最终版朱琳琳-水泵运行时负压空气的产生原理及影响

水泵运行时负压空气的产生原理及影响朱琳琳（平煤设计院，河南平顶山467000）摘要：通过研究负压空气对水泵运行状态的影响，提出了水泵系统运行存在流量偏小和流量不稳的问题。采用消除空气负压的方法，利用真空泵把其中的空气全部吸出，把进水段大小头换成水平偏心大小头，从而保证了水泵的良好运行。关键词：水泵负压流量不稳偏心大小头1概述水泵是矿井下排水的关键设备，2002年某矿引进了6台美国进口6LHS—162型离心泵，在-40m泵房分批安装，现已投入运行3台。该泵是一种外壳可水平分开的单级双吸泵，主要技术参数如下：转速n=2980r/min，扬程H=195m，额定流量Q=500m3/h，效率η=82%；所配电机额定功率P=380kW，额定电流I=45.4A。2水泵安装和运行状态图1为水泵系统简图。系统中水泵排水管内径为Φ300mm，吸水管内径为Φ350mm，吸水管、排水管分别用大小头与水泵相联；3台水泵的排水管图1水泵系统结构简图吸水井2.吸水管3.大小头4.真空计5.水泵6.真空管（接真空泵）7.压力计8.逆止阀9.电动闸阀10.排水管与泵房内的2条内径Φ400mm，主管相联至地面，水泵实际扬程为172m。经计算，水泵所配管路满足经济流速要求，并符合水泵安装技术要求。水泵运行一段时间后，对其运行参数测试，结果测得3台水泵的流量、效率分别是：1＃机Q=454m3/h，η=72.95%；3＃机Q=463m3/h，η=77.83%；4＃机Q=425m3/h，η=74.77%；电机电流分别是37A、36A、34A。运行参数均小于额定值。运行中同时伴随逆止阀阀片的撞击声，并且出现管路振动和压力表表针大幅摆动现象。3问题的提出根据水泵性能参数曲线和现场经验判断，水泵系统配置在不存在缺陷的情况下，如果实际扬程在额定扬程之下，则实际流量要比额定流量大，相应地电机电流也要比额定电流大（当然，还要考虑所配电机功率是否匹配）；同时逆止阀阀片的撞击声说明排水管内流量的不稳定，这一点可从每台水泵流量测试中数据偏摆和压力表针及真空表针摆动得到初步印证，认为水泵系统运行存在流量偏小和流量不稳问题。下一步需找出产生问题的原因。4负压空气的产生4.1实验如图2所示，将一瓶子离开底部钻一小孔，把瓶口置于水中通过小孔吸水，可以观察到瓶中的水会超过孔位接近瓶底。随着吸力的增大，水位便增高，但始终无法到达瓶底。我们知道，在这种情况下，水面至瓶底之间的空腔是存在空气的，而且这部分空气的绝对压力低于大气压。本文称这部分空气为负压空气。大气负压空腔（体积是变化的）塑料瓶吸水小孔位置水图2吸水实验示意图4.2水泵系统负压空气的产生从图1可以看出，因为采用吸水管路大小头，那么类似于上述实验，在开机前开动真空泵抽空吸水过程中，水泵吸水管路水平段在大小头之前便会形成负压，如图3所示。5空气负压对水泵运行的影响（1）如果没有大小头，不存在负压空气，根据流体动力学，可列出以水池液面为基准面的伯努利方程：P0/γ=H1＋P1/γ＋V12/2g＋hw’（1）式中，hw’为水泵吸入口之前流体的能量损失（以水头为单位）。（2）在如图3情况中假定H不变，那么同样可用上式表示液面与水泵入口之间的能量关系。（3）实际上，在水泵运行过程中，P2是变化的。图3中所示H为最小值，随着H的变大，负压空腔的体积V2变小，根据理想气体P2V2=mRT，空腔体积V2的变化会导致其压力P2发生负相关变化，同时热工理论表明，空腔内空气的热量也发生改变，基热量的变化△ｑ=ＲｌnP2/（P2＋△P2）。根据能量守恒定理可列出如下方程：P0/γ=△ｑ＋H1＋P1/γ＋V12/2g＋hw’（2）上式中等号两边因引入△ｑ其单位不尽相同，不能完全相等，仅作为定性分析使用。（4）负压空气的存在会引起水泵吸水能力的变化，继而导致水泵实际流量的不稳定，由此可说明为什么会有逆止阀阀片撞出声。由于水泵运行时H值总量变大，也就是说水泵的吸水能力总是在最大值之下，实际流量便小了。（5）水泵的两表装设孔在流道内壁虽然都垂直于流速方向，理论上两大气压空气负压2水泵吸入口。吸水井图3水泵吸水管段示意图表均测到的是流体的静压；然而实际上，流体总是紊流状态，速度水头V12/2g就会反映在表上。另外流速的不稳定也会引起流体压力的变化。6实际影响和改进措施6.1流量不稳和偏小对水泵的影响从测试结果可知，水泵实际运行指标皆未达到额定值，排水量不足和效率不高对水泵的影响将是长期而严重的。逆止阀和管路长期被冲击也是不允许的。从泵的揭盖检查情况来看，流量不稳产生的水力冲击对泵体产生的影响已初见端倪，在水泵上盖与下盖结合面的流道边缘处皆可见冲痕剥落痕迹，耐磨环外圆柱面在水泵上盖和下盖结合面位置也已见冲击印记。6.2改进措施从结构图可见水泵上盖有两空腔，亦如同进水段会形成空气负压，其作用机理类似，但因体积小可能影响会小一些。改进的出发点是消除空气负压，具体的做法是在这几个地方开孔，利用真空泵把其中的空气全部吸出。最好把进水段大小头换成上边水平之偏心大小头。7结语负压空气对水泵正常运行产生较大的不良影响，必须根据安装条件从水泵的设计和管路的安装中避免形成负压空气，以保证水泵运行在良好状态，另外本文仅从定性的角度进行分析，要全面定量分析找出整个系统存在的不足之处尚需具备许多条件。收稿日期：2010-06-01作者简介：朱琳琳（1982-），性别女，籍贯河南郑州，职称助理工程师，研究方向；现在平顶山平煤设计院有限公司机电所从事设计工作。地址：河南平顶山市建设路东段南4号院中平能化建工集团13楼平煤设计院朱琳琳467021编审意见：论文已经编审，文中标红处请核实，添加摘要和关键词，全文通读，速将修改稿返回。