第四章泵的汽蝕

第四章

泵的汽蝕高明山東大學水的汽化水的物理特性：水和汽可以互相轉(zhuǎn)化，而溫度和壓力則是造成它們轉(zhuǎn)化的條件。1個標準大氣壓下的水，溫度上升到100℃時，就開始汽化。但在高海拔地區(qū)呢？如果水溫保持不變，壓力降低到某一數(shù)值時，水同樣也會發(fā)生汽化（pv）。舉例：水溫為20℃時，其相應(yīng)的汽化壓力為2.4kpa。水在常壓下，當溫度達到一定值時開始沸騰——汽化。反過來，在溫度一定時，壓力降低到一定程度也汽化。生活實例：高壓鍋的工作原理？汽蝕現(xiàn)象泵內(nèi)的水在流動過程中，某一局部地區(qū)的壓力等于或低于水溫所對應(yīng)的汽化壓力時，水就會在該處發(fā)生汽化。汽化發(fā)生——形成許多蒸汽與氣體混合的小汽泡——汽泡在高壓區(qū)迅速凝結(jié)而破裂——產(chǎn)生局部空穴——高壓水以極高的速度流向空穴——形成一個沖擊力。由于汽泡中的氣體和蒸汽來不及在瞬間全部溶解和凝結(jié)，因此，在沖擊力的作用下又分成更小的汽泡，再被高壓水壓縮、凝結(jié)。如此形成多次反復。汽蝕現(xiàn)象如果氣泡的破裂發(fā)生在流道附近，就會在流道表面形成某種強度的高頻沖蝕。沖蝕形成的水擊壓力可高達幾百甚至上千Mpa，沖擊頻率每秒幾萬次。流道材料表面在水擊壓力的反復作用下，形成疲勞而遭到破壞。從開始的點蝕到嚴重的蜂窩狀空洞，最后甚至把材料壁面蝕穿。通常把這種破壞現(xiàn)象稱為剝蝕。由液體中逸出的氧氣等活性氣體，借助汽泡凝結(jié)時放出的熱量，也會對金屬起化學腐蝕（電化學腐蝕）作用。這種汽泡的形成、發(fā)展和破裂以致材料受到破壞的全部過程，稱為汽蝕。

汽蝕危害1、噪聲和振動汽蝕發(fā)生時，會出現(xiàn)噪聲和振動。汽泡破裂和高速沖擊會引起嚴重的噪聲。由于其他來源的噪聲已相當高，一般情況下，往往感覺不到汽蝕所產(chǎn)生的噪聲。汽蝕過程本身是一種反復凝結(jié)、沖擊的過程，伴隨很大的脈動力。如果這些脈動力的某一頻率與設(shè)備的自然頻率相等，就會引起強烈的振動。2、材料破壞汽蝕發(fā)生時，由于機械剝蝕與化學腐蝕的共同作用，致使材料受到破壞（下圖）。汽蝕危害3、性能下降

汽蝕發(fā)展嚴重時，大量汽泡的存在會堵塞流道的截面，減少流體從葉輪獲得的能量，導致?lián)P程下降，效率也相應(yīng)降低。泵的性能曲線有明顯的變化。這種變化，對于不同比轉(zhuǎn)數(shù)的泵情況不同。ns=70（1）安裝高度對汽蝕的影響當幾何安裝高度為6m時，出水管閥門的開度只能開到曲線上黑點所對應(yīng)的流量。如果繼續(xù)開大閥門，流量進一步有所增加時，揚程曲線則急劇下降，這表明汽蝕已經(jīng)達到使水泵不能工作的嚴重程度。這一工況，稱為斷裂工況。當把幾何安裝高度從6m增加到7m時，斷裂工況就向流量小的方向偏移，qv－H曲線上可以使用的運行范圍就變窄；幾何安裝高度提高到8m時，斷裂工況偏向更小的流量，泵的使用范圍就更窄。

