高壓柱塞泵汽蝕的分析與對策

巴勝富，魯 飛，蘇吉鑫，龐 雷，陳正文，張 的，朱華清

(合肥通用機械研究院 壓縮機國家重點實驗室 合肥壓縮機技術(shù)省級實驗室，安徽合肥 230031)

高壓柱塞泵汽蝕的分析與對策

巴勝富，魯 飛，蘇吉鑫，龐 雷，陳正文，張 的，朱華清

(合肥通用機械研究院 壓縮機國家重點實驗室 合肥壓縮機技術(shù)省級實驗室，安徽合肥 230031)

針對高壓柱塞泵的汽蝕現(xiàn)象，闡述了產(chǎn)生汽蝕的原因與危害。通過汽蝕判據(jù)的分析，給出了產(chǎn)生汽蝕的判斷依據(jù)，該判據(jù)可作為高壓柱塞泵的設(shè)計條件。并提出了高壓柱塞泵的液力端結(jié)構(gòu)與進(jìn)水系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計措施，設(shè)計經(jīng)工程驗證可以有效消除汽蝕。

高壓柱塞泵；汽蝕；判據(jù)；優(yōu)化

1 前言

高壓柱塞泵是一種通過工作腔內(nèi)容積周期性變化將介質(zhì)壓力提高的流體機械，在工業(yè)清洗、切割、油田注水與煤礦開采等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在實際的使用過程中，不可避免的產(chǎn)生柱塞及其密封的失效，導(dǎo)致整套裝置的故障。導(dǎo)致失效的一個不可忽視的原因是汽蝕產(chǎn)生的破壞。實際設(shè)計與使用中，人們一直在關(guān)注離心泵汽蝕產(chǎn)生的破壞，但是對高壓柱塞泵汽蝕引起柱塞損壞連帶密封失效的研究卻很少。本文通過對高壓柱塞泵的汽蝕成因和危害的分析，從液力端結(jié)構(gòu)和進(jìn)水系統(tǒng)兩方面提出6項優(yōu)化措施，可以有效預(yù)防高壓柱塞泵汽蝕的產(chǎn)生。

2 汽蝕的成因分析

圖1為一高壓柱塞泵液力端局部示意。柱塞在缸體內(nèi)的往復(fù)運動使工作腔內(nèi)容積周期性變化，從而實現(xiàn)介質(zhì)的增壓與輸送。在吸入行程中，柱塞從筒體中抽出，水從閥座進(jìn)入筒體工作腔內(nèi)。這一過程要求進(jìn)水系統(tǒng)始終能夠提供一個足夠的有效壓頭，保證進(jìn)水不會出現(xiàn)脫流。同時進(jìn)水須滿足維持缸體內(nèi)的水壓高于抽送溫度下水的飽和蒸汽壓，否則發(fā)生汽化，溶解于水中的氣體因此而部分釋出，形成汽核。在排出過程中，溫度和壓力升高，汽核迅速凝結(jié)以致潰滅。液體質(zhì)點以極高的速度填充汽核，形成強大的局部高頻高壓水擊，與汽核接觸的零件表面因疲勞而產(chǎn)生剝蝕[1～5]，進(jìn)而造成嚴(yán)重破壞。

圖1 液力端局部示意

表1列出了某一發(fā)生汽蝕現(xiàn)象的高壓柱塞泵的工作參數(shù)。

表1 柱塞泵參數(shù)

圖2顯示了該泵發(fā)生汽蝕的損壞情況，可以發(fā)現(xiàn)在靠近柱塞端面的位置產(chǎn)生明顯的蝕坑。由于這些蝕坑的產(chǎn)生導(dǎo)致了柱塞柱面與密封組件局部產(chǎn)生較大的空隙，柱塞無法提供一個完整的圓周徑向支撐，造成密封組件的塑性變形或碎裂，甚至柱塞的蝕坑坡口直接刮傷密封組件，最終密封組件快速失效，產(chǎn)生泄漏。該泵發(fā)現(xiàn)泄漏與汽蝕故障時工作時間僅有200 h，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于正常1000 h以上的使用壽命。

圖2 柱塞表面的汽蝕情況

3 汽蝕產(chǎn)生的判據(jù)分析

顯而易見，只要高壓柱塞泵的進(jìn)水系統(tǒng)能夠保證在泵的每一吸入行程里始終給進(jìn)水以足夠的壓頭p1，以滿足進(jìn)水本身加速的要求。即保證缸體內(nèi)進(jìn)水所具有的壓頭p2能夠始終有效地超過抽送溫度下水的飽和蒸汽壓pv，就可以避免汽蝕現(xiàn)象的產(chǎn)生，即：

p2>pv

(1)

