第四章泵的汽蚀

第四章

泵的汽蚀高明山东大学水的汽化水的物理特性：水和汽可以互相转化，而温度和压力则是造成它们转化的条件。1个标准大气压下的水，温度上升到100℃时，就开始汽化。但在高海拔地区呢？如果水温保持不变，压力降低到某一数值时，水同样也会发生汽化（pv）。举例：水温为20℃时，其相应的汽化压力为2.4kpa。水在常压下，当温度达到一定值时开始沸腾——汽化。反过来，在温度一定时，压力降低到一定程度也汽化。生活实例：高压锅的工作原理？汽蚀现象泵内的水在流动过程中，某一局部地区的压力等于或低于水温所对应的汽化压力时，水就会在该处发生汽化。汽化发生——形成许多蒸汽与气体混合的小汽泡——汽泡在高压区迅速凝结而破裂——产生局部空穴——高压水以极高的速度流向空穴——形成一个冲击力。由于汽泡中的气体和蒸汽来不及在瞬间全部溶解和凝结，因此，在冲击力的作用下又分成更小的汽泡，再被高压水压缩、凝结。如此形成多次反复。汽蚀现象如果气泡的破裂发生在流道附近，就会在流道表面形成某种强度的高频冲蚀。冲蚀形成的水击压力可高达几百甚至上千Mpa，冲击频率每秒几万次。流道材料表面在水击压力的反复作用下，形成疲劳而遭到破坏。从开始的点蚀到严重的蜂窝状空洞，最后甚至把材料壁面蚀穿。通常把这种破坏现象称为剥蚀。由液体中逸出的氧气等活性气体，借助汽泡凝结时放出的热量，也会对金属起化学腐蚀（电化学腐蚀）作用。这种汽泡的形成、发展和破裂以致材料受到破坏的全部过程，称为汽蚀。

汽蚀危害1、噪声和振动汽蚀发生时，会出现噪声和振动。汽泡破裂和高速冲击会引起严重的噪声。由于其他来源的噪声已相当高，一般情况下，往往感觉不到汽蚀所产生的噪声。汽蚀过程本身是一种反复凝结、冲击的过程，伴随很大的脉动力。如果这些脉动力的某一频率与设备的自然频率相等，就会引起强烈的振动。2、材料破坏汽蚀发生时，由于机械剥蚀与化学腐蚀的共同作用，致使材料受到破坏（下图）。汽蚀危害3、性能下降

汽蚀发展严重时，大量汽泡的存在会堵塞流道的截面，减少流体从叶轮获得的能量，导致扬程下降，效率也相应降低。泵的性能曲线有明显的变化。这种变化，对于不同比转数的泵情况不同。ns=70（1）安装高度对汽蚀的影响当几何安装高度为6m时，出水管阀门的开度只能开到曲线上黑点所对应的流量。如果继续开大阀门，流量进一步有所增加时，扬程曲线则急剧下降，这表明汽蚀已经达到使水泵不能工作的严重程度。这一工况，称为断裂工况。当把几何安装高度从6m增加到7m时，断裂工况就向流量小的方向偏移，qv－H曲线上可以使用的运行范围就变窄；几何安装高度提高到8m时，断裂工况偏向更小的流量，泵的使用范围就更窄。

ns=690ns=70比转数的影响ns=150H

H

H

qvqvqvqV~HqV~HqV~HqV~qV~qV~

a离心泵b混流泵c轴流泵不同比转数泵受汽蚀影响性能曲线下降的形式（2）比转数对汽蚀的影响当ns<l05时，因汽蚀所引起的扬程曲线的断裂工况，具有急剧陡降的形式；当ns=150～350时，断裂工况比较缓和；当ns＞425时，在性能曲线上没有明显的汽蚀断裂点。原因：在低比转数的离心泵中，由于叶片宽度小，流道窄且长，在发生汽蚀后，大量汽泡很快就布满流道，影响流体的正常流动，造成断流，致使扬程、效率急剧下降。在比转数大的离心泵中，叶片宽度大，流道宽且短，因此汽泡发生后，并不立即布满流道，因而对性能曲线上断裂工况点的影响就比较缓和。在高比转数的轴流泵中，由于具有相当宽的流道，汽泡发生后，不可能布满流道，从而不会造成断流，所以在性能曲线上，当流量增加时，就不会出现断裂工况点。尽管如此，仍有潜伏汽蚀的存在，仍需防止。二、吸上真空高度

