排水泵喘振与汽蚀现象改善措施研究

张丽霞

(大同煤矿集团大斗沟煤业有限公司，山西 大同 037003)

0 引言

矿井主排水泵是确保矿井正常运转并避免水害影响的主要设备，而矿用主排水泵多为多级离心泵。水泵在使用过程中，比较常见的故障有喘振和汽蚀。水泵产生喘振现象后，泵体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，严重影响水泵正常运转。汽蚀会对水泵内叶轮和各过流表面造成损伤，甚至造成表面变形和疲劳，降低水泵的运行效率，并表现出异常噪音和振动现象。为此，加强对矿井主排水泵的运行工况监控，及时发现喘振和汽蚀现象，能够有效确保水泵正常运转效率，并确保井下排水工作的正常进行。

1 排水泵喘振与汽蚀现象分析

1.1 进气导致喘振

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影响而不停发生变化，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，水泵的扬程、流量以及机械效率都会受到影响。

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量全部消耗完，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，就会导致气体尚未完全释放就被带到泵体进入循环系统内部。

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。该情况大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。

1.2 气蚀现象与分类

汽蚀现象主要是由于泵体内部流体压力低于饱和蒸汽压力，部分水出现汽化现象形成气泡，体积上出现膨胀，随水流流动到泵体高压区域，受到压力作用，气泡重新凝结为液体，负压作用导致水流向该处汇集，形成冲击现象，形成水锤现象，作用在水泵叶轮上，长期作用下对叶轮和水泵的流道表面都会造成金属疲劳，形成表面蜂窝状孔洞或出现表面金属部分剥蚀，同时气泡携带的气体本身也会造成金属表面氧化，对叶轮和流道表面产生腐蚀。离心泵水流低压区通常位于第1级叶轮入口处，汽蚀造成的冲击力非常大，冲击频率能够达到20 000次/s以上。

叶片汽蚀：离心式水泵最为常见的损伤为叶片汽蚀，主要受到水泵安装高度或流量偏移因素的影响，损伤区域分布于叶片正面、背面和前盖板等部位。叶片汽蚀正面受到的损伤多数为小的浅坑或微小汽蚀孔，并呈沿进水边缘向外扩散，水泵流量较大时叶片正面损伤较大，而小流量时背部损伤会明显增加。

间隙汽蚀：该类汽蚀现象的损伤多数位于叶片外边缘，呈现出圈状，损伤面为蜂窝麻面状。该类汽蚀发生主要由于水泵的低负荷运转，流体经过离心泵的回流槽处，水流通道变窄，流体速度加快但压强相对下降，造成汽蚀损伤。

蜗旋汽蚀：排水泵前段的水仓、进水池等处设计不当，水泵进水口处水流紊乱，涡流携带部分空气进入泵体，这类汽蚀状况会呈现周期性，水泵内形成的涡带会造成叶片的表面损伤，并集中在叶片低压区域。同时漩涡旋转方向与水泵内水流正常旋转方向不同对水泵造成影响也不相同，当两者方向相同，相对运动较弱，对于离心泵而言，功率会下降，并出现欠载；方向相反时，流体相对速度高且流量大，离心泵可能会出现超载。

2 矿井主排水泵喘振与汽蚀原因分析

2.1 喘振现象的分析

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，明确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范围，在这个固有频率内水泵出现喘振几率极大。反映在曲线上，主排水泵的工作点会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，如图1、图2所示。

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，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关死扬程点就会发生喘振现象。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。

2.2 汽蚀现象的分析

水泵在垂直方向上和水面间高度差被称为吸水高度，能够维持水泵将水抽离的最大吸水高度为最大吸水高度，受到大气作用下吸水高度会<10 m，即pa/γ=10 m。

水泵吸水维持平衡的公式为

(1)

式中，Hx—吸水高度，m；po—水面大气压力，Pa；p1—水泵吸水压力，Pa；v1—水流进入吸水口流速，m/s；ΔHx—吸水管压力损伤，m；γ—水的重度，N/m3。

