泵的汽蚀性能

(―）汽蚀及其危害

汽蚀是.水力机械中的一种异常现象。水泵汽蚀是由水的汽化引起的。水的汽化与温度和压力有关。在一定的温度下，水开始汽化的临界压力称为该温度下的饱和汽化压力_D水温和饱和汽化压力的关系见表3-4。

水泵的汽蚀是指水泵运行时，由于某些原因而使泵内局部位置水的压力降低到工作温度下水的饱和汽化压力时，水就会汽化，并产生大量汽泡。从水中离析出来的大量汽泡随着水流向前运动，流人叶轮中压力较高部位时，汽泡受到周围液体的挤压而迅速溃灭，又重新凝结成水，这种现象称为水泵的汽蚀现象。

试验表明，由于汽蚀，水泵产生强烈的局部水锤,其产生的冲击频率每分钟可达几万次，并集中作用在极微小的金属表面上，瞬间局部压力可迖几十甚至几百兆帕。水泵的叶轮或泵壳的壁面在受到瞬间如此巨大局部压力的连续打击下，金属表面引起塑性变形或局部硬化，并产生金属疲劳现象，进而发生裂缝、剥蚀，使金属表面呈现蜂窝状孔洞，直至叶轮被蚀坏。

汽蚀的发生，会引起水泵性能的变化。这种变化对不同类型的水泵是不同的。对较低的水泵，如100的离心泵，因水泵叶片流槽狭长，汽蚀刚开始时，汽泡占据一定的槽道面积，水泵的扬程、功率和效率开始下降，但对水泵的正常工作没有明显的影响。当外界条件使汽蚀更加严重时，气泡大量产生，阻塞流道，使液流的连续性遭到破坏，水流间断曲线迅速下降，如图3-22(a)所示。对\较高的轴流泵，由于叶片间流道相当宽阔，故汽蚀开始后汽蚀区不易扩展到整个流道。因此，性能曲线不仅下降缓慢，而且也不出现“断裂”工况，如图3-22(b)所示。此外，在水泵发生汽蚀的过程中，由于汽泡突然破灭，产生噪音和振动，强烈的振动会使机组零件和泵房结构遭到破坏，噪音也会危害管理人员的身心健康。

三、变角调节

通过改变叶片安装角可以改变水泵性能，达到调节水泵工况的目的，这种调甘方法称变角调节。它适用于叶片可调节的轴流泵与混流泵。

(一）轴流泵叶片变角后的性能曲线

图3-19为轴流泵叶片在不同安装角度时的性能曲线，在转速不变的情况下，随着安装角度的加大,Q-h/Q-p曲线向右上方移动〜7?曲线几乎以不变的数值向右移动。反之，当安装角度减小时，各曲线则向相反的方向移动。为便于使用，将曲线和Q〜7?曲线用数据相等的几条等功率曲线和等效率曲线加绘在Q~H曲线上，称为轴流泵的通用性能曲线，如图3-20所示。

(一） 轴流泵的变角调节

采用叶片可调节的轴流泵，可以随着实际扬程的变化调节叶片安装角度。如图3-20所示。当实际扬程较小时，将安装角调大，在保持较高效率的情况下增大出水量，使电动机满载运行。当实际扬程较大时，将安装角调小，1适当地减少出水量，使电动机不致过载运行。所以，釆用变角调节不仅使水泵以较髙的效率抽较多的水，而且使电动机长期保持或接近满载运行，以提高电动机的效率。

此外，对全调节轴流泵，在启动时将叶片安装角调至最小，可以降低泵呻启动力矩。在停车之前，将叶片安装角度调小，可以平稳地完成机组停车。必须指出的是，中小型轴流泵多为半调节式，一般须在停机、拆卸叶轮之后才能进行调节。而泵站的实际扬程具有随机特性，频繁停机调节则有诸多不便。为了使泵站全年或多年运行效率最高，耗能最少，同时满足灌排流量的要求，可将叶片安装角调整到最优组合状态，这样可获得较髙的经济效益。

(二）汽蚀发生的部位

叶片泵常见的汽蚀有叶面汽蚀、间隙汽蚀和涡带汽蚀三种形式，如图3-23、图3-24、图3-25所示。

叶面汽蚀是发生在叶片表面的汽蚀，随着泵的流量不同，汽蚀发生在叶片的正面、背而或前盖板内表面等部位。间隙汽蚀是由于间隙回流发生在叶片外缘与叶轮室壁面之间，或密封环与叶轮进口外缘之间的汽蚀。

