平板式液环泵的技术说明谭紫华样本.doc

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液环泵的汽蚀机理及预防措施

液环泵的汽蚀机理:
见液环泵的汽蚀机理图, 从图中我们能够看到, 偏心地装于圆形泵体内的叶轮, 从A点转到B点时, 两个叶片与轮毂、 液环内表面包围成的容腔逐渐增大, 气体从被抽系统中吸入, 使被抽系统形成真空。A到B转动的这个区域我们称之为吸入工作区。同时, 由于压力的降低, 一部份溶于工作液中的气体就会从液环中析出, 而且, 压力越低( 或越接近于液环的饱和蒸汽压时) , 从液环中析出的气泡越多, 速度越快, 当吸入压力达到液环的饱和蒸汽压时, 液环处于沸腾状态, 液环泵的抽气量将为零。
当叶轮由D点转到A点时, 相应的容积由大变小, 使原先吸入的气体受到压缩, 当压力达到外界的气体压力时, 气体被排出。D到A的这个区域称之为压缩排出区域。在这个区域内, 由于压力的逐渐增大, 从吸入工作区液环析出的气泡急剧缩小, 以至破裂。大气泡破裂的同时, 液体质点将高速地填充气泡破裂时产生的空穴, 发生相互撞击而形成水击。这种水击的频率高达2500Hz, 压力高达49MPa, 至使叶片表面出现麻点, 严重时, 会使叶片表面的金属剥落而形成蜂窝状。汽蚀破坏除机械力的作用外还伴有电解、 化学腐蚀等多种复杂的作用。选用更耐腐蚀的材料有利于预防汽蚀现象的产生。
从液环泵汽蚀的机理图和以上的论述, 我们能够看出, 不论是平板式液环泵还是锥体式的液环泵, 它们的汽蚀过程是一样的。从吸入工作区的液环析出的气泡随压力的增大就开始破裂, 不可能如其它厂家说的那样, 气泡会在叶轮的轮毂处聚积最后会从排气口排出。果真如此的话, 就不需要控制工作液的温度。实践也证明该说法是站不住脚的。( 举锥体泵由于汽蚀破坏的例子)

液环泵汽蚀的预防措施:
从以上的分析能够看出, 影响液环泵汽蚀的直接因素有如下三个方面: 一个是吸入气体的绝对压力, 一个就是液环的饱和蒸汽压, 另一个就是材料的耐腐蚀性能。为了预防汽蚀产生的破坏, 我们能够针对影响汽蚀的因素来采取对应的措施:
1、 控制好吸入气体的真空度, 使真空泵运行在安全的区域。
在选用液环式真空泵时, 要综合考虑工作点真空度与液体温度的关系, 使真空泵在汽蚀安全区域下运行。
当以水作为工作液时, 右图是水温对液环真空泵抽气量的影响曲线。

