离心泵汽蚀现象分析及防汽蚀措施

Ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ Ｐｈｅｎｏｍｅｎａ Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ Ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ Ｐｕｍｐ
ＺＨＡＮＧ Ｎａ，ＺＨＡＮＧ Ｊｉｎｇ
（Ｗｕｈａｎ Ｂｏｉｌｅｒ Ｇｒｏｕｐ Ｖａｌｖｅ Ｃｏ ．Ｌｔｄ．，Ｗｕｈａｎ ４３０２２３，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｔｈｅ ｆｏｒｍ ｏｆ ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ ｐｈｅｎｏｍｅｎａ ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ．Ｇｉｖｅ ｐｒｏｍｉｎｅｎｃｅ ｔｏ ｔｗｏ ｋｅｙ ｃｏｎｃｅｐｔｓ ｒｅｌａｔｅｄ ｗｉｔｈ ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ ———ＮＰＳＨａ ａｎｄ ＮＰＳＨｒ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｓｕｃｔｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅ ａｎｄ ｂａｃｋｆｌｏｗ ｄｅｖｉｃｅ ，ｔｈｅ ｃｏｍｐｕ－ ｔａｔｉｏｎａｌ ｆｏｒｍｕｌａ ｏｆ ＮＰＳＨ ｗａｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ，ｔｈｅ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ ｐｕｍｐ ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｗａｓ Ｌｉｓｔｅｄ ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ ｐｕｍｐ ；ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ；ＮＰＳＨａ；ＮＰＳＨｒ
２ 汽蚀理论
离心泵工作时，叶轮由原动机驱动作高速旋 转运 动， 迫 使 叶 片 间 的 液 体 也 随 之 作 旋 转 运 动。 同时，因离心力的作用，液体由叶轮中心向外缘作 径向运动，随后进入蜗壳。 液体在流经叶轮的运 动过程中获得动能，液流进入蜗壳后因过流面积 的增大而减速，动能转化为压能。 即通过泵的做 功，液体从低压变为高压实现物料的输送。
越大，泵越不容易汽蚀。 式（１） 经转化可求出吸
上或倒灌条件下的装置汽蚀余量。
对上吸装置：
ＮＰＳＨａ ＝Ｐρｇ１ －ｈｆ －ｈ －ρｐｇｖ
（２）
对倒灌装置：
ＮＰＳＨａ ＝Ｐρｇ１ －ｈｆ ＋ｈ －Ｐρｇｖ
（３）
式中 Ｐ１ ———吸入液面压力，Ｐａ
ｈｆ ———泵吸入管道阻力损失，Ｐａ ｈ———吸入几何高度，ｍ ３．３ 必需汽蚀余量 ＮＰＳＨｒ 必需汽蚀余量由泵制造厂根据试验或模型换 算确定的汽蚀余量。 其值与泵的结构尺寸有关。 该参数越小越好，参数小泵越不容易汽蚀。 我们 认 为： 选 型 时， 泵 须 满 足 下 述 条 件： ＮＰＳＨａ －ＮＰＳＨｒ≥０．５ｍ，对易汽化的介质须满足 ＮＰＳＨａ －ＮＰＳＨｒ≥０．８ｍ；当 ＮＰＳＨａ －ＮＰＳＨｒ≤１ｍ 时，泵出厂必须做汽蚀性能试验，以确认泵满足选 型要求。
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文章编号： １００５ －０３２９（２０１３）０７ －００５３ －０３
离心泵汽蚀现象分析及防汽蚀措施
张 娜，张 晶
（武汉锅炉集团阀门有限责任公司，湖北武汉 ４３０２２３ ）
摘 要： 主要介绍了离心泵汽蚀现象及形成机理，重点突出了两个主要概念：装置汽蚀余量（ ＮＰＳＨａ） 和必需汽蚀余量 （ＮＰＳＨｒ）。 对吸上装置和倒灌装置， 分别给出了装置汽蚀余量的计算公式。 在此基础上，列出了提高离心泵抗汽蚀能 力的方法。 关键词： 离心泵；汽蚀；有效汽蚀余量；必需汽蚀余量 中图分类号： ＴＨ３ 文献标识码： Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９ ／ｊ．ｉｓｓｎ．１００５ －０３２９．２０１３．０７．０１２
