于吸入管路中的流道损失与流量的平方成正比，所以NPSHr随着流量的变化为一条下降的抛物线，而NPSHa-Q则呈抛物线上升，如图3-5所示[6]。

由图2可得出鉴别泵是否汽蚀的判别式为：
NPSHa＝NPSHr， 对应(pk= pv) 泵开始汽蚀
NPSHa<NPSHr， 对应(pk< pv) 泵严重汽蚀
NPSHa>NPSHr， 对应(pk> pv) 泵无汽蚀
2.2 汽蚀的评价方法
     泵汽蚀余量NPSHr是由泵自身的结构，如吸水室、叶轮进口部分等的几何形状决定的，它的值越小，表示泵本身的抗汽蚀性能越好。至于在某一工况是否发生汽蚀，与装置汽蚀余量NPSHa大小有关。NPSHa-Q曲线和NPSHr-Q相交时所相应的流量为QK称为临界流量，它标志着汽蚀的界限。由图2可知，对于给定的泵，流量小于QK时，即使泵的NPSHr很大，但泵进口装置提供足够的NPSHa，即NPSHa>NPSHr，泵也不会汽蚀。当NPSHa＝NPSHr，此时相应于pk＝pv，泵开始发生汽蚀。当流量大于QK后，就会发生严重汽蚀，因为此时NPSHa<NPSHr，即，泵汽蚀余量所能提供的超过汽化压头的富余能量不足以补偿或克服该泵进口部分的压头降。
对几何相似的两台泵，在相似工况下，由汽蚀相似定律公式
（4）
      可知，两台泵的泵汽蚀余量之比等于叶轮进口直径D1的平方比和转速n的平方比的乘积。对同一台泵，即D1p=D1m，则式(4)可简化为：
（5）
     式(5)表明：泵汽蚀余量随转速的平方成正比增长。即，转速下降，泵汽蚀余量会成平方下降，泵的抗汽蚀性能大大提高。与比转数ns类似，可推出相似泵的汽蚀相似准则——汽蚀比转数C[3]
（6）
     式(6)表明：对几何相似，工况相似的泵，C值等于常数，在一定流量和转速下，C值越大，泵的抗汽蚀性能越好。根据泵的设计理论，设计汽蚀比转速C值越大，泵的抗汽蚀性能越好，但同时提高C值往往会使泵的效率下降，目前设计汽蚀比转速的大致范围如如表1所示。

主要考虑提高效率(对汽蚀不作要求的泵)
兼顾效率和汽蚀的泵
主要为考虑提高汽蚀性能的泵
C＝600~800
C＝800~1100
C＝1100~1600
      托克托发电厂二期循环水泵改造时，依据上述公式就发现该厂循环水泵产生汽蚀的关键在于：尽管二期循环水泵采用425r/min转速新设计来降低其制造成本，但二期循泵运行中实际水淹深度(6.8m左右)却采用以375r/min转速设计，导致实际水淹深度远小于双泵运行时(流量为11.5m3/s)所需的最小水淹深度8.47m。