在泵样本中，有一项性能指标，允许吸上真空高度，用符号[Hs]表示，这项性能指标将影响泵的几何安装高度。几何安装高度就是根据这一数值计算确定的。

定义吸上真空高度：泵吸入口压力允许吸上真空高度：几何安装高度中小型卧式离心泵几何安装高度液面泵轴卧式离心泵的几何安装高度几何安装高度立式离心泵的几何安装高度第一级工作叶轮进口边的中心线至吸水池液面的垂直距离。液面叶轮进口边的中心线几何安装高度大型泵则应按叶轮入口边最高点来决定几何安装高度大型泵的几何安装高度卧式泵立式泵几何安装高度的确定取吸水池液面为基准面，列出水面e—e和泵入口s—s断面的伯努利方程式eessHgpe基准面因吸水池较大，ve0，上式移项得：如吸水池液面压力就是大气压力，pe=pabm，则：卧式离心泵的几何安装高度示意图几何安装高度的确定－［Hs］法则有泵的几何安装高度：

由定义：

如果：

则有泵的允许几何安装高度：如果液面压力就是大气压力，则：讨论为确保泵不发生汽蚀,安装时应该:Hg<[Hg]。[Hs]随流量的增加而降低。为了保证泵的安全运行，泵的允许几何安装高度[Hg]的确定应按样本中最大流量所对应的[Hs]来计算。为了提高泵的允许几何安装高度，应该尽量减小在同一流量下：选用直径稍大的吸入管路；吸入管段尽可能的短；尽量减少如弯头、阀门等增加局部损失的管路附件[Hs]qVqV~[HS]工作范围

qV~[HS]关系曲线换算泵样本中所给出的[Hs]值是换算成大气压力为l.013×105Pa，水温20℃的常态下的数值。如泵的使用条件与常态不同时，则应把样本中给定的[Hs]，换算为使用条件下的值，其换算公式为：其中Hamb为使用地点的大气压头，mHv为流体对应温度下的饱和蒸汽压头，m泵安装地点的海拔越高，大气压力就越低，允许吸上真空高度就越小。输送水的温度越高时，所对应的汽化压力就越高，水就越容易汽化。这时，泵的允许吸上真空高度也就越小。

三、汽蚀余量对同一台泵，因吸入装置条件的改变，可能发生汽蚀。泵在运行中是否发生汽蚀和泵的吸入装置条件有关。按照吸入装置条件所确定的汽蚀余量称为有效的汽蚀余量或称装置汽蚀余量。相同使用条件下某台泵会发生汽蚀，另一种型号泵可能不发生汽蚀。泵在运行中是否发生汽蚀和泵本身的汽蚀性能也有关。由泵本身的汽蚀性能所确定的汽蚀余量称为必需汽蚀余量或泵的汽蚀余量。

表征水泵汽蚀性能的一个参数，叫做汽蚀余量，用符号△h表示。国外一般叫做净正吸上水头，用NPSH（NetPositiveSuctionHead）表示。△h有效汽蚀余量△ha：按照吸入装置所确定的汽蚀余量必需汽蚀余量△hr：由泵本身的汽蚀性能所确定的汽蚀余量1、有效汽蚀余量有效汽蚀余量是指泵在吸入口处，单位重量液体所具有的超过汽化压力pv的富余能量。即液体所具有的避免泵发生汽化的能量。符号[NPSH]a，或Δha

有效汽蚀余量由吸入系统的装置条件确定，与泵本身无关。

定义：eessHgpe基准面有效汽蚀余量由伯努利方程得：则有：

有效汽蚀余量是吸入容器中液面上的压力水头克服吸水管路装置中流动损失hw，并把水提高到Hg高度后，所剩余的超过汽化压力水头的能量水头。eessHgpe基准面△ha的大小仅于吸入系统装置情况有关，而与泵本身无关。即只要吸入系统装置确定，有效汽蚀余量△ha就确定。式中Hg是有正负的，图a情况为+Hg，b情况为-Hg。在图b情况下，且当吸入容器中的压力为汽化压力（电厂凝结水泵和给水泵都属该情况）时，即pe=pv。此时：

△ha=-Hg-hwHgHga

吸入液面低于基准面（+Hg）

b吸入液面高于基准（+Hg）pepe吸入液面与泵基准面相对位置示意图2、必需汽蚀余量必需汽蚀余量Δhr：液体在泵吸入口的能量对压力最低点k处静压能的富余能量，亦即泵内的压力损失。Or:单位重量的液体从泵的吸入口流至叶轮叶片压力最低处时的压力降低。必需汽蚀余量Δhr与吸入系统的装置情况无关，是由泵本身的汽蚀性能所确定的。必需汽蚀余量泵吸入口处的压力并非泵内液体的最低压力。因为液体从泵吸入口(s-s截面处)至叶轮进口有能量损失，泵内最低压力点的位置在叶片进口边稍后的k点。