涡带汽蚀是由于进水池、进水流道设计不良或其他边界条件的变化产生涡带，当涡带进人水泵后，会助长或加重水泵的叶面汽蚀。

此外，离心泵涡壳隔舌处，半螺旋形吸水室内壁以及轴流泵导叶的正面、背面也有可能产生汽蚀。

二、汽蚀基本方程

泵在运行时是否产生汽蚀由泵本身抗汽蚀3匣能与泵吸人侧装置系统两个方面决定。

离心泵的吸水装置如图3-26所示。水泵运行时，由于叶轮高速旋转，在其人口处形成了真空，进水池中的水流在大气压的作用下经过吸水管流至水泵进口，再从泵进口流人叶轮流道，絶对压力沿水流减小，到进人叶轮后，在叶片背M(即背水面）水流以相对速度％绕流叶片进口边，由于急转弯，流速加大，在叶片背面靠进口的点处压力降到最低值,A点是水泵内最容易产生汽蚀的点，如图3-27所示。水泵是否会产生汽蚀，取决于A点处的压力值，当&点的压力h下降到等于该泵工作温度下的饱和汽化压力以时，则泵内发生汽蚀。以后，水流在叶轮中得到叶片传来的机械能，压力迅速上升，因此汽蚀基本方程正是表征水泵汽蚀条件与影响汽蚀诸因素之间的关系式，其表达式如下式中水泵进和对应水温下达到汽化时的绝对压力，kPa;——栗进口和叶片进口水流的平均流速，——叶片进口水流的相对流速，mA;A^Az——与泵吸入室结构及叶轮人口几何形状等有关的压降系数。

三、汽蚀佘量与吸上真空高度汽蚀余量

汽蚀余量有两种概念，一种是装置汽蚀余fi，另一种是必需汽蚀余量,下面分别进行讨论。1.装置

汽蚀余量（/VPS/fh装置汽蚀余量是指水泵吸水侧管路装置给予水泵进口处超过汽化压力水头的能量，真空，进水池中的水流在大气压的作用下经过吸水管流至水泵进口，再从泵进口流人叶轮流道，絶对压力沿水流减小，到进人叶轮后，在叶片背M(即背水面）水流以相对速度100％，绕流叶片进口边，由于急转弯，流速加大，在叶片背面靠进口的点处压力降到最低值,A,点是水泵内最容易产生汽蚀的点，如图3-27所示。水泵是否会产生汽蚀，取决于A点处的压力值，当&点的压力h下降到等于该泵工作温度下的饱和汽化压力以时，则泵内发生汽蚀。以后，水流在叶轮中得到叶片传来的机械能，压力迅速上升，因此汽蚀基本方程正是表征水泵汽蚀条件与影响汽蚀诸因素之间的关系式，其表达式如下式中水泵进和对应水温下达到汽化时的绝对压力，kPa;

——栗进口和叶片进口水流的平均流速，

——叶片进口水流的相对流速，mA;

A^Az——与泵吸入室结构及叶轮人口几何形状等有关的压降系数。

三、汽蚀佘量与吸上真空高度

(_)汽蚀余量

汽蚀余量有两种概念，一种是装置汽蚀余fi，另一种是必需汽蚀余量,下面分别进行讨论。

1.装置汽蚀余量（/VPS/fh

具有的超过汽化压力水头的最小能量称为必需汽蚀余量，用符号(iVPSFh表示，泵内开始发生汽蚀时的汽蚀余量称为临界汽蚀佘量,用符号表示。汽蚀基本方程右边差示的就是临界汽蚀余量.即式(3-29)右边第一项表示叶片进口边前缘所具有的流速水头和泵吸水室水头损失引起的压力下降；第二项表示水流流过叶片头部引起的压力下降，如图3-28所示。从图3-28可以看出，当（NPSH)£1>(NPSH),时，装置给水泵提供的汽蚀余量大于诙泵临界汽蚀余量.水泵不至于发生汽蚀；当（A『PS/〇t时,处于临界状态，泵开始发生汽蚀;当（/VPSHhct/VPS/O,时，泵内发生汽蚀，泵运行不安全。根据式(3-29),由于非设计工况下Ai、A2值变动较大，难以精确计算，因此通常采用试验方法确定。泵的汽蚀试验是在保持一定的转速和流量下，改变水泵装置情况，当泵内开始发生汽蚀时的装置汽蚀余量（APS丑)a即为临界汽蚀佘量(iVPSKh。为了保证水泵安仝工作，加〇. 3 m安全跫作为不产生汽蚀需要的最小汽蚀佘量，即必需汽蚀佘量可从水泵样本上查得。必需汽蚀佘量是表征水泵汽蚀性能的参数，是计算水泵安装高程的依据。在相同的流量和转速条件下，值愈小,泵的抗汽蚀性能愈好。