ns=690ns=70比轉(zhuǎn)數(shù)的影響ns=150H

H

H

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

a離心泵b混流泵c軸流泵不同比轉(zhuǎn)數(shù)泵受汽蝕影響性能曲線下降的形式（2）比轉(zhuǎn)數(shù)對汽蝕的影響當ns<l05時，因汽蝕所引起的揚程曲線的斷裂工況，具有急劇陡降的形式；當ns=150～350時，斷裂工況比較緩和；當ns＞425時，在性能曲線上沒有明顯的汽蝕斷裂點。原因：在低比轉(zhuǎn)數(shù)的離心泵中，由于葉片寬度小，流道窄且長，在發(fā)生汽蝕后，大量汽泡很快就布滿流道，影響流體的正常流動，造成斷流，致使揚程、效率急劇下降。在比轉(zhuǎn)數(shù)大的離心泵中，葉片寬度大，流道寬且短，因此汽泡發(fā)生后，并不立即布滿流道，因而對性能曲線上斷裂工況點的影響就比較緩和。在高比轉(zhuǎn)數(shù)的軸流泵中，由于具有相當寬的流道，汽泡發(fā)生后，不可能布滿流道，從而不會造成斷流，所以在性能曲線上，當流量增加時，就不會出現(xiàn)斷裂工況點。盡管如此，仍有潛伏汽蝕的存在，仍需防止。二、吸上真空高度

在泵樣本中，有一項性能指標，允許吸上真空高度，用符號[Hs]表示，這項性能指標將影響泵的幾何安裝高度。幾何安裝高度就是根據(jù)這一數(shù)值計算確定的。

定義吸上真空高度：泵吸入口壓力允許吸上真空高度：幾何安裝高度中小型臥式離心泵幾何安裝高度液面泵軸臥式離心泵的幾何安裝高度幾何安裝高度立式離心泵的幾何安裝高度第一級工作葉輪進口邊的中心線至吸水池液面的垂直距離。液面葉輪進口邊的中心線幾何安裝高度大型泵則應(yīng)按葉輪入口邊最高點來決定幾何安裝高度大型泵的幾何安裝高度臥式泵立式泵幾何安裝高度的確定取吸水池液面為基準面，列出水面e—e和泵入口s—s斷面的伯努利方程式eessHgpe基準面因吸水池較大，ve0，上式移項得：如吸水池液面壓力就是大氣壓力，pe=pabm，則：臥式離心泵的幾何安裝高度示意圖幾何安裝高度的確定－［Hs］法則有泵的幾何安裝高度：

由定義：

如果：

則有泵的允許幾何安裝高度：如果液面壓力就是大氣壓力，則：討論為確保泵不發(fā)生汽蝕,安裝時應(yīng)該:Hg<[Hg]。[Hs]隨流量的增加而降低。為了保證泵的安全運行，泵的允許幾何安裝高度[Hg]的確定應(yīng)按樣本中最大流量所對應(yīng)的[Hs]來計算。為了提高泵的允許幾何安裝高度，應(yīng)該盡量減小在同一流量下：選用直徑稍大的吸入管路；吸入管段盡可能的短；盡量減少如彎頭、閥門等增加局部損失的管路附件[Hs]qVqV~[HS]工作范圍

qV~[HS]關(guān)系曲線換算泵樣本中所給出的[Hs]值是換算成大氣壓力為l.013×105Pa，水溫20℃的常態(tài)下的數(shù)值。如泵的使用條件與常態(tài)不同時，則應(yīng)把樣本中給定的[Hs]，換算為使用條件下的值，其換算公式為：其中Hamb為使用地點的大氣壓頭，mHv為流體對應(yīng)溫度下的飽和蒸汽壓頭，m泵安裝地點的海拔越高，大氣壓力就越低，允許吸上真空高度就越小。輸送水的溫度越高時，所對應(yīng)的汽化壓力就越高，水就越容易汽化。這時，泵的允許吸上真空高度也就越小。

三、汽蝕余量對同一臺泵，因吸入裝置條件的改變，可能發(fā)生汽蝕。泵在運行中是否發(fā)生汽蝕和泵的吸入裝置條件有關(guān)。按照吸入裝置條件所確定的汽蝕余量稱為有效的汽蝕余量或稱裝置汽蝕余量。相同使用條件下某臺泵會發(fā)生汽蝕，另一種型號泵可能不發(fā)生汽蝕。泵在運行中是否發(fā)生汽蝕和泵本身的汽蝕性能也有關(guān)。由泵本身的汽蝕性能所確定的汽蝕余量稱為必需汽蝕余量或泵的汽蝕余量。