以边界线分开的两个区域, 左边为汽蚀区, 右边的区域为运行安全区。真空泵的工作点( 绝对压力mbar) 为横坐标。纵坐标为水温对真空泵抽气能的影响系数。当工作点与水温修正曲线的交点落在汽蚀区时, 真空泵会产生汽蚀。例: 当工作点在50mbar,与18℃的水系数曲线相交于安全区, 与26℃的水系数曲线相交于汽蚀区。上述两个交点说明: 在水温18℃时, 真空泵工作在50mbar是安全的。如果水温在26℃时, 真空泵会产生汽蚀损坏。
提高选型的准确性, 尽量避免工作点往高真空偏移。如果选用的真空泵在对应工作点的抽气能力大于系统产生的气量时,真空泵实际工作点会向更高真空偏移。见上图,即使用户要求的工作点与水温修正曲线的交点落在安全区域,但当其交点与边界曲线较接近时,如果选用的真空泵抽气裕量较大,真空泵投入运行时, 其实际运行的绝对压力与水温修正曲线的交点可能会偏移到汽蚀区。因此, 准确选用液环泵产品, 也是防止其发生汽蚀损坏的必要条件之一。在实际应用中, 若真的出现选型余量太大时, 能够采用补气或加真空破坏阀的方法来降低真空泵入口的真空度。
另外, 液环泵前配大气喷射器, 也能够提高吸入气体的真空度, 使液环真空泵处于100mbar绝压点附近工作。在真空泵提供动力气源的前提下, 喷射器能够在低于60mbar下工作。真空泵的实际工作点的绝对压力值与泵内液体饱和蒸压的差值得到提高, 从而达到理想的防汽蚀效果。
2、 在吸入气体处于高真空度的前提下, 尽可能降低工作液的饱和蒸汽压。
若有条件, 可选用较低温度的工作液。供入泵体内的工作液温度越低, 其饱和蒸汽压则越低。下面, 以水在不同温度下的饱和蒸汽压数值为例:
温 度(℃)
15
20
25
30
35
40
饱和蒸气压(mbar)
17.04
23.37
31.66
42.41
56.22
73.75
假设真空泵的工作点在80mbar绝对压力运行, 水温越高, 工作点绝对压力与水的饱和蒸汽压的差值就越小, 水越接近沸腾。真空泵越容易产生汽蚀。因此, 在真空泵工作点为固定值的前提下, 降低液体温度能够达到防汽蚀的效果。
创造条件, 避免工作液温升过高。在相同功率和同等效率条件下, 若工作液的流量太小, 势必造成工作液温度过高。同样, 在相同功率和同等效率条件下, 若工作液的流量一样, 工作液的温升也是一致的。由此可见, 有的厂家在同等气量条件下, 配套功率大、 效率低, 由于采用了双级作用的锥体式液环泵就能够说工作液温度要比单级的平板泵的工作液温度低2~3℃, 这一说法是不合理的。当然, 增大工作液的流量, 是能够降低工作液的温升的。例如: 平板式的液环泵能够堵住内循环孔, 能够增大约1倍的工作液的流量, 从而降低工作液的温升。
还有一种情况, 也是造成工作液温度升高过多的原因。当吸入泵的气体是饱和或过饱和的蒸汽时, 较高温的蒸汽在冷凝的过程中释放出大量的热量, 这些热量将导致工作液温度的进一步升高。例如: 在制糖业的真空蒸馏和造纸业的真空脱水和真空干燥过程中, 真空泵吸入的气体中就含有大量的水蒸汽, 这些情况经常会造成工作液温升过高, 因此我们触摸真空泵的泵体时, 会感觉到泵体温度很高。
若条件许可, 也可选用更低饱和蒸汽压的液体做工作液。在同一温度的情况下, 不同的工作液有不同的饱和蒸汽压。在某温度、 真空下, 用水作工作液可能会产生汽蚀, 用其它较低饱和蒸汽压液体作工作液时, 则可能不会产生汽蚀。
3、 配用特别的防汽蚀装置和选用耐汽蚀的材料, 能够大大减轻汽蚀对过流零件的破坏, 增长零件的使用寿命。
液环真空泵发生汽蚀时, 主要是汽泡在破裂时对叶轮及分配器表面产生点蚀损坏。针对这一特点。能够在压缩过渡区域内引入常压气体。具体的方法是: 在分配器压缩过渡区钻一小孔, 而后用管路将大气引入这一区域, 在管路的另一端安装一个单向阀。单向阀的作用是: 防止泵内工作液或气体流出泵外。这套管路称为防气蚀管路。当气泡在压缩过程中破裂时, 从外界引入压力较高的气体能及时补充因汽泡破裂而出现的”空间”。这样能够大大减轻汽蚀对泵的损害及降低汽蚀引起的噪声和振动。
实践证明, 如果真空泵运行在汽蚀区域, 采用铸铁制造的叶轮其运行寿命远低于选用抗汽蚀能力较强的不锈钢材质( 如304、 316材质等) 制造的叶轮。

平板式液环泵相对锥体式液环泵的技术比较

1、 配气部件结构形式上的比较。
CNN、 CVP、 CL、 904、 TC等泵采锥体的分配器结构, 进气方式属于径向进排气方式, 一般情况下, 我们称为锥体泵, 见下面左边视图。2BE1、 CBF等系列真空泵采用平板形的分配板结构, 进气方式属于轴向进排气, 一般情况下, 我们也称这种类型的泵为平板泵, 见下面左边视图。

锥体型的分配器由于其结构复杂, 很难用型材进行加工, 需要开模进行铸造, 对于2BE1、 CBF等系列的平板型的分配板, 由于结构简单, 能够由钢板直接切割出来, 由于采用了先进的激光、 等离子和水刀切割技术, 进排气口的尺寸得到了最大限度的保证, 从而保证了泵性能的一致性。由于我们选用了合适大小的进气口, 而且进气的距离较短( 而锥体泵的分配器进气的距离是其距离的20倍以上) , 所有平板泵具有更为优秀的节能效果, 这一点, 能够参考我们以后的性能比较表。
另一方面, 由于锥体的分配器只能做成刚性排气口, 因此不能适应不同的真空度的要求, 当系统真空度变化或改变时, 泵的气量将大量下降, 效率也因此变低, 因此对于每一个规格的泵, 都需要配备3个不现的分配器来适应高、 中、 低真空度时的要求, 真空度不同时, 选用不同的分配器。平板式真空泵在排气口上装有柔性阀板, 属柔性排气口。排气口的排气角可随进气口的真空度的变化而自动进行变化, 因此该泵在不同的真空度时, 都具有较高的效率。
2、 叶轮的结构的比较。
由于锥体泵采用了锥体型的分配器, 占用了叶轮轮毂较大的位置, 因而叶轮轮毂只能做得比较短小, 这样非常不利于叶轮的受力, 见下面左侧视图。