3 影响叶轮汽蚀的因素分析

      根据以上流体动力学分析可知，泵是否发生汽蚀取决于泵汽蚀余量和装置汽蚀余量的差值，泵汽蚀余量小于装置汽蚀余量是循环水泵叶轮发生汽蚀的主要原因。从设备的检修角度看，循环水泵叶轮产生汽蚀的主要原因有以下几方面：倒灌高度不够造成有效汽蚀余量下降；空气进入泵内；密封间隙大造成间隙汽蚀；长期偏离设计工况运行造成叶片内流速过快；泵超负荷运行；压力和流量分布不均，产生汽泡；运行方式不当等[1,6-8]。以下根据各电厂的实际情况进行详细分析。
3.1 泵送系统的流量过大
      实际运行中，泵循环水量大大超过设计值，由于大流量引起叶轮进口速度增加，从而引起泵进口至叶轮以及进口管路中的压力降增加(见图1)，超过汽蚀界限，即，NPSHa<NPSHr，产生严重汽蚀。
     另外，每年夏季，由于气温高，热负荷大，循环水泵必须满负荷，甚至超负荷运行，从而造成泵的允许吸上扬程降低，导致循环水泵允许汽蚀余量增大，致使NPSHa<NPSHr，从而引起泵叶轮的汽蚀。
3.2 倒灌高度不够
      倒灌高度为吸人池最高液面标高与泵中心线标高的差值，随着液面降低，倒灌高度会减小。如果倒灌高度的减小超过界限，会导致NPSHa< NPSHr，从而引起泵叶轮的汽蚀。对于非标准设计的吸人池来说应该提高水泵的淹没深度。
3.3 水泵的运行方式
      两台具有相同进口压力和出口压力的水泵，在适当管路布置(进口管几何相似)下并联运行时，根据相似定律，泵的必须汽蚀余量与转速的平方成正比，此时泵的NPSHr值较小，不会发生汽蚀。
然而，若1台作为主泵连续运行，而另1台只有当流量要求增大时才开动，主泵可能会超时连续磨损。这种磨损会增大旋转间隙导致性能下降。另一方面，流量大的主泵NPSHr值增大，可能超过满足该泵的NPSHa，产生潜伏汽蚀。潜伏汽蚀对泵的性能影响较小，但长期处于潜伏汽蚀状态，会对叶片产生不良影响。此外,次泵长期运行在严重偏离设计范围时，叶轮吸入口的流速增加，叶片进口处的流量和压力分布很不均匀，并产生局部低压区，这个低压区低到一定程度时就有可能产生局部汽蚀。
3.4 空气进入泵内造成叶轮汽蚀
     如果输送的介质中富含空气，在较低压力下较易挥发，会大大降低吸入口状态的真空度，汽蚀现象同样发生，这是泵发生汽蚀的主要原因。循环水中气体的来源主要有以下几个方面：①40~50℃的温水进人吸人池时容易产生一定量的气泡，这些气泡随池内漩涡进人叶轮，形成气囊，阻碍流道，或被高压液体挤破爆裂，然后又形成气泡。②循环水在冷却塔冷却的过程中，夹带了大量的过饱和空气；③吸水池中旋涡带入的空气；④轴封漏气，循环水泵两侧的轴封各设有水冲洗装置，以冷却填料和防止空气进入泵内。采用传统填料密封的循环水泵，填料对泵的磨损较大，随之间隙增大，密封效果变差，空气在大气压力作用下进入叶轮进口低压区，并随水进入高压区冲击叶轮造成机械剥蚀而产生汽蚀。
齐鲁石化烯烃厂按上述方法找出了其3台循环水泵发生汽蚀的原因，在设备上采取了下列改进措施[7]：①叶轮及吸入管道刷涂环氧树脂；②壳体采用铸铁焊补技术；③吸入室加抽汽线；④循环水泵入口加破涡板；⑤采用CSM2000 密封填料对轴封进行改造，将原密封水接口改为填料充填接口,如图2所示。改造后,投入运行,效果良好。国电荆门热电厂2005年6月机组大修中，针对其48SH222型循环水泵叶轮汽蚀严重问题，也是对水泵密封环采用新技术进行局部加工,解决了水泵叶轮汽蚀问题。