表征水泵汽蝕性能的一個參數(shù)，叫做汽蝕余量，用符號△h表示。國外一般叫做凈正吸上水頭，用NPSH（NetPositiveSuctionHead）表示?！鱤有效汽蝕余量△ha：按照吸入裝置所確定的汽蝕余量必需汽蝕余量△hr：由泵本身的汽蝕性能所確定的汽蝕余量1、有效汽蝕余量有效汽蝕余量是指泵在吸入口處，單位重量液體所具有的超過汽化壓力pv的富余能量。即液體所具有的避免泵發(fā)生汽化的能量。符號[NPSH]a，或Δha

有效汽蝕余量由吸入系統(tǒng)的裝置條件確定，與泵本身無關(guān)。

定義：eessHgpe基準面有效汽蝕余量由伯努利方程得：則有：

有效汽蝕余量是吸入容器中液面上的壓力水頭克服吸水管路裝置中流動損失hw，并把水提高到Hg高度后，所剩余的超過汽化壓力水頭的能量水頭。eessHgpe基準面△ha的大小僅于吸入系統(tǒng)裝置情況有關(guān)，而與泵本身無關(guān)。即只要吸入系統(tǒng)裝置確定，有效汽蝕余量△ha就確定。式中Hg是有正負的，圖a情況為+Hg，b情況為-Hg。在圖b情況下，且當吸入容器中的壓力為汽化壓力（電廠凝結(jié)水泵和給水泵都屬該情況）時，即pe=pv。此時：

△ha=-Hg-hwHgHga

吸入液面低于基準面（+Hg）

b吸入液面高于基準（+Hg）pepe吸入液面與泵基準面相對位置示意圖2、必需汽蝕余量必需汽蝕余量Δhr：液體在泵吸入口的能量對壓力最低點k處靜壓能的富余能量，亦即泵內(nèi)的壓力損失。Or:單位重量的液體從泵的吸入口流至葉輪葉片壓力最低處時的壓力降低。必需汽蝕余量Δhr與吸入系統(tǒng)的裝置情況無關(guān)，是由泵本身的汽蝕性能所確定的。必需汽蝕余量泵吸入口處的壓力并非泵內(nèi)液體的最低壓力。因為液體從泵吸入口(s-s截面處)至葉輪進口有能量損失，泵內(nèi)最低壓力點的位置在葉片進口邊稍后的k點。

△ha

飽和蒸汽壓頭絕對壓力為0泵吸入口葉輪入口部分壓力最低葉輪出口△hr全壓頭動壓頭靜壓頭離心泵內(nèi)的壓力變化kkOOS-S壓降原因：s-s至k-k截面間有流動損失；從s-s至k-k截面時，由于液體轉(zhuǎn)彎等引起絕對速度分布不均勻，導致k點流體壓力下降。吸入管一般為收縮形，速度改變導致壓力下降。流體進入葉輪流道時，以相對速度繞流葉片進口邊，從而引起相對速度的分布不均勻。必需汽蝕余量—汽蝕基本方程式λl，λ2為壓降系數(shù)λl＝1～1.2(低比轉(zhuǎn)數(shù)的泵取大值)λ2＝0.2～0.3(低比轉(zhuǎn)數(shù)的泵取小值)?！鱤a

飽和蒸汽壓頭絕對壓力為0泵吸入口葉輪入口部分壓力最低葉輪出口△hr全壓頭動壓頭靜壓頭離心泵內(nèi)的壓力變化kkOO說明Δha是吸入系統(tǒng)所提供的在泵吸入口大于飽和蒸汽壓力的富余能量。Δha越大，表示系抗汽蝕性能越好。Δhr是液體從泵吸入口至k點的壓力降，Δhr越小，則表示泵抗汽蝕性能越好。隨流量增加，有效汽蝕余量Δha下降，必需汽蝕余量Δhr增加?！鱤a

標志泵使用時吸入裝置系統(tǒng)的汽蝕性能參數(shù)；只與吸入裝置系統(tǒng)有關(guān)，與泵本身性能無關(guān)，容易由計算確定；在泵裝置一定的條件下，△ha