平板泵叶轮的结构

锥体泵叶轮的结构
从平板泵叶轮的结构图上, 我们能够看出, 叶片的根部与叶轮的轮毂都有联接, 而且在叶轮的外沿有加强环, 因而叶轮更为结实可靠。
另一方面, 锥体泵的转子的重量以及叶轮所受到的扭矩全部作用于泵轴的中心, 因而泵轴将会获得更大的弯曲和扭转变型, 导致泵轴更易于疲劳损坏。而平板泵的转子重量及叶轮所受的扭矩作用于泵轴的两端更靠近轴承的地方, 因此泵轴将会受到一个较小的弯曲和扭转变型。有时候, 用户会提出我们的真空泵的泵轴太小, 强度不够, 轴承寿命不够的问题。其实, 并不是由于我们的泵轴大小不够, 轴承寿命不长, 而是用户受到了锥体泵制造厂家的引导, 从而避免暴露出其结构上的固然缺陷。

3、 泵体材质的比较。
长期以来, 受制造传统的影响, 一般锥体泵的泵体都采用铸造材料进行制造, 而平板泵都采用型材进行焊接。
常见的铸造材料有HT200、 HT250, 这两种铸铁, 由于有较好的机械性能和工艺性能而应用广泛。制作泵体常见的型材有Q235A, 由于其有一定的伸长率和强度, 韧性等机械性能和良好的焊接性能而广泛用于机械零件的制造。
相比较而言, 铸造材料HT200、 HT250的硬度略高于型材Q235A的硬度, 但Q235A材质的延展性、 韧性和组织致密度方面都明显优于铸铁材料, 因此, 在实际应用中, 从耐磨性进行对比, 铸铁材料并不比碳钢材料占有优势, 反而由于铸件材料由于其本身在铸造过程中产生的组织缺陷, 例如: 缩松、 缩孔等, 经过长时间的液体冲刷, 这些缺陷将大大加快该零件的孔蚀的形成, 甚至形成泵体穿孔。我公司就曾帮玖龙纸业、 理文纸业和广州造纸厂等公司都有找个我们维修过她们漏水的锥体泵。而Q235A的钢板为热轧型材, 基本上无内部缺陷, 而且我公司生产的平板泵, 都是采用较厚的钢板焊接而成, 厚度甚至大于20mm以上, 因此在实际应用中, 很少见到有泵体因磨损而穿孔或漏水的情况出现。

4、 曲线特性的比较。
由于锥体泵分配器结构的局限性, 即每个规格的泵都有3个分配器来适应不同的真空度, 因此每个规格的真空泵都有低真空、 中真空和高真空3条特性曲线, 如下图。当系统参数发生改变和需要更改真空泵的台位时, 原有的分配器能够不再适应, 从而需要更换新的分配器。从下图中, 我们能够看到, 若用户原来用的是在高真空度下使用, 若增加真空度和降低真空度时, 泵的气量下降较大。

