离心泵的安装高度

在图7-11所示的管路中,在液面0-0与泵进口附近截面1-1之间无外加机械能,液体借势能差流动,1-1截面上的压强必然小于吸入液面的压强。在一定的温度和大气压下,液体具有确定的饱和蒸气压值。因此,提高泵的安装位置,叶轮进口处的压强可能降至被输送液体的饱和蒸气压,引起液体部分汽化。

实际上,泵中压强最低处位于叶轮内缘叶片的背面(图中K面)。泵的安装位置高至一定距离,首先在该处发生汽化现象。含气泡的液体进入叶轮后,因压强升高,气泡立即凝聚。气泡的消失产生局部真空,周围液体以高速涌向气泡中心,造成冲击和振动。尤其当气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着叶片;另外气泡中可能带有的氧气等会对金属材料产生化学腐蚀作用。泵在这种状态下长期运转,将导致叶片的过早损坏。这种现象称为泵的汽蚀(cavitation corrosion)。产生汽蚀的原因有以下几种:

(1)泵的安装位置高出吸液面的距离太大。

(2)泵安装地点的大气压较低。

(3)泵所输送的液体温度过高。

图7-11　离心泵的安装高度

离心泵在产生汽蚀的条件下运转,泵体会产生振动并发出噪声,流量、扬程和效率都明显下降,严重时甚至吸不上液体。为避免汽蚀现象,泵的安装位置不能太高,以保证叶轮中各处压强高于液体的饱和蒸气压。离心泵出厂时,厂家在铭牌上都会标注最小吸入真空度或者最大汽蚀余量,常用的单级单吸离心泵的最大安装高度见附录Ⅶ。

在正常运转时,泵入口截面1-1的压强p 1和叶轮入口截面K的压强p K有关,列截面1-1至K之间的能量衡算式

从式(7-18)可以看出,在一定流量下,p 1降低,p K也相应地减小。当泵内刚发生汽蚀时,p K等于被输送液体的饱和蒸气压p v,而p 1必等于某确定的最小值p 1,min。在此条件下,式(7-18)可写为

或

式(7-19)表明,在泵内刚发生汽蚀的临界条件下,泵入口处液体的机械能比液体汽化时的势能超出。此超出量称为离心泵的临界汽蚀余量,并以符号(NPSH)c表示,即

为确保离心泵工作正常,根据有关标准,将所测定的(NPSH)c加上一定的安全量作为必需汽蚀余量(NPSH)r,并列入泵产品样本,(NPSH)r值可参见附录Ⅶ。标准还规定实际汽蚀余量NPSH要比(NPSH)r大0.5 m以上。

要考察离心泵的安装高度,首先必须确定最大允许安装高度[H g]。列从吸入液面0-0至叶轮入口截面K之间(参见图7-11)的能量衡算式

当泵的安装位置达到最大安装高度即Z K-Z 0=H g,max时,p K=p v,则可求得最大安装高度

式(720 )中和

是已知量,在一定的流量下可根据吸入管的具体情况求出。在求取相应的最大允许安装高度[H g]时,用[(NPSH)r+0.5]代替(NPSH)c,则

必须指出,(NPSH)r与流量有关,流量大时,(NPSH)r较大。因此在计算泵的最大允许安装高度[H g]时,必须以使用过程中可能达到的最大流量进行计算。

由图7-11列吸液池面0-0和泵入口断面1-1之间的能量方程

Z 1-Z 0=H g(H g即泵的安装高度),则上式可写为

式(7-22)说明,吸液池面与泵吸入口之间泵所提供的压强水头差,是使液体以一定速度

æ泵吸入口处速度水头为而吸升H高度的原动力。

è g,克服吸入管道阻力

如果吸液池面受大气压p a作用,即p 0=p a,则泵吸入口的压强水头

就低于大气压的水头,这恰是泵吸入口处真空压力表所指示的吸入口压强水头H s(又称为吸入口真空高度),其单位为m。于是式(7-22)可改写为

为确保泵的正常运行,制造商规定了一个允许吸入真空高度,用[H s]表示,与最大允许安装高度[H g]相对应,由式(7-23)可知它们之间的关系为

必须注意,实际的允许吸入真空高度[H s]值并不是根据式(723)计算的值,而是由泵制造厂家实验测定的值,此值附于泵样本中供用户查用。另外,泵样本中给出的[H s]值是用清水作为工作介质,操作条件为20℃及压力为101.325 k Pa时的值,当操作条件及工作介质不同时,需进行修正,修正公式为

[H′s]=[H s]-(10.33-h a)+(0.24-h v)(725)

式中　10.33-h a——因大气压不同的修正值,其中h a是当地的大气压强水头(m);

0.24-h v——因水温不同所做的修正值,其中h v是与水温相对应的汽化压强水头(m),可参见附录Ⅷ,0.24为20℃水的汽化压强。

水泵安装高度不能超过计算值,否则,离心泵将会抽不上水来。另外,影响计算值的大小是吸水管道的阻力损失扬程,因此,宜采用最短的管路布置,并尽量少装弯头等配件,也可考虑适当配大一些口径的水管,以减小管内流速。另外,从管道安装技术上来讲,吸水管道要求有严格的密封性,不能漏气、漏水,否则将会破坏离心泵进水口处的真空度,使离心泵出水量减少,严重时甚至抽不上水来。

例7 -2　某离心泵从样本上查得允许吸入真空高度[H s]=5.7 m。已知吸入管路的全部阻力为1.5 m H 2 O,当地大气压为9.81×104 Pa,液体在吸入管路中的动压头可忽略。试计算:

(1)输送20℃清水时,离心泵的最大允许安装高度;

(2)输送80℃清水时,离心泵的最大允许安装高度。

解　(1)当地大气压为9.81×104 Pa,且清水温度为20℃,与泵出厂时的实验条件基本相符,由于液体在吸入管路中的动压头忽略,所以根据式(7 -24)可得泵的最大允许安装高度为[H g]=5.7-(0+1.5)=4.2(m)。

(2)当输送80℃清水时,需对[H s]进行修正,

由附录查得80℃水的饱和蒸气压为47.4 k Pa,则

[H g]为负值,表示泵应安装在水池液面以下,至少比液面低0.72 m。