隨液體溫度升高、流量增大而減?。煌髁肯?，△ha

越大，其裝置汽蝕性能越好；提高△ha

的途徑：增pe；減+Hg,增-Hg

；降溫減Pv；

減小hw：減小qV，但不可小至qVmin?！鱤r

標志泵本身汽蝕性能的基本參數(shù)；只與泵本身性能有關(guān)，由泵構(gòu)造決定，與泵吸入裝置系統(tǒng)無關(guān)，只能由試驗確定；一般情況離心泵在泵工作區(qū)域，△hr隨流量增大而增大；同轉(zhuǎn)速、同流量下，△hr越小，泵的汽蝕性能越好；降低△hr

的途徑：優(yōu)化泵吸入室及葉輪進口結(jié)構(gòu)參數(shù)等；降低泵轉(zhuǎn)速n；離心泵可減小泵流量。C點為汽蝕界限點，亦稱臨界汽蝕狀態(tài)點，該點的流量為臨界流量qvc當qv>qvc時，Δhr>Δha，有效汽蝕余量所提供的超過汽化壓力的富余能量不足以克服泵入口部分的壓力降，此時，pk<pv，泵內(nèi)發(fā)生汽蝕。qvc右邊為汽蝕區(qū)，左邊為安全區(qū)。泵不發(fā)生汽蝕的條件：Δhr<Δha，此時pk>pv3、泵不發(fā)生汽蝕的條件(1)允許汽蝕余量[△h]△ha=△hr=△hc△hc為臨界汽蝕余量，由汽蝕試驗求得，為保證泵不發(fā)生汽蝕，△hc加一安全量，得允許汽蝕余量[△h]，通常取[△h]為：

[△h]=（1.1~1.3)△hc或[△h]=△hc+0.3~0.5m4、允許汽蝕余量[△h]及其與[Hs]’的關(guān)系

(2)汽蝕余量[△h]和吸上真空高度[Hs]‘的關(guān)系因此：發(fā)生汽蝕的臨界狀態(tài)為：△ha=△hr=△hc此時對應(yīng)的吸上真空高度為Hsmax均考慮安全量K：(3)幾何安裝高度的確定-[Δh]法求出允許安裝高度：由有效汽蝕余量：或者寫成：倒灌高度的確定允許安裝高度為負值，此時泵必需安裝在水面以下，即采用倒灌。事實上，很多情況下(吸水水面的壓力低或水溫高等)，計算出的[Hg]<0，均需要倒灌。特別注意：鍋爐給水泵以及其前置泵、啟動給水泵、凝結(jié)水泵、疏水泵等，輸送的都是飽和水，需合理確定倒灌高度。例：有一單級單吸離心泵，安裝在海拔高度500m的地方，吸入管路系統(tǒng)的有關(guān)參數(shù)為：內(nèi)徑d＝150mm，全長L＝8m，管路沿程損失系數(shù)λ＝0.03，管路各局部損失系數(shù)之和=17.5。該泵額定流量為qv=64m3/h，樣本中給定的允許吸上真空高度為[Hs]=7m,利用該泵從大氣壓力下抽送溫度為40℃的清水。試求：①該泵的允許幾何安裝高度是多少？②若給出[Δh]=3m，則該泵的允許幾何安裝高度又是多少？（水在40℃時的飽和蒸汽壓力Hv=0.752mH2O,海拔500處的大氣壓為9.7mH2O）解：①泵入口速度：動壓頭：阻力損失：允許吸上真空高度修正：允許安裝高度：②例2：鍋爐給水泵前置泵工作條件如下：除氧器工作壓力1.066MPa(g),進水溫度172.3℃（飽和），轉(zhuǎn)速1450r/min，最大流量qv=690m3/h；吸入管路的有關(guān)參數(shù)為：內(nèi)徑d＝350mm，全長L＝8m，管路沿程阻力系數(shù)λ＝0.05，各局部阻力系數(shù)之和10.5，求除氧器安裝高度。解：從圖上查得最大流量qv=690m3/h下必需汽蝕余量Δhr＝3.9m，取K＝0.3m，取管路長度8m泵入口速度：阻力損失：允許汽蝕余量：允許安裝高度：由于前置泵從除氧器吸入飽和水，H0＝Hv從除氧器水面到前置泵中心倒灌高度最小6.56m。考慮負荷變化速度等因素，除氧器安裝高度應(yīng)更高。允許安裝高度（倒灌高度）液面壓力=大氣壓力修正允許吸上真空高度對飽和水而言四、汽蝕相似定律及汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù)