高壓柱塞泵進(jìn)水閥座的通道位置1的圓孔流道直徑為d1，流道數(shù)量為8，有效截面積為A1,速度為v1，壓力為p1，柱塞抽吸過程的位置2的柱塞直徑為d2,有效截面積為A2，壓力為p2，假設(shè)進(jìn)水連續(xù)，伯努利方程為：

(2)

式(2)中由于流體質(zhì)點從位置1到位置2高度差較小，故可忽略流體沿流道克服重力做功，則可簡寫為：

(3)

或者為：

(4)

由式(1)、(4)可得：

(5)

曲柄半徑為r，連桿長度為l,轉(zhuǎn)速為n,見圖3，轉(zhuǎn)角θ在0°～180° 范圍內(nèi)為抽吸過程，則柱塞的線速度可近似為：

(6)

圖3 高壓柱塞泵柱塞運動示意

(7)

即：

(8)

由式(5)、(8)可得：

(9)

由式(6)、(9)可得泵進(jìn)水壓力條件：

(10)

式(10)同時表明對于一種流體介質(zhì)，要求進(jìn)液壓力的參數(shù)主要是泵體結(jié)構(gòu)參數(shù)，則可以將本結(jié)論與工藝參數(shù)作為已知的設(shè)計條件，進(jìn)行高壓柱塞泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

4 提高抗汽蝕性能的措施

4.1 優(yōu)化液力端結(jié)構(gòu)

(1) 增大進(jìn)水閥當(dāng)量通徑

由圖1可見，液體從泵外進(jìn)水系統(tǒng)進(jìn)入柱塞缸體工作腔過程中，經(jīng)過閥座進(jìn)液孔。如果閥座進(jìn)液孔通徑過小，閥隙流速較大，將影響柱塞泵抗汽蝕能力。這時因為泵吸入口液體流速v1過大，水力阻力損失過大，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選定后，d1即可確定：

(11)

式中q——閥座單通道流量，額定工況下流量為16.375 L/min

則由式(11)計算得進(jìn)水閥閥座單通道孔徑d1=18.6 mm，實際該尺寸僅為12 mm，在原閥座安裝尺寸不變的情況下，增加孔徑d1至14 mm，同時將圓形孔改為弧形孔，以增加當(dāng)量孔徑至15.6 mm，通過直接增加進(jìn)水閥孔徑可明顯提高抗汽蝕性能。

(2)減少進(jìn)水閥動作滯后

進(jìn)水閥伴隨柱塞的往復(fù)運動周期性的啟閉，交替打開與截斷柱塞工作腔與進(jìn)水管道之間的通道，完成泵的吸入與排出過程。進(jìn)水閥的運動規(guī)律取決于柱塞工作腔里的壓力變化和閥上載荷。閥上載荷主要來自于進(jìn)水閥彈簧I與自重。如果降低進(jìn)水閥彈簧彈力，則可以減少進(jìn)水阻力損失，提高打開速度，進(jìn)而減少進(jìn)水閥動作滯后提高抗汽蝕能力。但是進(jìn)液閥彈簧彈力過小可能造成關(guān)閉滯后，降低泵的容積效率?？傊M(jìn)液閥彈簧的設(shè)計關(guān)系到開關(guān)速度，影響到進(jìn)水阻力損失與泵容積效率。進(jìn)水閥彈簧設(shè)計需要結(jié)合泵的主要設(shè)計參數(shù)，解決主要矛盾，做到抗汽蝕能力與容積效率的兼顧。

(3)選用抗汽蝕的材料

為減輕汽蝕對水泵過流部件的損壞，延長其使用壽命，可選用抗汽蝕性能較強的材料[7]。如選陶瓷柱塞，或在柱塞表面噴涂鎢基或鎳基硬質(zhì)合金，將柱塞表面硬度提高至62～65 HRC[8]，能否提高抗汽蝕能力關(guān)鍵在于使柱塞表面強度是否高于汽核潰滅過程產(chǎn)生的最大壓強[9]。

4.2 優(yōu)化進(jìn)水系統(tǒng)

為保證泵持續(xù)吸入足夠的液體，滿足吸入加速度產(chǎn)生的流量增加，進(jìn)水系統(tǒng)的設(shè)計極為重要。高壓柱塞泵的進(jìn)水系統(tǒng)布置如圖4所示。

圖4 進(jìn)水系統(tǒng)布置示意

進(jìn)水系統(tǒng)中設(shè)置了前置離心泵、過濾器與脈沖消減器，也可以根據(jù)要求安裝探測頻率不低于1000 Hz的壓力傳感器。壓力傳感器可以精準(zhǔn)的測繪出進(jìn)水壓力曲線，以觀察是否存在汽蝕。針對供水、管路布置及壓力脈沖的具體優(yōu)化措施有：