△ha

饱和蒸汽压头绝对压力为0泵吸入口叶轮入口部分压力最低叶轮出口△hr全压头动压头静压头离心泵内的压力变化kkOOS-S压降原因：s-s至k-k截面间有流动损失；从s-s至k-k截面时，由于液体转弯等引起绝对速度分布不均匀，导致k点流体压力下降。吸入管一般为收缩形，速度改变导致压力下降。流体进入叶轮流道时，以相对速度绕流叶片进口边，从而引起相对速度的分布不均匀。必需汽蚀余量—汽蚀基本方程式λl，λ2为压降系数λl＝1～1.2(低比转数的泵取大值)λ2＝0.2～0.3(低比转数的泵取小值)。△ha

饱和蒸汽压头绝对压力为0泵吸入口叶轮入口部分压力最低叶轮出口△hr全压头动压头静压头离心泵内的压力变化kkOO说明Δha是吸入系统所提供的在泵吸入口大于饱和蒸汽压力的富余能量。Δha越大，表示系抗汽蚀性能越好。Δhr是液体从泵吸入口至k点的压力降，Δhr越小，则表示泵抗汽蚀性能越好。随流量增加，有效汽蚀余量Δha下降，必需汽蚀余量Δhr增加。△ha

标志泵使用时吸入装置系统的汽蚀性能参数；只与吸入装置系统有关，与泵本身性能无关，容易由计算确定；在泵装置一定的条件下，△ha

随液体温度升高、流量增大而减小；同流量下，△ha

越大，其装置汽蚀性能越好；提高△ha

的途径：增pe；减+Hg,增-Hg

；降温减Pv；

减小hw：减小qV，但不可小至qVmin。△hr

标志泵本身汽蚀性能的基本参数；只与泵本身性能有关，由泵构造决定，与泵吸入装置系统无关，只能由试验确定；一般情况离心泵在泵工作区域，△hr随流量增大而增大；同转速、同流量下，△hr越小，泵的汽蚀性能越好；降低△hr

的途径：优化泵吸入室及叶轮进口结构参数等；降低泵转速n；离心泵可减小泵流量。C点为汽蚀界限点，亦称临界汽蚀状态点，该点的流量为临界流量qvc当qv>qvc时，Δhr>Δha，有效汽蚀余量所提供的超过汽化压力的富余能量不足以克服泵入口部分的压力降，此时，pk<pv，泵内发生汽蚀。qvc右边为汽蚀区，左边为安全区。泵不发生汽蚀的条件：Δhr<Δha，此时pk>pv3、泵不发生汽蚀的条件(1)允许汽蚀余量[△h]△ha=△hr=△hc△hc为临界汽蚀余量，由汽蚀试验求得，为保证泵不发生汽蚀，△hc加一安全量，得允许汽蚀余量[△h]，通常取[△h]为：

[△h]=（1.1~1.3)△hc或[△h]=△hc+0.3~0.5m4、允许汽蚀余量[△h]及其与[Hs]’的关系

(2)汽蚀余量[△h]和吸上真空高度[Hs]‘的关系因此：发生汽蚀的临界状态为：△ha=△hr=△hc此时对应的吸上真空高度为Hsmax均考虑安全量K：(3)几何安装高度的确定-[Δh]法求出允许安装高度：由有效汽蚀余量：或者写成：倒灌高度的确定允许安装高度为负值，此时泵必需安装在水面以下，即采用倒灌。事实上，很多情况下(吸水水面的压力低或水温高等)，计算出的[Hg]<0，均需要倒灌。特别注意：锅炉给水泵以及其前置泵、启动给水泵、凝结水泵、疏水泵等，输送的都是饱和水，需合理确定倒灌高度。例：有一单级单吸离心泵，安装在海拔高度500m的地方，吸入管路系统的有关参数为：内径d＝150mm，全长L＝8m，管路沿程损失系数λ＝0.03，管路各局部损失系数之和=17.5。该泵额定流量为qv=64m3/h，样本中给定的允许吸上真空高度为[Hs]=7m,利用该泵从大气压力下抽送温度为40℃的清水。试求：①该泵的允许几何安装高度是多少？②若给出[Δh]=3m，则该泵的允许几何安装高度又是多少？（水在40℃时的饱和蒸汽压力Hv=0.752mH2O,海拔500处的大气压为9.7mH2O）解：①泵入口速度：动压头：阻力损失：允许吸上真空高度修正：允许安装高度：②例2：锅炉给水泵前置泵工作条件如下：除氧器工作压力1.066MPa(g),进水温度172.3℃（饱和），转速1450r/min，最大流量qv=690m3/h；吸入管路的有关参数为：内径d＝350mm，全长L＝8m，管路沿程阻力系数λ＝0.05，各局部阻力系数之和10.5，求除氧器安装高度。解：从图上查得最大流量qv=690m3/h下必需汽蚀余量Δhr＝3.9m，取K＝0.3m，取管路长度8m泵入口速度：阻力损失：允许汽蚀余量：允许安装高度：由于前置泵从除氧器吸入饱和水，H0＝Hv从除氧器水面到前置泵中心倒灌高度最小6.56m。考虑负荷变化速度等因素，除氧器安装高度应更高。允许安装高度（倒灌高度）液面压力=大气压力修正允许吸上真空高度对饱和水而言四、汽蚀相似定律及汽蚀比转数

