水泵进口止回阀一定要液面之下(离心泵的原理、结构以及汽蚀、气缚、效率、停泵水锤等概念)

Posted 2023-05-30

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水泵进口止回阀一定要液面之下(离心泵的原理、结构以及汽蚀、气缚、效率、停泵水锤等概念)

1.原理

当离心泵启动后，泵轴带动叶轮一起作高速旋转运动，迫使预先充灌在叶片间液体旋转，在惯性离心力的作用下，液体自叶轮中心向外周作径向运动。液体在流经叶轮的运动过程获得了能量，静压能增高，流速增大。当液体离开叶轮进入泵壳后，由于壳内流道逐渐扩大而减速，部分动能转化为静压能，最后沿切向流入排出管路。所以蜗形泵壳不仅是汇集由叶轮流出液体的部件，而且又是一个转能装置。当液体自叶轮中心甩向外周的同时，叶轮中心形成低压区，在贮槽液面与叶轮中心总势能差的作用下，致使液体被吸进叶轮中心。依靠叶轮的不断运转，液体便连续地被吸入和排出。液体在离心泵中获得的机械能量最终表现为静压能的提高。

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2.结构

离心泵的主要部件包括叶轮、泵轴、泵壳、泵座、填料盒（轴封装置）、减漏环、轴承座等。

离心泵结构

3.气缚

离心泵在启动前没有灌满被输送的液体，或者是在运转过程中泵内渗入了空气，因为气体的密度小于液体的密度，产生的离心力小，无法把空气甩出去，泵壳内的流体在随电机作离心运动产生负压不足以吸入液体至泵壳内，泵象被“气体”缚住一样，失去了自吸能力而无法输送液体，称作离心泵的气缚现象。

气缚现象

气缚的危害：泵打不出液体来，机组产生剧烈振动，同时伴有强烈刺耳的噪音，电机空转，容易烧坏电机。影响输送液体的效率和离心泵的正常工作。

预防措施：

启动前要灌泵并使泵壳内充满待输送的液体，启动时关闭出口阀。
为防止灌入泵壳内的液体因重力流入低位槽内，在泵吸入管路的入口处装有止逆阀（底阀）；如果泵的位置低于槽内液面，则启动时无需灌泵。做好壳体的密封工作，灌水的阀门不能漏水，密封性要好。

4.汽蚀

把泵内气泡的形成和破裂而使叶轮材料受到破坏的过程，称为气蚀现象。离心泵工作时，在叶轮中心区域产生真空形成低压而将液体吸上。形成的低压越低，则离心泵的吸上能力越强，表现为吸上高度越高。但是，真空区压强太低，以致于低于气体的饱和蒸汽压，则被吸上的液体在真空区发生大量汽化产生气泡。含气泡的液体挤入高压区后急剧凝结或破裂。因气泡的消失产生局部真空，周围的液体就以极高的速度流向气泡中心，瞬间产生了极大的局部冲击力，造成对叶轮和泵壳的冲击，使材料受到破坏。

汽蚀的危害：发生汽蚀时传递到叶轮及泵壳的冲击波，加上液体中微量溶解的氧对金属化学腐蚀的共同作用，在一定时间后，可使其表面出现斑痕及裂缝，甚至呈海面状逐步脱落；发生汽蚀时，还会发出噪声，进而使泵体震动，可能导致泵的性能下降；同时由于蒸汽的生成使得液体的表观密度下降，于是液体实际流量、出口压力和效率都下降，严重时可导致完全不能输出液体。

造成汽蚀主要原因：

进口管路阻力过大或者管路过细；
输送介质温度过高；
流量过大，也就是说出口阀门开的太大；
安装高度过高，影响泵的吸液量；
选型问题，包括泵的选型，泵材质的选型等。

解决办法：

清理进口管路的异物使进口畅通，或者增加管径的大小；
降低输送介质的温度；
降低安装高度（离心泵入口处压力不能过低，而应有一最低允许值，此时所对应的汽蚀余量称为必需汽蚀余量，一般由泵制造厂通过汽蚀实验测定，并作为离心泵的性能列于泵产品样本中。泵正常操作时，实际汽蚀余量必须大于必须气蚀余量，我国标准中规定应大于0.5m以上）；
重新选泵，或者对泵的某些部件进行改进，比如选用耐汽蚀材料等等。

汽蚀余量

泵在工作时液体在叶轮的进口处因一定真空压力下会产生汽体，汽化的气泡在液体质点的撞击运动下，对叶轮等金属表面产生剥蚀，从而破坏叶轮等金属，此时真空压力叫汽化压力，汽蚀余量是指在泵吸入口处单位重量液体所具有的超过汽化压力的富余能量，单位用米标注，用（NPSH）r。吸程即为必需汽蚀余量Δh：即泵允许吸液体的真空度，亦即泵允许的安装高度，单位用米。吸程＝标准大气压（10.33米）－汽蚀余量－安全量（0.5米）标准大气压能压管路真空高度10.33米。