目前确定离心泵汽蚀余量指标的最可靠方法 是试验测量。 判别泵是否汽蚀的准则是由美国水 力标准协会（ ＨＩＳ） 制订的性能下降法［２］ ， 也就 是以扬程下降 ３％ 时测试系统的装置汽蚀余量 ＮＰＳＨａ 为泵当前流量点的汽蚀余量 ＮＰＳＨｒ。 牟 介刚等认为泵在不同的使用条件下运行［３］ ，承受 汽蚀破坏的程度有很大的差异。 因此，对所有的 泵都用同一判据来表征汽蚀性能并用同样的方法
收稿日期： ２０１３ －０４ －０９
来设计叶轮是不恰当的。 Ｔｅｒｒｙ 认为， 应当根据 介质、泵比转数以及叶轮外径的不同对现有实验 方法得到的泵汽蚀余量进行修正才能更准确地描 述泵的汽蚀特性［４］ 。 近年来， 随着计算流体力学 的发展和测试手段的进步， 对汽蚀的研究由泵额 定点汽蚀的发展机理转向汽蚀模拟与诊断技术领 域［５］ 。 本文从汽蚀余量计算公式出发， 分析产生 汽蚀的原因并提出防止离心泵汽蚀的措施。
［３］ 牟介刚， 张生昌，邓鸿英，等．离心泵汽蚀判据的研 究［ Ｊ］ ．农业机械学报，２００６ ，３７（９） ：９７－９９ ．
［４］ Ｘａｖｉｅｒ Ｅ，Ｅｄｕａｒｄ Ｅ，Ｍｏｈａｍｅｄ Ｆ，ｅｔ ａｌ．Ｄｅｔｅｃｔ ｉｏｎ ｏｆ ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ ｉｎ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｔｕｒｂｉｎｅｓ ［ Ｊ］．Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓ－ ｔｅｍｓ ａｎｄ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ，２００６，２０（４），９８３－１００７．
（５ ） 泵选 型 时， 遇 到 装 置 汽 蚀 余 量 低 或 介 质 易汽化时，泵尽可能采用低转速。
（６ ） 对易汽化介质，做好管路的保温降温，避 免所输送液体的温度升高。
（７ ） 泵在 运 行 过 程 中， 应 利 用 泵 出 口 阀 控 制
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流量在合理的范围。 泵偏大流量运行时最容易出 现汽蚀现象。 操作中，不允许用吸入管路阀门来 调节流量。
（８）泵出现汽蚀又无法改变其工艺条件时，可在 泵入口加装一个喷嘴，利用泵出口压力，使其高压液 体回馈，以增大泵入口压力，减小汽蚀的可能性。
５ 处理汽蚀问题实例
某水厂 ２ 台取水泵运行一段时间后，出现振 动、声音也大，水泵盘根处有气吸入，未见水向外 滴落。 解体后发现叶轮入口有许多凹坑，初步认 为泵发生了汽蚀。 进行排查发现：该泵设计流量 ７０００ｍ３ ／ｈ、扬程 ５６ｍ，由于泵出口只有拍门，无流 量控制阀，实际运行流量 ８２００ｍ３ ／ｈ，也就是说泵 长期在偏大流量工况运行；其次，入口拦污栅处有 树枝和塑料袋等杂物堵塞。 我们分析，造成泵汽 蚀的原因是吸水管路阻力增加导致装置汽蚀余量 ＮＰＳＨａ 降低；而运行流量的加大使得 ＮＰＳＨｒ 增 大，最终导致泵发生汽蚀。 处置措施：将叶轮改为 钢板焊接的，将叶轮外径减小到合适尺寸（ 即控 制运行流量） ，并定期清理拦污栅，此 后未 出 现汽 蚀问题。
４ 防止汽蚀发生或减缓汽蚀破坏的措施
预防汽蚀发生或减缓汽蚀破坏，可以从两方 面着手：一方面从泵设计和制造考虑：改善叶轮进 口入液条件，降低泵的 ＮＰＳＨｒ，使泵的 ＮＰＳＨｒ 低 于装置汽蚀余量 ＮＰＳＨａ，避免汽蚀发生；采用组 织致密的高等级材质制造叶轮，提高泵的抗汽蚀 破坏能力；另一方面从泵的使用条件考虑：通过合 理系统设计和设备选型、正确操作，使泵不会发生 汽蚀。 现分述如下：
参考文献
［１］ 李海权．长短叶片设计对改善离心泵汽蚀性能的作 用［Ｊ］．通用机械， ２００５，（１）：４４－４６．
［２］ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｓｔａｎｄａｒｄｓ［Ｓ］．Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｉ ｎｓｔｉｔｕｔｅ，９ Ｓｙ ｌｖａｎ Ｗａｙ， Ｓｕｉｔｅ ３６０，Ｐａｒｓｉｐｐａｎｙ，ＮＪ ０７， ０５４－３８０２．
（３ ） 泵在 接 近 汽 蚀 的 状 态 下 工 作， 如 采 用 组 织致密的抗汽蚀材料（ 铜合金、不锈钢等） 制造泵 叶轮可以延长叶轮寿命。 如用压延的钢板焊接的 叶轮较铸造的叶轮抗汽蚀能力强。 也可以利用非 金属涂料采用环氧树脂、尼龙、聚胺脂等对叶轮进 行涂层处理。
（４ ） 管路 系 统 设 计 时， 泵 的 吸 上 高 度 尽 可 能 低，条件许可就采用倒灌。 配管时，适当缩短吸入 管长度、增大吸入管径，在吸入路尽量减少不必要 的阀门、弯头数量，以减少吸入管的管路损失。
