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1、毕 业 小 专 题姓名： 年级： 2008级学校： 山东科技大学浅析矿用离心式水泵的汽蚀（中国冶金地质总局山东正元地质勘查院，济南 250101）摘要：排水设备作为煤矿四大固定机械设备之一，承担着排除涌水、预防水灾、保障安全的重要任务。离心式水泵在运行过程中发生汽蚀是一种常见的故障现象。汽蚀的发生,会造成水泵扬程、流量及效率的显著下降,同时还会产生噪音和振动。汽蚀严重时导致水泵吸不上水而断流,过大的水锤压力甚至会损坏水泵的过流部件。本文通过分析汽蚀产生的原因及危害,探讨如何增强水泵的抗汽蚀性能,避免汽蚀现象的产生,以提高水泵的运行效率,延长水泵的使用寿命。1 引言伴随着国民经济的快速发展，我国
2、的能源需求总量正呈迅猛增长之势。由缺油、少气、富煤条件决定的“以煤为主”的我国能源消费格局，在新的替代能源大规模工业化开发利用期到来之前，仍将在较长时间内继续维持。因此，煤炭的安全生产和良性供应具有十分重要的战略意义，而由煤炭储藏的隐蔽性决定的生产过程的特殊性、复杂性和危险性，更使其成为世人关注的焦点、重点。为确保煤矿的安全生产，消灭其五大灾害之一得水灾，及时排除涌入矿井工作面和巷道的矿水-自然涌水和开采工程涌水，其主体承担设备-水泵，地位重要，影响巨大，既肩负维护矿井安全的重任，又影响着矿井的生产效益，并服务于矿井的整个生产周期。为此，必须作好及时发现安全隐患，排除工作故障，维护稳定经济运行
3、的工作。除极少数露天及斜井开拓的矿井外，矿井主排水泵均为离心式水泵，且以卧式泵为主。此类水泵工作过程中，常见却难以采用单一方法和措施排除的故障-汽蚀，对其正常运行影响最大。2 离心式水泵汽蚀的机理为保证矿井的安全，其主排水系统的水泵绝大多数采用负压吸水方式。其布置方案见图1，当离心式水泵吸水口侧压力等于或低于其工作水温下的饱和蒸汽压Pb，即PxPb时，部分矿水即汽化形成气泡，混入高速水流；裹挟着气泡的水流在进水口负压的作用下进入首级叶轮，之后再叶轮的动力作用下压力逐渐升高，当压力大于饱和蒸汽压时，蒸汽的凝结将造成气泡破灭，致使叶轮内流道高速水流中产生压力空穴；周围高速水流的快速补充引发的压力冲
4、击，对叶轮内流道形成高频压力冲击，最终导致其表面疲劳剥落，进而在氧气和其它有害物质的作用下，发生电化学腐蚀，形成蜂窝状空洞，即汽蚀。1.真空表；2.压力表3.水泵图1 矿用离心式水泵吸水管路安装示意图3 汽蚀的征兆由前述分析可知，汽蚀产生的基本条件为PxPb，即实际水泵的吸水侧真空度Pz=Pa-P1大于了汽蚀允许真空度Ps。基本过程为：饱和状态下矿水汽化形成气泡阻塞流道，干扰正常流动，造成水泵出口压力出口压力下降、流量下降；同时高压区气泡破裂引发噪声和振动。其宏观特征表现为：（1） 进水口侧真空表1指数上升，超过正常允许值。（2） 出水口侧压力表2指数下降，低于正常工作范围（3） 泵体振动，伴
5、随非正常噪音（4） 水泵流量减小，甚至断流。4.影响矿用离心式水泵汽蚀的因素4.1矿井吸水管路特性方程参加图1，列吸水井水平0-0与水泵吸水口侧断面a-a间的能量方程有：整理后：令将 代入上式，得：矿井吸水管路特性方程： （1）其中： （2）式中：-水泵吸水管路实际吸水真空高度，m；Hx-水泵安装高度，m；Px水泵吸水口侧绝对压力，Pa；-水泵吸水口侧流速度，m/s;dx-吸水管直径，m；Lx-吸水管长度，m；x-吸水管路沿程阻力损失系数；x-吸水管局部阻力损失系数；-吸水管段流动阻力损失，m；-管内水流动能修正系数，取=1.0；Rx-水泵吸水管段流动阻力损失系数，。4.2 临界汽蚀点与汽蚀安
6、全区的确定将吸水管路特性方程转化为特性曲线，绘制在离心式水泵特性曲线图上，其与水泵特性曲线图中Hs-Q曲线的交点C，即为临界汽蚀点。如图2所示：当QmQc时，HsHs安全区；QmQc时，HsHs汽蚀区；图中Hs为离心式水泵允许吸上真空高度。4.3 影响矿用离心式水泵汽蚀的因素（1）吸水管道及水泵吸水侧流动阻力损失的影响参见公式（2），吸水管直径dx选择偏小或使用期间挂垢，都将造成吸水管有效通流面积减小，吸水管路流动速度加大，流动阻力增大，最终致使水泵吸水管段流动阻力损失系数Rx变大，吸水管路特性曲线变陡，由1至3，临界汽蚀点C左移至C，QmQc，汽蚀出现。参见图2。（2）离心式水泵吸水高度Hx