此外，含有氯离子且偏碱性弱腐蚀的水质，也会加速对叶轮汽蚀的腐蚀。
4 提高水泵抗汽蚀性能的措施

     为防止循环水泵叶轮汽蚀事故的发生，应结合设备实际情况，把各项防汽蚀措施落实到现场运行规程和运行管理、检修管理、设备管理工作中。消除产生汽蚀的环境，在操作确保吸水池水位高于限值，使泵的NPSHa始终大于NPSHr。文献[1,9]从理论上提出了一些提高泵的抗汽蚀性能的可能措施，下面从设计、检修和改造的角度对此进行较详细的介绍和分析。
4.1 在一定限度内增大叶轮进口直径
对无轮毂的叶轮，叶轮进口直径De的最佳值可按下式求取：
（7）
      显然，合理增大k0(取k0＝4.5~5.5)，可增大叶轮进口有效面积，减小叶轮进口流速，提高泵的抗汽蚀性能。但De并非越大越好，当超过最佳真空后，NPSHr又重新增大。同时，过大的De还将使密封环处间隙面积增大，从而使泄漏损失增大，容积效率降低。保定热电厂32SA-19A型循环水泵运行中，原叶轮受汽蚀冲刷现象非常严重，为决该问题，该厂根据壳体和轴面尺寸对叶轮进口颈部直径和轮毂直径进行必要的修正，修正时兼顾到提高泵的抗汽蚀性能，加大了De，以提高叶轮进口过流面积，实践证明该方法是成功的[10]。苇湖梁发电厂的32SA19A型循环水泵改造中，也采用类似方式，只是叶轮采用了抗汽蚀性能较好的1Cr18Ni9Ti不锈钢，密封环仍用铸铁材料HT200[11]。
4.2 适当地增大叶片进口宽度b1
     汽蚀汽泡最初在叶片的进口边靠近前盖板处发生，然后逐渐沿轴向发展。加宽b1能增加叶片进口处的过流面积，降低轴面速度，等于给汽蚀汽泡的发展过程增加了朝轴向发展的余地，从而延迟了汽泡朝出口的发展过程。即，增加b1可以延长汽蚀潜伏期，从而延迟断裂工况的发生。
     但是，过大的b1将使叶轮轴面投影图的绘制发生困难，也将使叶轮流道的面积变化不规则，从而使水力损失增大，泵的效率降低。因此，单纯加宽b1来提高其汽蚀性能，可能效果较差，实际应用上可同增加De联合使用。此外，减小轮毂直径dh与增大De和b1一样，也会增大液流的进口面积，从而改善抗汽蚀性能。
4.3 合理地确定叶片进口边的位置和形状
      叶片进口边适当向吸入口方向延伸，并使之与轴线的倾角γ＝30°~40°，叶片向前延伸，能增加叶片面积，使相同扬程下叶片单位面积上的载荷减小，并工作面和背面的压力趋于均匀；另外，叶片前伸，因进口边半径减小，可使圆周速度和相应的相对速度也减小。因此，有利于泵的抗汽蚀性能增强。除此之外叶片延伸后，扬程曲线变得比较平缓，减轻驼峰，对电厂运行是有利的。
4.4 合理增大前盖板的转向半径r
     适当地减小前盖板的曲率，即增大r可减弱转弯处离心力的影响，液流的转弯比较平滑，且使速度均匀，可以提高泵的抗汽蚀性能，同时将对效率起良好的影响。
4.5 增大叶片进口安装角β1，或制成较大的冲角
      叶片进口安放角β1，通常都大于液流角β，即在设计流量下，液体以正冲角(β1>β)进入叶片，取冲角i=3°~8°，对效率没有显著影响，却能提高泵的汽蚀性能。但叶片进口安装角过大，将会导致泵效率和抗汽蚀性能的降低。
4.4 叶片进口厚度
      锉削叶片进口的压力面，削薄叶片进口边，并打圆角，使叶片进口厚度减薄，接近流线型，此时泵的抗汽蚀性能更好。同时，每隔一个叶片缩短叶片的进口段，并强制叶轮进口处达到<90°的正预旋。长山热电厂对其48sh–22和24sh-19型循环水泵进行技术改造时，考虑到改进后要提高泵的效率和抗汽蚀性能，便将原泵的叶轮的材质由铸铁改为25号钢，叶片也尽量做得薄了一些[12]。
      另外，采用采用诱导轮可使泵的汽蚀比转数C提高到3500~4000，采用双吸泵或降低转速等方面的措施，则在相同C值下，可降低泵汽蚀余量NPSHr，以解决汽蚀问题。

5 结束语

     叶轮发生汽蚀，是电厂循环水泵运行过程中产生的常见事故。造成叶轮汽蚀技术上的因素是多方面的，各类因素导致汽蚀的机理也有所区别。其中主要的因素包括：泵送系统的流量过大、倒灌高度不够、水泵的运行方式和空气进入泵内造成叶轮汽蚀。在检修中，可先依据这些对叶轮汽蚀进行分析和改造。在设计和改造中，采用适当增大叶轮进口直径、适当地增大叶片进口宽度、合理确定叶片进口边位置和形状、合理增大前盖板的转向半径，以及增大叶片进口安装角，或制成较大的冲角、削薄叶片进口厚度等措施可有效的避免循环水泵叶轮汽蚀的发生。