汽蝕相似定律

由汽蝕基本方程

原型和模型泵進口部分幾何相似，工況相似時，則壓降系數(shù)相等，即：λ1p=λ1m，λ2p=λ2m，且λ1p=λ2p,λ1m=λ2m由運動相似條件得汽蝕相似定律：汽蝕相似定律汽蝕相似定律指出：進口幾何尺寸相似的泵，在相似工況下運行，汽蝕余量之比等于葉輪進口幾何尺寸的平方比和轉(zhuǎn)速的平方比的乘積。對同一臺泵而言，由于尺寸相同，當轉(zhuǎn)速變化時，汽蝕余量隨轉(zhuǎn)速的平方成正比關(guān)系變化，即當泵的轉(zhuǎn)速提高后，必需汽蝕余量成平方增加，泵的抗汽蝕性能大為惡化。汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù)

包括泵的性能參數(shù)及汽蝕性能參數(shù)在內(nèi)的綜合相似特征數(shù)，反應(yīng)汽蝕相似的性能，這個相似特征數(shù)稱為汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù)，用符號c表示我國習慣采用：國際上，無因次汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù)：國際通常采用吸入比轉(zhuǎn)數(shù)：汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù)必需汽蝕余量Δhr小，汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù)c大，表示泵的汽蝕性能好。反之，則差。汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù)的大小，可以反映泵抗汽蝕性能的好壞。但是，提高c值往往使泵的效率有所下降。目前汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù)的大致范圍如下：主要考慮效率的泵：c＝600～800；兼顧汽蝕和效率的泵：c＝800～1200；對汽蝕性能要求高的泵：c＝1200～1600。對一些特殊要求的泵，如電廠的凝結(jié)水泵、給水泵、火箭用的燃料泵等，c值可達1600～3000。汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù)說明（l）汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù)和比轉(zhuǎn)數(shù)一樣，用最高效率點的n，qv，Δhr值計算。因此一般指最高效率點的汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù)。（2）凡入口幾何相似的泵，在相似工況下運行時，汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù)必然相等。與比轉(zhuǎn)數(shù)ns不同的是，只要求進口部分幾何形狀和流動相似。即使出口部分不相似，在相似工況下運行時，其汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù)仍相等。（3）汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù)公式中流量是以單吸為標準，對雙吸葉輪流量應(yīng)以qv/2代入。（4）汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù)c、吸入比轉(zhuǎn)數(shù)S和無因次汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù)Ks三者的性質(zhì)并無差別，物理意義相同。對于有因次汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù)C，由于各國使用單位不同需進行換算。（5）比轉(zhuǎn)數(shù)強調(diào)葉輪出口滿足相似，比轉(zhuǎn)數(shù)相等，泵不一定相似汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù)強調(diào)葉輪進口滿足相似，汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù)相等，泵不一定相似比轉(zhuǎn)數(shù)和汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù)都相等，則泵是相似的。例：某鍋爐給水泵型號為DG500-240,雙吸進口,從除氧器吸入溫度為154℃的飽和水,水泵倒灌高度為25m,設(shè)吸入管路阻力損失3m,該泵汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù)C=950,轉(zhuǎn)速為6000r/min,問:該泵安裝高度是否合適?解：則：允許汽蝕余量：[Δh]=Δhr+k=19.7+0.3=20m允許安裝高度：由于水泵倒灌高度為25m，大于要求的23m，所以安裝高度合適五、提高泵抗汽蝕性能的措施提高泵本身得抗汽蝕性能，降低必需汽蝕余量合理確定吸入裝置，提高有效汽蝕余量加強運行管理，使有效汽蝕余量大于必需汽蝕余量1、降低必須汽蝕余量（1）降低葉輪入口部分流速（2）采用雙吸式葉輪（3）增加葉輪前蓋板轉(zhuǎn)彎處的曲率半徑（4）葉片進口邊適當加長，及將葉片進口邊向吸