而平板式真空泵就不存在上述问题。真度泵能自动适应系统真空度的变化, 不至于气量急剧下降。
5、 节能效果方面的比较
下表列出了不同气量,不同真空度条件下, 选用锥体泵和平板泵时轴功率的对比情况, 从表中能够看出轴功率的耗用情况。
气量
m3/min
200mBar(A)
400mBar(A)
600mBar(A)
800mBar(A)
泵型号/转速
轴功率
Kw
泵型号/转速
轴功率
Kw
泵型号/转速
轴功率Kw
泵型号/转速
轴功率Kw
50
CBF300/590
60
CBF300/530
54
CBF300/530
46
CBF300/530
37
CNN /550
64
CNN /530
57
CNN /500
45
CNN /500
42
100
CBF380/372
83
CBF380/372
90
CBF380/372
75
CBF380/372
60
CNN4003/380
105
CNN4002/360
105
CNN4001/340
85
CNN4001/340
65
150
CBF430/350
153
CBF430/330
140
CBF430/330
116
CBF430/330
89
CNN6003/315
195
CNN6002/277
150
CNN6001/277
123
CNN6001/277
90
200
CBF530/276
170
CBF530/276
187
CBF530/276
155
CBF530/276
123
CVP-90H/310
223
CVP-90M/300
195
CVP-90L/300
190
CVP-90L/300
150
250
CBF530/330
245
CBF530/330
255
CBF530/330
220
CBF530/330
187
CVP-110H/257
300
CVP-110M/257
260
CVP-110L/257
225
CVP-110L/257
170
300
CBF630/250
268
CBF630/250
280
CBF630/250
235
CBF630/250
180
CVP-130H/277
360
CVP-130M/277
360
CVP-130L/277
320
CVP-130L/277
280
350
CBF630/298
362
CBF630/286
350
CBF630/286
310
CBF630/286
265
CVP-130H/327
480
CVP-130M/327
490
CVP-130L/327
440
CVP-130L/327
400
400
CBF730/205
375
CBF730/197
360
CBF730/197
300
CBF730/197
230

904-U2/235
450
904-U1/235
428
904-U1/235
340
以上表格建立在尽可能选用比较节能的产品而做出的比较, 能耗多少、 性能优劣的对比结果是显而易见的。
6、 关于喷淋装置冷凝效果的比较。
液环真空泵输送较高温度的饱和蒸汽时, 在泵的进口通入低温的水时, 将会使饱和蒸汽中的部份水蒸汽冷凝成液态水, 从而减小吸入气体的量达到节能的目的。实验和理论计算结果表明, 在100mBar的吸入绝压下, 当吸入的气体为34℃, 当在泵的入口喷入21.4℃的水时, 能将进入口1000 m3/h的气量冷凝成原来气来的70%左右, 此时需要通入冷却水的量为1.26m3/h, 凝结水的量为0.06m3/h, 也就是说经过液环泵入口的水量为1.32m3/h, 此时气量与水量体积比为758: 1, 经试验表明, 对于平板泵的轴功率将增大1.5%。在此情况下, 采用带喷淋装置的平板式真空泵的节能效果是非常可观的。某制造锥体泵的公司在其宣传资料上声称的在平面泵上安装喷淋装置是”得不偿失的”, 这有误导消费者的嫌疑, 这是一种不正当的竞争行为。经分析, 该结果是在以气量水量之比为: 1feet3: 0.06galon=124: 1的试验条件下得出的, 试验中的水量远远大于喷淋装置中需要的水量, 该水量已基本接近于液环泵的工作水量了, 因此会得到”得不偿失的”结论。

7、 关于启动电流的比较。
由于输送气量相近, 因而两泵的泵体大小是基本一致的, 同时, 液环泵运行时需要的液环的体积也是基本一致的, 因此若相对于泵体来说, 液环的高度不论是锥体泵还是平板泵都是一致的。液环泵的启动时, 叶轮对工作液做功, 使工作液的动能增加, 形成液环。平板泵相对于锥体泵而言, 由于叶轮侵没的深度较低, 启动时, 叶轮受到工作液的阻力小, 从而导致平板泵相对锥体泵而言, 在其它条件都一样的条件下, 启动电流要小, 经过实验对比, 对于相同气量的平板泵与锥体泵, 平板泵的启动电流约为锥体泵的77.3%。
8、 磨损程度的比较。
无论是平板泵还是锥体泵, 长年累月的运转无可避免会造成泵的转动部件与非转动部件由于相对运动而造成的磨损。由于平板泵仅有叶轮与分配板之间在轴向的一个方向的磨损, 而锥体泵由于其锥体分配器的存在, 就不可避免地造成锥形分配器与叶轮的轴向和径向两个方向上的磨损, 因此在相同的条件, 锥体泵比平板泵的磨损量将大41%, 这必将造成泵的气量更为快速的下降。
由于各种影响因素( 汽蚀、 腐蚀、 泵的振动、 固体微粒等等) 的存在, 这种磨损( 或零件上失去的材料) 经常是不规则的。一般经济地恢复液环泵性能的方法, 是车除已经破坏的配合面。由于分配器的锥形结构, 要使分配器与叶轮配合好, 做到间隙均匀, 是非常困难的。分配器与叶轮锥面之间的锥度较小的差别将造成锥体泵气量较大的下降, 而且不能获得高的真空度。而平板泵仅需要加工平面, 就相对简单得多。