(二）吸上真空高度

吸上真空髙度是指水泵进口处水流的绝对压力水头小于大气压力水头的数值，也就是安装在水泵进口处真空表的读数，用符号圪表示,单位为m。

式（3-31)表明，泵的吸上真空高度//,比泵的吸水高度多一个吸水管水头损先和水泵进口处的流速水头€/(知）。如果水泵在某个流量下运行，则项是定：

值，也近于定值，那么 '值随水泵的吸水高度的增大而增大。当增大至某一数值后，水泵开始发生汽蚀，这时的吸上真空高度称最大吸上真空高度，又称临界吸上真空高度，用符号丑„表示。该值可通过试验方法确定为了保证水泵运行时不发生汽蚀，同时又有尽可能大的吸上真空高度，规定临界吸上真空高度减去0.3 m的安全量作为允许吸上真空高度，用符号表示。该值可从水泵样本G曲线或性能表上査得D水泵的允许吸上真空髙度是表征水泵汽蚀性能的又一参数，与必需汽蚀余量—样也是计算水泵安装高程的依据。在相同的流量和转速条件下，泵的允许吸上真空髙度愈大，泵的抗汽蚀性能愈好。水泵运行时，水泵吸上真空髙度况不应超过样本上规定的值，即可允许吸上真空髙度和必需汽蚀余量之间的关系：

将式(3-31)代人式(3-28)中得

由此可见，（iVP沒0,和好™之间楚有内在联系的。但是结合整个水泵系统来分析，更能说明水泵汽蚀的物理现象，同时用它来计算泵的安装髙程比较方便，故应用较普遍。

四、水泵安装高程的确定

水泵的安装高程是指满足水泵不发生汽蚀的水泵基准面高程，水泵的基准面如图3-29所示。水泵的安装高程直接影响水泵的吸水性能和泵站的土建费用。水泵安装得过低，泵房土建投资大，施工难度大;过高则水泵易发生汽蚀。因此，合理确定水泵的安装高程，既能保证水泵的正常运行，防止汽蚀的发生，又能降低造价，在泵站的规划设计中具有重要意义。

用必须汽蚀余量{M兄〇 r计算孖允吸由式(3-25)得用（NPSH)r代替式(3-35)的（得到水泵允许吸水高度，即

H允吸=Pa/Pg-Pr/pg (NPSH）-h吸 (3-36)

在标准状况（即一个标准大气压力，水温为20冗）下,&-& = 10.09，则

Hm-10*09 - {NPSH}  (3-37)

对于中、小型立式轴流泵，由于进水管路较短，可以忽略不计。

必须指出的是，水泵厂提供的（狀妨是额定转速时的值，若水泵工作转速/I'与额定转速n不同，则按下式修正

(NPSH)l = (NPSH)r(—)2  (3-38)

式中{iwst〇T、（i\psirrt——修止前、后丄况点的必需汽蚀余量。

用允许吸上真空高度计算
由式(3-31)得H吸=H1-N2-hg (3-39)

^用Hm代替式(3-39)的％得到水泵允许吸水高度，即H吸=H1-N2-hg (3~40)

值得注意的是，水泵广提供的值，是在标准状况下，以清水在额定转速下试验测得的。当水泵的便用条件为非标准状况时，应进行下列修正：转速修正

(三）水泵安装高程的确定

水泵的安装高程为

式中▽a、Vi——水泵基准面髙程和进水池最低运行水位高程，HI。

必须指出的是，（/VP汾随流量的变化而变化。应按水泵运行时可
能出现的最大、最小净扬程所对应的（/VRS好h或值进行计算，将算出的加上相应进水池的水位，得到最大、最小净扬程时的安装高程，然后进行比较，选最低的作力泵的安装髙程。如果按式(3-K))算出的结果为正值，表示该泵可以安装在进水池水面以上，但立式轴流泵为便于启动和使管口不产生有害旋涡，仍将叶轮的中心线淹没于水面以下0.5〜1.0若为负值，表示该泵必须安装在水面以下，其淹没深度不小于上述求得的数值，且不小于0.5〜1.0m。