7、影响参见图2，当吸水高度由Hx降低为Hx时，吸水管路特性曲线将由3移至2，临界汽蚀点C随之右移至C，退出汽蚀区，转为安全状态。1. 正常状态下水泵吸水管路特性曲线图；2. 降低吸水扬程状态下水泵吸水管路特性曲线图；3. 挂垢状态下水泵吸水吸水管路特性曲线图；4. 正常状态下水泵排水管路特性曲线图；5. 闸门节流调节状态下水泵吸水管路特性曲线图图2 离心式水泵汽蚀性能分析图（3）排水管道特性的影响当采用闸门节流法，调节排水管路流动状态，将排水管道特性曲线其图2中的4调至5时，水泵工况点将由M移至M满足QmQc，汽蚀消失。（4）水泵叶轮机械强度及抗腐蚀能力的影响水泵叶轮机械强度越大，抗冲击能力越强
8、；材质越好，抗腐蚀能力越好；（5）水泵首级叶轮流道形状的影响水泵叶轮流道的大小与形状过度，直接影响水泵吸水口侧流动阻力及水流动能的大小，其效果基本同（1）。（6）水泵使用与维修的影响正常使用、良好的维修可以有效保障水泵的性能；否则，水泵性能恶化，允许吸上真空高度Hs下降、Hs-Q线下移，也将快速提高汽蚀出现频率。5 预防汽蚀的措施由前面的分析可知，汽蚀是高速水流在饱和状态下较长时间对叶轮内流道的固定区域持续作用的结果。其作用效应既与叶轮的材质疲劳强度与腐蚀性有关，与叶轮结构设计有关；也与矿井使用过程中选择的吸水管道规格、水泵的安装高度、吸水管道安装形式有关。因此，预防应从以下两个方面采取相应措
9、施。5.1离心式水泵的设计生产方面（生产厂家）（1）首级叶轮采用抗疲劳耐腐蚀材质；（2）首吸采用双吸叶轮或增大叶轮进口断面面积；（3）增大叶轮前后盖板转弯处曲率半径；（4）叶片进口边向吸水侧延伸（5）增大叶片进口边宽度（6）设前置诱导轮5.2 离心式水泵使用方面（煤矿）（1）合理选择水泵安装高度Hx；（2）增大吸水管的直径dx；（3）减小所有不必要吸水管连接附件和长度。6 排除汽蚀的方法矿用离心式水泵实际工作中，因其输送的矿水泥沙含量大，所以，普遍存在着不同程度的管道污垢沉积阻塞现象。由此造成管径减小、流速上升、阻力增大、临界汽蚀点C左移，汽蚀高发的局面，因煤矿的特殊条件的制约，难以在短时间内
10、得到根本改善，因此，必须采用具体有效的方法计算排除故障，确保系统安全运行。6.1 根治方法上述分析表明:汽蚀发生在水泵首级叶轮，排除原始选型可能的不合理因素外，其主要影响因素为吸水管路特性和水泵汽蚀性能，因此，根治的办法也应双管齐下。当发现水泵出现汽蚀破坏后，必须注意采取相应措施对水泵的工作条件予以调整，否则采用简单的更换汽蚀叶轮的危维修方法不可能从根本杜绝汽蚀，所更换的叶轮必然重蹈前叶轮的覆辙，短时间破坏重视。现实生产中可行的排除方法如下：（1） 更换新叶轮。（2）定期检修水泵，及时清除吸水口侧流道的污垢，提高水泵检修质量，恢复其通流能力，降低水的流速，减小流动阻力，保证良好吸水性能，促其达
11、到正常的允许吸上真空高度。（3）清除吸水管道污垢，有效减小流动阻力，推动曲线3向曲线1方向转移，促使临界汽蚀点C右移，扩大水泵的汽蚀安全区。参见图2。（4）去除吸水管道端部的吸水底阀，采用真空泵或射流泵等方法解决启动问题；效果同上。（5）对于涌水量较小，水泵非连续全天侯运转的矿井，应注意编制合理的水泵工作时间表，确保水泵吸水高度不要过大，尽可能稳定临界汽蚀点在C点左右，力避其左移至C位置。参见图2。6.2 应急方法实际工作中，若发现水泵出现汽蚀特征，而条件暂时又不允许停机根除时，可以采用以下方法作应急处理：适当关闭水泵排水管出口处的闸板阀，减小水泵流量，将其工况点由M调至M，调出汽蚀区，见图2
12、，避免汽蚀后果的发生。但此法调整对象为无故障的排水管理特性，为治标之法，只能应急，不宜长期使用。否则人为增大排水系统阻力，不仅增大排水能耗，降低矿井生产效益，还将减少系统排水能力，造成矿井安全隐患。7 结束语综上所述，汽蚀是处于负压吸水工作状态的离心式水泵常见的一种故障现象。矿井排水系统因水质问题，汽蚀的几率更高。由于影响汽蚀因素不仅局限水泵本质，因此，实际使用过程中，预防汽蚀和排除故障必须从水泵结构设计、检修、维护和配套系统选择、使用两方面采用措施，才能达到良好的预期效果。参考文献1中国机械工程学会设备与维修工程分会，机械设备维修问答丛书编委会.泵类设备维修问答.北京：机械工业出版社，20062刘捷.流体机械.北京：煤炭工业出版社，20043曲生，孙宝铁，张大秋.庙平9#大位移水平井钻井技术.中国安全生产科学技术，2009,5（2）：144-1504刘国林，尹尚先.华北型煤田岩溶陷落柱导水性研究J.中国安全生产科学技术，2009,5（2）9