高压柱塞泵汽蚀的分析与对策

巴胜富，鲁 飞，苏吉鑫，庞 雷，陈正文，张 的，朱华清

(合肥通用机械研究院 压缩机国家重点实验室 合肥压缩机技术省级实验室，安徽合肥 230031)

高压柱塞泵汽蚀的分析与对策

巴胜富，鲁 飞，苏吉鑫，庞 雷，陈正文，张 的，朱华清

(合肥通用机械研究院 压缩机国家重点实验室 合肥压缩机技术省级实验室，安徽合肥 230031)

针对高压柱塞泵的汽蚀现象，阐述了产生汽蚀的原因与危害。通过汽蚀判据的分析，给出了产生汽蚀的判断依据，该判据可作为高压柱塞泵的设计条件。并提出了高压柱塞泵的液力端结构与进水系统的优化设计措施，设计经工程验证可以有效消除汽蚀。

高压柱塞泵；汽蚀；判据；优化

1 前言

高压柱塞泵是一种通过工作腔内容积周期性变化将介质压力提高的流体机械，在工业清洗、切割、油田注水与煤矿开采等领域得到广泛应用。在实际的使用过程中，不可避免的产生柱塞及其密封的失效，导致整套装置的故障。导致失效的一个不可忽视的原因是汽蚀产生的破坏。实际设计与使用中，人们一直在关注离心泵汽蚀产生的破坏，但是对高压柱塞泵汽蚀引起柱塞损坏连带密封失效的研究却很少。本文通过对高压柱塞泵的汽蚀成因和危害的分析，从液力端结构和进水系统两方面提出6项优化措施，可以有效预防高压柱塞泵汽蚀的产生。

2 汽蚀的成因分析

图1为一高压柱塞泵液力端局部示意。柱塞在缸体内的往复运动使工作腔内容积周期性变化，从而实现介质的增压与输送。在吸入行程中，柱塞从筒体中抽出，水从阀座进入筒体工作腔内。这一过程要求进水系统始终能够提供一个足够的有效压头，保证进水不会出现脱流。同时进水须满足维持缸体内的水压高于抽送温度下水的饱和蒸汽压，否则发生汽化，溶解于水中的气体因此而部分释出，形成汽核。在排出过程中，温度和压力升高，汽核迅速凝结以致溃灭。液体质点以极高的速度填充汽核，形成强大的局部高频高压水击，与汽核接触的零件表面因疲劳而产生剥蚀[1～5]，进而造成严重破坏。

图1 液力端局部示意

表1列出了某一发生汽蚀现象的高压柱塞泵的工作参数。

表1 柱塞泵参数

图2显示了该泵发生汽蚀的损坏情况，可以发现在靠近柱塞端面的位置产生明显的蚀坑。由于这些蚀坑的产生导致了柱塞柱面与密封组件局部产生较大的空隙，柱塞无法提供一个完整的圆周径向支撑，造成密封组件的塑性变形或碎裂，甚至柱塞的蚀坑坡口直接刮伤密封组件，最终密封组件快速失效，产生泄漏。该泵发现泄漏与汽蚀故障时工作时间仅有200 h，远远低于正常1000 h以上的使用寿命。

图2 柱塞表面的汽蚀情况

3 汽蚀产生的判据分析

显而易见，只要高压柱塞泵的进水系统能够保证在泵的每一吸入行程里始终给进水以足够的压头p1，以满足进水本身加速的要求。即保证缸体内进水所具有的压头p2能够始终有效地超过抽送温度下水的饱和蒸汽压pv，就可以避免汽蚀现象的产生，即：

p2>pv

(1)

高压柱塞泵进水阀座的通道位置1的圆孔流道直径为d1，流道数量为8，有效截面积为A1,速度为v1，压力为p1，柱塞抽吸过程的位置2的柱塞直径为d2,有效截面积为A2，压力为p2，假设进水连续，伯努利方程为：

(2)

式(2)中由于流体质点从位置1到位置2高度差较小，故可忽略流体沿流道克服重力做功，则可简写为：

(3)

或者为：

(4)

由式(1)、(4)可得：

(5)

曲柄半径为r，连杆长度为l,转速为n,见图3，转角θ在0°～180° 范围内为抽吸过程，则柱塞的线速度可近似为：

(6)

图3 高压柱塞泵柱塞运动示意

(7)

即：

(8)

由式(5)、(8)可得：

(9)

由式(6)、(9)可得泵进水压力条件：

(10)

式(10)同时表明对于一种流体介质，要求进液压力的参数主要是泵体结构参数，则可以将本结论与工艺参数作为已知的设计条件，进行高压柱塞泵的结构设计。

4 提高抗汽蚀性能的措施

4.1 优化液力端结构

(1) 增大进水阀当量通径

由图1可见，液体从泵外进水系统进入柱塞缸体工作腔过程中，经过阀座进液孔。如果阀座进液孔通径过小，阀隙流速较大，将影响柱塞泵抗汽蚀能力。这时因为泵吸入口液体流速v1过大，水力阻力损失过大，消耗的能量多，泵吸入性能差。所以要限制v1值。一般要求v1≤1 m/s。v1选定后，d1即可确定：

(11)