五、减轻汽蚀的措施

防治或减轻汽蚀的措施，除了从设计、制造等方面加以改善外，对用户来说还应从泵站规划设计和运行管理等方面加以考虑。

(一）正确确定水泵安装高程

确定水泵安装高程时，应使水泵在任何工况下,装置汽蚀余量（iVPS//)u大于水泵的必需汽蚀余量(iVPS/f),或者水泵的吸上真空髙度g小于水泵的允许吸上真空髙度.

(二）正确设计进水池

进水池肉的水流要平稳均匀，不产生旋涡和偏流，否则使泵的汽蚀性能变坏。此外，要及时清除进水池的污物和淤泥，使水流畅通，流态均勻，还要保证进水喇叭有足够的淹没深度。

(三）正确设计进水管道

进水管道应尽可能短，减少不必要的管路附件，适当加大管径，以减少进水管道的水 头损先，提高装置汽蚀余量D为使水泵进口的水流速度和压力分布均匀，对于卧式离心泵，泵进口前进水管道水平直段不能过短，通常不小于4〜5倍进口直径的直管长度。大、中型栗站的进水流道的型式、结构和尺寸要设计得合理，保证有良好的水力条件，防止有害的偏流和旋涡发生。

(四}正确进行工况调节

调节水泵的运行工况可以减轻汽饨，对于离心泵适当减小流量使工况点向左移动可减/h(A7^/〇,或增大对于轴流泵可调节叶片安装角，使工况点移到值较小的区域。

(五）提高泵进口的压力

给水栗进水管道增压，例如把离心泵出水管的水引人进水管，并用喷嘴增压，可以提高装置汽蚀佘量，减轻汽蚀危害。

(六）控制水源含沙量

从多沙河流取水的栗站，由于水中含沙量的增加,会加剧过流部件的磨损并使水泵汽蚀性能恶化。因此，水源含沙量必须加以控制。

(七）提高叶面光洁度

叶面光洁度对抗汽蚀性能有一定影响，叶片表面粗糙，会引起旋涡，招致汽蚀。对粗 糙叶面，用户可精细加工，提高其光洁度。

(八）及时进行涂敷与修复

如果水泵过流部件已出现剥蚀，可采用金属或非金属材料在剥蚀部位及时涂敷修复，非金属材料包括环氧材料、复合尼龙、53—4涂料等。涂敷修复后的叶轮，抗剥蚀和磨损 的能力均大大提髙，不仅延长了叶轮的使用鸾命，而且提高了效率。对剥蚀和磨损伤痕亦 可进行补焊修复。

(九）降低水泵转速

汽蚀性能参数与转速的平方成正比，降低水泵的转速，可以减轻汽蚀的程度。

(十）在汽蚀区补气

在泵进水侧补进适量空气，可以缓和空泡破灭时的冲击力，并减小汽蚀区的真空度，从而减轻汽蚀的程度。但进气量要适量，否则会使水泵性能变杯。

【例3-2】某抽水站拟安装12Sh-19型离心泵装置，水泵性能曲线见图3-30。管路的' 阻力参数S为13s2/m5 (其中进水管路的阻力参数=7. 81 S2/m5)，进水池最低运行 水位为200 m,设计水位为202m，最髙运行水位为220m，水温为30尤。试求“1)水泵的工作点及其相应的p、#、77、P及; (2)水泵安装高程。解=1.确定水泵的工作点及其相应的及。

(1)计算管路的水头损失：

由公式(3-5)得

(2)绘Q-H曲线，确定工作点：

由净=220-202=IS(m)，加上、后绘制游曲线，如图3-30所示DP〜丑游曲线与曲线的交点4即为水泵的工作点。4点相应的及値力0=230L/s=20. 4min=83.3% ,P=55kW，R=4.63m。

2.确定水泵的安装高程

确定最大、最小净扬程时水泵工作点的Q及仏1值：由=220-200=20(m)，加上、后绘制(打阳曲线，如图3-30所示。水泵工作点的及值为Q二208 L/s凡=5.45m。由i和=220-204=16(m)，加上、后绘制的曲线，如图3-30所示。水泵工作点的^及值为Qz = 246Tys^= 3.90m0计算进水管路水头损失.