NPSHa——装置汽蚀余量又叫有效汽蚀余量，越大越不易汽蚀。

NPSHr——泵汽蚀余量，液流从泵入口到叶轮内最低压力点处的全部能量损失，又叫必需汽蚀余量或泵进口动压降，越小抗汽蚀性能越好。泵汽蚀余量是一个动态值，每台水泵的汽蚀余量都不尽相同，并且在一台水泵下的不同流量点，汽蚀余量也不一样，流量越小，汽蚀余量越低，流量越大，汽蚀余量越高。

泵的有效汽蚀余量大于泵的必须汽蚀余量：泵不汽蚀

泵的有效汽蚀余量等于泵的必须汽蚀余量：泵开始汽蚀

泵的有效汽蚀余量小于泵的必须汽蚀余量：泵严重汽蚀

汽蚀和气缚的不同：气缚是泵体内有空气，一般发生在泵启动的时候，主要表现在泵体内的空气没排净；而汽蚀是由于液体在一定的温度下达到了它的汽化压力。

5.扬程

概念：

泵把单位液体提升的高度或给予的能量叫做泵的扬程（也叫压头），单位：m液柱。离心泵扬程的大小与泵的转速，叶轮的结构与直径，以及管路情况等因素有关。扬程的变化直接使泵的流量发生变化。泵的扬程分为吸入扬程（即吸入真空高度）和排出扬程。
把液体从容器（如油罐车）中吸入到泵内的扬程叫吸入扬程。吸入扬程包括吸入高度和吸入管路的阻力损失两部分，即：H吸= h吸高+h吸损
把液体从泵内排到另一个容器（如油罐）的扬程叫排出扬程。排出扬程包括排出高度和排出管路的阻力损失两部分，即：H排=h排高+h排损
泵的扬程包括吸入扬程和排出扬程，即：H= H吸十H排=h吸高+h吸损+h排高+h排损

离心泵的扬程

自吸泵的吸入扬程可用真空表测量，排出扬程可用压力表测量。因此，泵的实际扬程应是：

扬程计算公式

其中， H——扬程，m；P真、P表——泵进出口处液体的压力，Pa；υ吸、υ排——流体在泵进出口处的流速，m/s；Δh——进出口高度，m；ρ——液体密度，kg/m3；g——重力加速度，m/s2。

在实际中，压力表与真空表安装高度差很小，可忽略不计即Δh=0，泵的吸入管径与排出管径一般情况下相等或相差不大，则υ吸= υ排，速度水头差也可忽略不计，泵的扬程与压力表和真空表读数的关系可简写成下式：

扬程计算公式

泵铭牌上扬程的单位一般用mmH2O柱来表示，有人认为“比水轻，泵输油时要比输水时的扬程大”，这种看法是不对的。因为用同一台泵输油时，只要油品和水的黏度相近，在同样的转速和流量下，油品的密度小，产生的离心力小，泵的扬程（mH2O柱）将小于输水时的数值。若m油柱与mH2O柱数值相近或相等，输油时要比输水时消耗电机的功率要小，压力表上反映的压力要低一些。

6.效率

①轴功率、有效功率、原动机功率：泵在单位时间内对液体所做的功称为功率，用符号N表示，单位W或kW。泵的功率主要分为轴功率、有效功率和原动机功率。轴功率是指离心泵的输入功率，有效功率是指泵在单位时间内对液体所做的功。泵铭牌上标明的功率是原动机功率，也称为配用功率。

轴功率、有效功率、原动机功率

三种功率之间的关系

②效率

效率是衡量功率有效程度的，表示如下：

效率计算

效率也等于泵的容积效率、机械效率和水利效率的乘积，即：

容积损失、机械损失、水力损失

容积损失

机械损失

水力损失

③效率测试方法

常规法

通过调节离心泵出口阀门，改变离心泵流量的方法，来测定离心泵的性能，因此称为流量法，一般测定5~7点，即最佳工况点和两侧4~6个工况点的流量、扬程、电流、电压。

（1）流量(Q)，可通过流量计直读或大罐检尺测得，单位为㎡/h或L/s。
（2）扬程(H)，可采用0.4级精度以上的压力表直接读值，折算成m或用kg/cm³或MPa表示。
（3）电流(I)、电压(U)可直接由标准电流表和电压表读出，单位为A和V。
（4）利用公式计算出该泵的轴功率、有效功率和效率。

此方法是不经济的，因为大部分能量消耗在阀门上了，但由于方法简便，故在离心泵操作中经常采用。

温差法

用温差法测泵效是根据能量守恒定律。因为离心泵在运行中，产生水力冲击、机械摩擦、圆盘摩擦、涡流等,造成功率损失,而这些损失绝大部分转换为热量，给水泵内的水加温，也就是说泵的进口水温永远低于泵的出口水温，所以泵进出口的温差反映出泵内损失程度，反过来说也反映出泵的效率。