(1)采用有壓供水

進(jìn)水管路設(shè)置前置離心泵，其出口壓力不能低于p1，該壓力不僅要克服進(jìn)水管路的壓力損失，還須把加速度損失計算在內(nèi)，如果高壓泵入口壓力表顯示的壓力是0.3 MPa，但是其有效汽蝕余量NPSHa肯定小于30 m。同時還要保證進(jìn)水量供給是柱塞泵所要求的1.6倍以上。

(2)優(yōu)化管路布置

進(jìn)水管路中主要忽視的問題是加速度損失，為降低加速度損失，最好的辦法是降低進(jìn)水管路流速，該速度不得大于1 m/s，進(jìn)水速度越低，進(jìn)水系統(tǒng)的性能則會加強。設(shè)計時首先保持進(jìn)水管路短、管徑大。這里有個普遍的誤解，誤認(rèn)為進(jìn)水管路的長度是從泵端到前置泵的長度，其實正確的定義是泵端到最近的敞開液面，比如進(jìn)水水箱或脈沖消減器。另一方面，進(jìn)水管路呈直線布置，線路中盡量少有滯留水的部件，彎頭與變徑也要盡量避免。進(jìn)水管路設(shè)計好以后，可在泵使用之前計算NPSHa的值，防止因進(jìn)水管路設(shè)計的問題讓泵在運行時產(chǎn)生汽蝕。

(3)消減進(jìn)水壓力脈沖

在實際應(yīng)用中，尤其是在大型工廠，進(jìn)水管路很長，產(chǎn)生很大的加速度損失。加速度損失是因為進(jìn)水壓力偏離波形的峰值引起的，那么減小峰值就可以減小加速度的損失。在進(jìn)水端，比較接近泵頭的地方，安裝一個脈沖消減器(如圖4)，減小脈沖峰值，消減進(jìn)水端的加速度損失，防止汽化的產(chǎn)生。

5 結(jié)語

通過對高壓柱塞泵汽蝕原因分析，給出了柱塞泵汽蝕產(chǎn)生的判據(jù)。提出了從液力端結(jié)構(gòu)與進(jìn)水系統(tǒng)兩方面6項優(yōu)化措施，可以有效預(yù)防汽蝕的產(chǎn)生。發(fā)生汽蝕的高壓柱塞泵經(jīng)改進(jìn)后，運行平穩(wěn)，流量與壓力均達(dá)到設(shè)計要求，運行1200 h沒有更換填料、閥等易損件。本文總結(jié)出的汽蝕判據(jù)以及避免汽蝕的設(shè)計關(guān)鍵環(huán)節(jié)，可以為高壓柱塞泵結(jié)構(gòu)設(shè)計及成套組裝提供參考，為出現(xiàn)汽蝕的高壓柱塞泵提供改進(jìn)辦法。

[1] 高炳標(biāo)，王強，張建軍，等.水泵汽蝕產(chǎn)生的機理與對策[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2013，51(2)：53-54,73.

[2] 李仁年，胡鵬林，黎義斌，等.葉頂間隙對斜流泵進(jìn)口壓力脈動影響的數(shù)值分析 [J].排灌機械工程學(xué)報，2015,33(7)：560-565.

[3] 翟之平，張釗源，楊忠義,等.油田用離心泵汽蝕性能的數(shù)值分析與試驗[J].流體機械，2015,43(8)：1-5.

[4] 周君亮.低揚程泵裝置原、模型和防止“有害”汽蝕參數(shù)換算[J]． 排灌機械工程學(xué)報，2015，33( 3) : 185-195．

[5] 唐辰，周新， 劉廣兵，等.水溫對離心泵汽蝕影響的試驗驗證及測試系統(tǒng)的改進(jìn)[J].流體機械，2016,44(1)：11-13.

[6] 編寫組.往復(fù)泵設(shè)計[M].北京：機械工業(yè)出版社，1987.

[7] 王勇，劉厚林，談明高.泵汽蝕研究現(xiàn)狀與展望[J].水泵技術(shù)，2008(1):1-4.

[8] 薛勝雄.高壓水射流技術(shù)工程[M].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)出版社，2006.

[9] 劉曉紅，于蘭英，劉桓龍，等.液壓軸向柱塞泵配流盤氣蝕機理[J] 機械工程學(xué)報,2008,44(11):203-208.

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

巴勝富(1983-)，男，工程師，主要從事高壓水射流及往復(fù)泵技術(shù)研究與流體機械成套設(shè)備研發(fā)工作，通訊地址：230031 安徽合肥市長江西路888號合肥通用機械研究院，E-mail：13966779237@163.com。