水泵与水面间的吸水高度增加会影响水泵入口水流流速，并呈反比。当最终水泵泵体内第1级叶轮入口位置的低压区域的压力状况低于水的饱和蒸发压力值后，会形成气泡，进而产生汽蚀现象。为了避免汽蚀现象的发生，水泵的安装位置应低于最大吸上真空度的高度，并且应确保0.3 m的安全余量。

水泵的真空度可表述为

(2)

式中，Hs—允许吸上真空度，m。

为了避免汽蚀现象的发生，应考虑吸水管路中阻力损失，并且进入到水泵入口处的水流压力应大于蒸发气化压力，将水泵输出的总能力称之为有效汽蚀余量

(3)

水泵发生的汽蚀存在一个临界点，称之为汽蚀余量的临界值，工程实际中还需要考虑预留一个安全余量，即增加0.3 m的余量。将允许汽蚀余量和水泵吸上高度公式进行合成后，可以得出水泵不发生汽蚀现象的吸上高度

(4)

式中，Δhc—允许汽蚀余量，m。

3 排水泵喘振与汽蚀现象改善措施

3.1 减少排水泵进气

减少排水泵运转过程中进入大量空气，需要从以下几处进行适当优化。降低水仓深度与落水口间落差，排水进入水仓时落差不宜过大，否则由于冲击作用会导致水体携带大量空气；确保水仓容积，排水进入排水泵前在水仓内部进行静置，可以将水体中气体逐步析出，应确保水体具有0.5 h以上的静置时间，需要增加水仓的容积来储存更多水量；增加水泵进水管深度，水仓深部的水体含气量较低，并且不易在管口产生旋流；及时监控水仓液位变化情况，避免水位变化量过大，导致水位过低，接近或低于进水管口。

3.2 避免排水泵汽蚀

根据上述分析，排水泵发生汽蚀的性能指标，即允许汽蚀余量在设备生产和安装完毕后基本就固定了，在设备安装过程中就要保证合理安装位置来保障设备运转中不发生汽蚀，确保水泵正常的工作功能。或者通过优化管路和系统，调整水流沿途阻力损失和速度状况，整合提高矿用离心式水泵的抗汽蚀能力。

避免汽蚀的方法。合理设置水泵进水管长度和直径，减少该管路上不必要的配件，最大限度地减少进水前端的管路能量损失；可以通过在水泵进水管路上设置射流泵或射流泵组合的方式提高主排水泵入口压力；做好对管路中各处的密封，尤其在进水管阶段避免空气的进入；确保水仓容积率，保证汇入水仓内井下水能够有一定的静置，将水中的空气析出，避免吸入水泵内；降低水泵叶轮入口处过流面的表面粗糙度和提高表面加工精度，减少进口处水流的局部阻力；在离心泵前端增加诱导轮，提高水泵入口的液体压力，提高水泵效率，能在水泵选型时减小水泵的尺寸和重量，优化排水泵的结构形式；定期使用超声法、泵体噪音、振动监控，及时发现水泵机组的非正常工况，并进行相应应急处置。

3.3 排水泵系统优化措施

可考虑将排水泵选取为大叶片的多级离心式水泵，降低水流在管路中流速；水泵进口处尽量设置诱导轮，或者在吸入口加装吸入阀，可通过吸入阀进行性能曲线调整，通过加大流量使性能曲线临界点向右上移动，相反向左下方移动；减少排水系统流道中表面粗糙度，并且减少管路起伏，降低流动过程的阻力损失；主排水泵压出侧应设置旁路管，可将压出的水流重新带入吸入侧，工作点会移动到驼峰右侧稳定区；选取高强度的过流元件来增加其耐久性。

4 结语

矿用离心式主排水泵受到多种因素影响会出现喘振和汽蚀现象，导致设备运行异常。通过对这两种现象的分析，提出针对避免进气、汽蚀的方法和优化排水系统的措施，确保矿用离心式排水泵正常运转，对增强设备的工作寿命具有一定的作用。