式中q——阀座单通道流量，额定工况下流量为16.375 L/min

则由式(11)计算得进水阀阀座单通道孔径d1=18.6 mm，实际该尺寸仅为12 mm，在原阀座安装尺寸不变的情况下，增加孔径d1至14 mm，同时将圆形孔改为弧形孔，以增加当量孔径至15.6 mm，通过直接增加进水阀孔径可明显提高抗汽蚀性能。

(2)减少进水阀动作滞后

进水阀伴随柱塞的往复运动周期性的启闭，交替打开与截断柱塞工作腔与进水管道之间的通道，完成泵的吸入与排出过程。进水阀的运动规律取决于柱塞工作腔里的压力变化和阀上载荷。阀上载荷主要来自于进水阀弹簧I与自重。如果降低进水阀弹簧弹力，则可以减少进水阻力损失，提高打开速度，进而减少进水阀动作滞后提高抗汽蚀能力。但是进液阀弹簧弹力过小可能造成关闭滞后，降低泵的容积效率。总之进液阀弹簧的设计关系到开关速度，影响到进水阻力损失与泵容积效率。进水阀弹簧设计需要结合泵的主要设计参数，解决主要矛盾，做到抗汽蚀能力与容积效率的兼顾。

(3)选用抗汽蚀的材料

为减轻汽蚀对水泵过流部件的损坏，延长其使用寿命，可选用抗汽蚀性能较强的材料[7]。如选陶瓷柱塞，或在柱塞表面喷涂钨基或镍基硬质合金，将柱塞表面硬度提高至62～65 HRC[8]，能否提高抗汽蚀能力关键在于使柱塞表面强度是否高于汽核溃灭过程产生的最大压强[9]。

4.2 优化进水系统

为保证泵持续吸入足够的液体，满足吸入加速度产生的流量增加，进水系统的设计极为重要。高压柱塞泵的进水系统布置如图4所示。

图4 进水系统布置示意

进水系统中设置了前置离心泵、过滤器与脉冲消减器，也可以根据要求安装探测频率不低于1000 Hz的压力传感器。压力传感器可以精准的测绘出进水压力曲线，以观察是否存在汽蚀。针对供水、管路布置及压力脉冲的具体优化措施有：

(1)采用有压供水

进水管路设置前置离心泵，其出口压力不能低于p1，该压力不仅要克服进水管路的压力损失，还须把加速度损失计算在内，如果高压泵入口压力表显示的压力是0.3 MPa，但是其有效汽蚀余量NPSHa肯定小于30 m。同时还要保证进水量供给是柱塞泵所要求的1.6倍以上。

(2)优化管路布置

进水管路中主要忽视的问题是加速度损失，为降低加速度损失，最好的办法是降低进水管路流速，该速度不得大于1 m/s，进水速度越低，进水系统的性能则会加强。设计时首先保持进水管路短、管径大。这里有个普遍的误解，误认为进水管路的长度是从泵端到前置泵的长度，其实正确的定义是泵端到最近的敞开液面，比如进水水箱或脉冲消减器。另一方面，进水管路呈直线布置，线路中尽量少有滞留水的部件，弯头与变径也要尽量避免。进水管路设计好以后，可在泵使用之前计算NPSHa的值，防止因进水管路设计的问题让泵在运行时产生汽蚀。

(3)消减进水压力脉冲

在实际应用中，尤其是在大型工厂，进水管路很长，产生很大的加速度损失。加速度损失是因为进水压力偏离波形的峰值引起的，那么减小峰值就可以减小加速度的损失。在进水端，比较接近泵头的地方，安装一个脉冲消减器(如图4)，减小脉冲峰值，消减进水端的加速度损失，防止汽化的产生。

5 结语

通过对高压柱塞泵汽蚀原因分析，给出了柱塞泵汽蚀产生的判据。提出了从液力端结构与进水系统两方面6项优化措施，可以有效预防汽蚀的产生。发生汽蚀的高压柱塞泵经改进后，运行平稳，流量与压力均达到设计要求，运行1200 h没有更换填料、阀等易损件。本文总结出的汽蚀判据以及避免汽蚀的设计关键环节，可以为高压柱塞泵结构设计及成套组装提供参考，为出现汽蚀的高压柱塞泵提供改进办法。

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Analysis and Countermeasures of Cavitation in High Pressure Plunger Pump

BA Sheng-fu，LU Fei，SU Ji-xin,PANG Lei，CHEN Zheng-wen，ZHANG Di，ZHU Hua-qing

(State Key Laboratory of Compressor Technology,Anhui Province Key Laboratory of Compressor Technology,Hefei General Machinery Research Institute ，Hefei 230031，China)

Aiming at the cavitation of a high pressure plunger pump，the cause and harm of cavitation are expounded.Through the analysis of the criterion of cavitation，the judgment basis for the occurrence of cavitation is given，and the criterion can be used as the design condition of high pressure plunger pump.This paper describes how to optimize the structure of the hydraulic end of the high pressure plunger pump and the water inlet system，the optimization effect is proved to be effective in eliminating cavitation.

high pressure plunger pump；cavitation；criterion；optimization

1005-0329(2017)03-0052-04

2016-07-12

2016-10-27

TH322

A

10.3969/j.issn.1005-0329.2017.03.011

巴胜富(1983-)，男，工程师，主要从事高压水射流及往复泵技术研究与流体机械成套设备研发工作，通讯地址：230031 安徽合肥市长江西路888号合肥通用机械研究院，E-mail：13966779237@163.com。