矿井主排水泵喘振现象及改善措施的探究

2020-03-14贺仰晓张泽平

机械管理开发 2020年1期

贺仰晓，张泽平

（同煤集团马脊梁矿，山西大同 037001）

引言

矿用主排水泵多为多级离心泵，由于水泵进气、气蚀等因素引发设备运转过程中出现振动、噪音现象，性能上表现为设备运行效率降低、水泵扬程与过流量出现明显下降，我们称之为水泵的喘振故障。水泵产生喘振现象后内部受到水力冲击作用加大，会对水泵各过流元件造成极大损伤，出现金属疲劳、表面缺陷甚至部分剥落，一旦水泵叶片出现上述损伤，会严重影响水泵正常运转。水泵喘振现象还会导致流体中有害气体提前析出，对金属表面进行腐蚀[1-2]。为此加强对矿井主排水泵的运行工况的监控，及时发现振动和噪音现象，能够有效确保水泵正常运转效率和井下排水工作的正常进行。

1 排水泵喘振现象原因

1.1 进气现象

水泵运转过程受到多种因素影响，少量空气会伴随水流进入水泵泵体内部，被带入的空气受到流体的液体压力，在叶轮低压处会进行膨胀，而被带入高压处会被压缩，体积缩小而压力升高，形成小范围的高压区，该过程会不断受到泵体内部流体的状态而不停发生变化，这类泵体内部的体积变化会影响到流体低压时的真空度，降低排水泵吸水能力。压力变化还会对泵体本身产生冲击作用，致使离心泵出现振动和噪音，此时水泵的扬程、流量以及机械效率都会受到影响。

1）液体降落进气。矿井排水系统需要井下排水先汇入水仓内，再通过主排水泵抽出输入至地面进行处理，这就构成了一个水体循环流动系统。井下排水汇入水仓前，会由高处落下，冲击作用会将一部分空气携带至水体，当冲击所产生的所有能力全部消耗完，进入水体的气体会逐步释放，水体需要进行一定时间的静置，才能释放大部分空气。由于设计、现场场地等因素，水仓深度和体积会存在一定限制，水仓深度过低，水体流量过大，气体尚未完全释放就被带到泵体进入循环系统内部[3-4]。

2）蜗旋进气。排水泵循环吸入过程中，液位急剧下降，会沿吸水口中心形成漩涡，这种涡流现象会携带一定量空气伴随水流进入泵体及循环系统内。而空气进入泵体对系统造成的影响与上述情况是一致的。这种情况多是由于水井水位过低，水泵进水口设置过浅造成的。还有极个别情况是由于进水管出现漏气现象造成的。

1.2 气蚀现象

液体在低压作用到一定程度会蒸发膨胀，该状态被称为饱和蒸气压，而压力增加到一定程度会再次转化为液体。在水泵运转过程中，低压区部分液体受到压强到达饱和蒸气压形成气泡，通过叶轮高压区受压力影响再次变为液体，这一过程中体积的急剧变化会导致部分区域出现小的空洞现象，同时水流受压力作用挤压至空洞处对水泵内部造成冲击，此时水泵内部再次出现低压区域，水流再次出现气泡直到冲击能量完全损耗。为了避免汽蚀现象产生，需要确保水体在入口处受到液体压力大于发生气蚀的饱和蒸气压的单位能量，这种相对余量被称为水泵运转的最小汽蚀余量，同时设备最小气蚀余量对该单个设备为定值，并受到水泵结构和其他参数影响[5]。

2 矿井主排水泵性能曲线的分析

对矿井主排水泵的喘振现象进行分析，通过研究整个系统的力学稳定性及排水泵的性能曲线，说明整个管路系统中的流动状态。水泵出现喘振的频率范围基本稳定在0.1～10 Hz，在这个固有频率内水泵出现喘振几率极大[6]。反应在曲线上，主排水泵的工作点会在形成一个封闭的曲线，并且呈现逆时针变化，而工作点会位于驼峰型性能曲线上升区域，该段为不稳定工作段（图1为主排水泵的工作点轨迹，图2为驼峰形性能曲线）。

图1 主排水泵的工作点轨迹

图2 驼峰形性能曲线

图2驼峰曲线中峰值处为最佳工况点K，当工况点位于K点左侧，例如A点出水泵静压头大于管路阻力损失，流速和流量会逐步增加；而位于K点右侧的点，流量和流速会下降，即水泵静压头会小于管路阻力值，并呈现降低趋势，直到流量值归零。这时以峰值点K点为分界点，左区为不稳定区，右区为稳定区。一般情况下水泵系统分为简单泵系统和复杂泵系统。简单泵系统扬程特征量会小于管路特征量，即单纯从管路系统中不会因为扬程曲线趋势和工况变化是否出现驼峰，而产生喘振现象。而复杂泵系统管路设置有水箱以及其他控制阀，管路主线的控制阀对流量调整，导致排水泵的工况点超出扬程点就会发生喘振现象[7]。排水泵系统中，后段存在储水罐或储气罐等部分形成复杂系统，并且使用罐体后段节流阀改变流量时会发生喘振现象。