汽蚀相似定律

由汽蚀基本方程

原型和模型泵进口部分几何相似，工况相似时，则压降系数相等，即：λ1p=λ1m，λ2p=λ2m，且λ1p=λ2p,λ1m=λ2m由运动相似条件得汽蚀相似定律：汽蚀相似定律汽蚀相似定律指出：进口几何尺寸相似的泵，在相似工况下运行，汽蚀余量之比等于叶轮进口几何尺寸的平方比和转速的平方比的乘积。对同一台泵而言，由于尺寸相同，当转速变化时，汽蚀余量随转速的平方成正比关系变化，即当泵的转速提高后，必需汽蚀余量成平方增加，泵的抗汽蚀性能大为恶化。汽蚀比转数

包括泵的性能参数及汽蚀性能参数在内的综合相似特征数，反应汽蚀相似的性能，这个相似特征数称为汽蚀比转数，用符号c表示我国习惯采用：国际上，无因次汽蚀比转数：国际通常采用吸入比转数：汽蚀比转数必需汽蚀余量Δhr小，汽蚀比转数c大，表示泵的汽蚀性能好。反之，则差。汽蚀比转数的大小，可以反映泵抗汽蚀性能的好坏。但是，提高c值往往使泵的效率有所下降。目前汽蚀比转数的大致范围如下：主要考虑效率的泵：c＝600～800；兼顾汽蚀和效率的泵：c＝800～1200；对汽蚀性能要求高的泵：c＝1200～1600。对一些特殊要求的泵，如电厂的凝结水泵、给水泵、火箭用的燃料泵等，c值可达1600～3000。汽蚀比转数说明（l）汽蚀比转数和比转数一样，用最高效率点的n，qv，Δhr值计算。因此一般指最高效率点的汽蚀比转数。（2）凡入口几何相似的泵，在相似工况下运行时，汽蚀比转数必然相等。与比转数ns不同的是，只要求进口部分几何形状和流动相似。即使出口部分不相似，在相似工况下运行时，其汽蚀比转数仍相等。（3）汽蚀比转数公式中流量是以单吸为标准，对双吸叶轮流量应以qv/2代入。（4）汽蚀比转数c、吸入比转数S和无因次汽蚀比转数Ks三者的性质并无差别，物理意义相同。对于有因次汽蚀比转数C，由于各国使用单位不同需进行换算。（5）比转数强调叶轮出口满足相似，比转数相等，泵不一定相似汽蚀比转数强调叶轮进口满足相似，汽蚀比转数相等，泵不一定相似比转数和汽蚀比转数都相等，则泵是相似的。例：某锅炉给水泵型号为DG500-240,双吸进口,从除氧器吸入温度为154℃的饱和水,水泵倒灌高度为25m,设吸入管路阻力损失3m,该泵汽蚀比转数C=950,转速为6000r/min,问:该泵安装高度是否合适?解：则：允许汽蚀余量：[Δh]=Δhr+k=19.7+0.3=20m允许安装高度：由于水泵倒灌高度为25m，大于要求的23m，所以安装高度合适五、提高泵抗汽蚀性能的措施提高泵本身得抗汽蚀性能，降低必需汽蚀余量合理确定吸入装置，提高有效汽蚀余量加强运行管理，使有效汽蚀余量大于必需汽蚀余量1、降低必须汽蚀余量（1）降低叶轮入口部分流速（2）采用双吸式叶轮（3）增加叶轮前盖板转弯处的曲率半径（4）叶片进口边适当加长，及将叶片进口边向吸