［６］ 黄道见．离心泵叶轮内汽蚀发生的理论探讨［ Ｊ］．农 机化研究，２００６ ，（ ６） ：８８ －８９．
［７］ 牟介刚．喷水推进系统噪声产生的机理及降噪分析 ［ Ｊ］ ．中国机械工程，２００３ ，１８ ：１５５８ －１５６０ ．
［８］ 连松锦，陈松山，周正富，等．长短叶片离心泵的三维湍 流数值模拟研究［Ｊ］．流体机械，２０１１，３９（３）：２５－２９．
６ 结语
综上所述， 为了避免汽蚀现象的产生， 应遵 循几点原则： 泵的安装高度必须低于泵的允许吸 上高度；吸入管路在满足管道应力条件下应短而 直， 管件尽量少， 吸入管的直径不应小于吸入口 的直径； 变径处不能有气体积存。 泵一旦出现汽
蚀，可结合工艺要求和操作环境， 采用上述某一 项或几项措施来解决。
在离心泵叶轮入口处，由于液体向叶轮外缘
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流动形成低压区，而入口来流还未获得叶轮的足 够能量，即使无外界热量导入，也易于出现压力低 于液体气化压的情况，此时泵会产生空化汽蚀现 象 。 ［６ ～１１］
Ｐ ｖ ———液体在该温度下的汽化压力，Ｐａ
ｕｓ ———泵吸入口平均流速，ｍ ／ｓ
ρ———液体密度，ｋｇ ／ｍ３
３．２ 有效汽蚀余量 ＮＰＳＨａ
有效汽蚀余量 （ ＮＰＳＨａ）， 也即 装 置 汽 蚀 余 量，是指泵所在装置（或系统管路） 所具有的汽蚀
余量， 其大小由吸入管路系统参数、安装高度和
管路中流量等决定的， 与泵的结构无关。 该参数
１ 引言
离心泵因其性能平稳、易操作和便于维修等 优点广泛应用于工业领域和日常生活。 效率和汽 蚀余量是代表离心泵技术水平的两个重要性能参 数，两者相互联系、相互制约。 设计时如过份追求 效率指标， 则汽蚀余量指标将会降低［１］ 。 泵一旦 发生 汽 蚀， 其 流 量 扬 程 性 能 会 下 降， 还 表 现 出 噪 声、振动明显偏高，严重时会使泵中液流中断，不 能正常工作。 汽蚀还会对泵的过流部件产生破 坏，甚至影响管路系统。
汽蚀是液体在流动中嬗变为汽体、再回归为 液体的过程，即汽泡产生、发展及破裂的过程， 从 汽泡产生到消失所用的时间极短， 是一个复杂的 动态过程。 汽化的结果就是在液体中产生很多汽 泡， 汽泡中充满了液体蒸汽以及少量溶解于液体 中的气体。 当汽泡随液体进入高压区时， 汽泡就 会迅速破裂， 周围液体迅速填充原汽泡空穴， 产 生巨大的属于内向爆炸性质的冷凝冲击，随之蒸 汽又重新凝结成液体， 汽泡消失。 汽泡破裂过程 中， 有一部分汽泡是附着在导流组件表面上破裂 凝结成液体的， 这部分液体如同无数细小的高频 撞击锤撞击金属表面， 造成金属表面的侵蚀。
（１ ） 适当加 大 泵 入 口 直 径 和 叶 轮 入 口 直 径， 降低泵入口液体流速，降低 ＮＰＳＨｒ。 或者直接采 用双吸叶轮，因双吸叶轮相当于两个单吸叶轮的 入口面积，同样流量条件进口流速可降低一倍。
（２ ） 将叶 片 头 部 背 面 修 薄， 改 善 叶 片 入 口 排 挤，降低 ＮＰＳＨｒ。 或加装诱导轮，使液体进入叶轮 前增加了一定压力能。
［９］ 黄思，管俊．基于 空 化模 型 的多 级 离心 泵汽 蚀 性能 分析［ Ｊ］ ．流体机械，２０１１，２９（１） ：３５－３８ ．
［５］ Ａｌｆａｙｅｚ Ｌ，Ｍｂａ Ｄ，Ｄｙｓｏｎ Ｇ．Ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｆｏｒ ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ｉｎｃｉｐｉｅｎｔ ｃａｖ ｉｔａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｂｅｓｔ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ａ ６０ ｋＷ ｃｅｎｔｒｉｆｕｇ ａｌ ｐｕｍｐ： ｃａｓｅ ｓｔｕｄｙ ［Ｊ］．ＮＤＴ＆ Ｅ Ｉ ｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ， ２００５， ３８（５）：３５４－３５８．
３ 汽蚀参数
３．１ 汽蚀余量 ＮＰＳＨ
泵吸入口处单位质量的液体超出液体汽化压
力的富裕能量（ 以 ｍ 液柱计） ， 称汽蚀余量［８］ 。
其值等于从基准面算起泵吸入口的总吸入压力减
去该液体的汽化压力（绝压，以 ｍ 液柱计） ， 即：
ＮＰＳＨ ＝ρＰｇｓ ＋２ｕｇ２ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ －Ｐρｇｖ
（１）
式中 Ｐｓ ———泵吸入口压力，Ｐａ