7.开停泵步骤

离心泵启停操作视频

启动

检查泵的悬架体储油室之油位，控制在油位计中心线2毫米处左右的位置上。
检查电机转动方向是否正确，严禁反转。
右手转动联轴器，感觉松且轻重均匀，并注意辨别泵内有无摩擦声和异物滚动等杂音，如有则应设法排除，并将联轴器的防护罩安装好。
泵的安装位置低于液面时，启动前应打开吸入管路的闸阀，使液体充满泵内；如泵的安装位置高于液面时，启动前要灌泵或抽真空，使泵内和入管内充满液体，排净泵内空气。
打开入口阀门，关闭出口管路闸阀，起动电机（最好先点动，确认泵转动方向正确后才正式运行），开进出口压力表，在慢慢打开出口管路闸阀到所需位置。
要经常检查泵和电机的温升情况，轴承的温升不大于35℃，极限温度不应大于75℃。
注意悬架体储油室油位的变化，经常控制在规定范围内。为了保持油的清洁和良好的润滑，应根据现场使用的实际情况，定期更换新油。一般情况，每运转1500小时后，要全部更换新油一次。
在运转过程中，发现有不正常的声音或其他故障时，应立即停车检查，待排除故障后才能继续运转。
绝不允许用吸入管路上的闸阀来调节流量，以免产生汽蚀。
泵一般不宜在低于30%设计流量下长期运转，如果必须在该条件下使用时，应在出口管路上安装旁通管，使泵的流量达到规定使用的范围。

切泵

切换的泵要做好开泵前的检查和准备工作。
按正常开泵程序启动备泵。
待切换的泵压力、流量正常后，停止切换泵。

停泵

慢慢关闭出口管路闸阀，停止电机。
关闭出口压力（真空）计、灌注情况，还要关闭吸入管路闸阀。如果密封采用外部引液时，还要关闭外引液阀门。
如环境低于液体凝固点时，，要放净泵内的液体，以防冻裂。
长时间停止使用的泵，除将泵内的腐蚀性液体放净外，还要用清水冲洗干净。尤其是密封室要认真冲洗干净，最好是将泵拆下清洁后重新安装好，并将泵的进出口封闭后妥善保管。

8.停泵水锤

概念：在压力管流中因流速剧烈变化引起动量转换，从而在管道中产生一系列急骤的压力交替变化的水力撞击现象，称为水锤现象。离心泵的正常启动、停车及管道内流量发生变化时，在压力管道内都会产生一定程度的水锤现象，但由于水锤压力较小，因而不会造成水锤事故。泵站的水锤事故往往是由于停泵水锤所引起的。所谓停泵水锤是指突然断电或其他原因造成开阀停车时，在水泵和压力管道中由于流速的突然变化而引起压力升降的水力冲击现象。例如电力系统或电器设备发生故障、水泵机组偶发故障等原因，都可能发生离心泵开阀停车，从而引发停泵水锤。停泵水锤的最高压力可达正常工作压力的200%，甚至更高可以使管道及设备击毁，一般事故造成“跑水”、停水；严重事故造成泵房被淹、设备损坏、设施被毁，甚至于造成人身伤亡事故。发生停泵水锤时，在水泵压水管路起伏较大处，还会发生断流水锤，即在管路最高点处产生负压，当压强值小于相应温度下的饱和压力时，在该处发生汽化而形成汽腔，使连续水流中断（水柱分离），当增压波传来时，汽腔被压缩，在汽腔消失的瞬间，两股水流撞击，从而引发断流水锤，其压强值将超过连续水流的水锤压强值，因而危害更大。

停泵水锤另一种说法：当因非正常原因，比如断电，泵突然停止工作：初始阶段时，管道内的介质依靠惯性继续前进，但速度逐渐减为零；此时，如果管道布置存在高低落差，介质在重力的作用下将向泵倒流;当倒流介质达到一定速度时，泵出口处的止回阀将迅速关闭，这样到达此处的大量介质的速度突然变成零，引起此处介质压力急剧升高——停泵水锤产生。大量文献指出，停泵水锤产生的主要原是水泵出口处的止回阀突然关闭。但有研究表明，虽然某些情况下泵出口处的止回阀可以取消的，但大多数情况下，为防止大量介质倒流进离心泵，泵出口处的防倒流设置是必需的。

避免措施

①设置缓闭止回阀

缓闭止回阀是一种通过增加执行机构、阻尼器而实现缓慢关闭的止回阀。当介质在重力作用下倒流时，止回阀缓慢关闭，有效地避免了因普通止回阀突然关闭产生的水锤。其缺点为因为关闭速度较慢，一部分介质不可避免地倒流进入离心泵，泵因此可能会产生机械故障。

②设置水锤消除器

③设空气缸

在压力管路上设置空气缸，利用气体体积与压力成反比的原理，当发生水锤时，管道内压力升高，空气被压缩，起气垫的作用；当管道内形成负压，甚至发生水柱分离时，它向管道内补水，可以有效地消减停泵水锤的危害。

④取消止回阀

实践证明，止回阀的突然关闭危害极大。因此，在压水管路较短，水泵倒转危害较小的情况下，以及突然停电可以及时关闭出水闸阀时，可以不设止回阀，从而可以减少停泵水锤发生的可能性。