科学论坛 ●Ｉ 关于离心泵气蚀的分析及工程实例 张燕梅１刘（１．河北省电力勘测设计研究院河北兵ｚ 河北石家庄０５００３１） 石家庄０５００３１： ２．河北石药集团［摘 要］通过对离心泵气蚀概念的解释以及气蚀的易发生部位，对离心泵的抗气蚀性能给予措施，理论联系工程实例对气蚀有一个全面的了解。 ［关键词］离心泵气蚀现象 气蚀余量 中图分类号：Ｇ２４３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００９—９１４Ｘ（２０１０）１８一Ｏ１１卜０１ 目前各种离心泵由于设计原因或工况条件的限制，离心泵常常会发生气蚀 的现象，不足的吸入能力是离心泵中气蚀的主要原因，这可以靠合理选择泵的 特性曲线，使工作要求与泵的能力较好匹配而没法避免。离心泵中气蚀可由 多种原因产生。当泵呈现压力不足时，问题容易发现。但是，当根本问题是 吸入能力不够时，原因较难发现。气蚀现象使得流道表面受到浸蚀破坏（一种 持续的高频打击破坏），引发振动，产生噪音：在严重时出现断裂流动，形成流道 阻塞，造成水泵性能的下降。所以说，气蚀问题是水泵行业的一个很重要的科 研课题。以下对气蚀现象进行系统的原因分析。 １离心泵气蚀的概念 离心泵运转时沿着泵入口到叶轮入口而下降，在叶片入口附近的Ｋ点上， 液体压力ｐＫ最低。此后由于叶轮对液体作功，液体压力很快上升。当叶轮 叶片入口附近的压力ｐＫ小于液体输送温度下的饱和蒸汽压力ｐｖ时，液体就汽 化。同时，使溶解在液体内的气体逸出，形成许多汽泡。，当汽泡随液体流到 叶道内压力较高处时，外面的液体压力高于汽泡内的汽化压力，则汽泡又重新 凝结溃灭形成空穴，瞬间内周围的液体以极高的速度向空穴冲来，造成液体互 相撞击，使局部的压力骤然增加（有的可达数百个大气压）。这样，不仅阻碍液 体正常流动，尤为严重的是，如果这些汽泡在叶轮壁面附近溃灭，则液体就像无 数个小弹头一样，连续地打击金属表面。其撞击频率很高（有的可达２０００～ ３０００Ｈｚ），于是金属表面因冲击疲劳而剥裂。如若汽泡内夹杂某种活性气体 （如氧气等），它们借助汽泡凝结时放出的热量（局部温度可达２００￣３００￣Ｃ），还 会形成热电偶，产生电解，形成电化学腐蚀作用，更加速了金属剥蚀的破坏速 度。上述这种液体汽化、凝结、冲击、形成高压、高温、高频冲击负 荷，造成金属材料的机械剥裂与电化学腐蚀破坏的综合现象称为气蚀。 ２离心泵■易发生气蚀的部位 气蚀现象是由于流体中出现的最小绝对压力引起，哪里的绝对压力小，哪 里就容易发生气蚀。离心泵最易发生气蚀的部位有： ａ．叶轮曲率最大的前盖板处，靠近叶片进口边缘的低压侧： ｂ．压出室中蜗壳隔舌和导叶的靠近进口边缘低压侧： ｃ．无前盖板的高比转数叶轮的叶梢外圆与壳体之间的密封间隙以及叶梢 的低压侧： ｄ．多级泵中第一级叶轮。 ３提高离心泵抗气蚀性能的措施 ３ １提高离心泵本身抗气蚀性能的措施 （１）改进泵的吸入口至叶轮附近的结构设计。增大过流面积；增大叶轮盖 板进口段的曲率半径，减小液流急剧加速与降压：适当减少叶片进口的厚度，并 将叶片进口修圆，使其接近流线形，也可以减少绕流叶片头部的加速与降压：提 高叶轮和叶片进口部分表面光洁度以减小阻力损失；将叶片进口边向叶轮进口 延伸，使液流提前接受作功，提高压力。 （２）采用前置诱导轮，使液流在前置诱导轮中提前作功，以提高液流压力。 （３）采用双吸叶轮，让液流从叶轮两侧同时进入叶轮，则进口截面增加一 倍，进口流速可减少一倍。 （４）设计工况采用稍大的正冲角，以增大叶片进口角，减小叶片进口处的弯 曲，减小叶片阻塞，以增大进口面积：改善大流量下的工作条件，以减少流动损 失。但正冲角不宜过大，否则影响效率。 （５）采用抗气蚀的材料。实践表明，材料的强度、硬度、韧性越高。化 学稳定性越好，抗气蚀的性能越强。 ３．２提高进液装置有效气蚀余量的措施 （１）增加泵前贮液罐中液面的压力，以提高有效气蚀余量。 （２）减小吸上装置泵的安装高度。 （３）将上吸装置改为倒灌装置。 （４）减小泵前管路上的流动损失。如在要求范围尽量缩短管路，减小管路 中的流速，减少弯管和阀门，尽量加大阀门开度等。 以上措施可根据泵的选型、选材和泵的使用现场等条件，进行综合分析， 适当加以应用。 ４水泵的气蚀余■ＮＰＳＨ 水泵气蚀余量有两个概念：其一是与安装方式有关，称有效的气蚀余量 ＮＰＳＨＡ，它是指水流经吸入管路到达泵吸入口后所余的高出临界压力能头的那 部分能量，是可利用的气蚀余量，属于“用户参数”：其二是与泵结本身有关， 称必需的气蚀余量ＮＰＳＨＲ，它是流体由泵吸入口至压力最低处的压力降低值， 是临界的气蚀余量，属于“厂方参数”。要确保水泵在运行中不气蚀，必须 在安装上保证ＮＰＳＨＡ≥Ｋ×ＮＰＳＨＲ，（Ｋ为安全裕量），而后者由制造厂所保证。 从这个意义上看，降低水泵气蚀余量的意义在于保证水泵的绝对提水高度，满 足使用要求。 一般采用下列公式来计算气蚀余量：ＮＰＳＨＡ＝一Ｈ—ｈ －式中：ＰＯ为下游压力：Ｐｖ为临界压力：ＨＳＺ为安装高度：∑ｈｓ为吸入管路流 动损失，包括阀门、弯头等处的损失。由上式可以看出，ＮＰＳＨＡ是一种能量 储备，较小的ＮＰＳＨＡ可使得安装高度ＨＳＺ较大，这是有利的。 ＮＰＳＨ＝ ＋ ２ 式中：Ｖ１为叶片进口绝对速度： ｌ为绝对速度变化及流动损失引起的压 降系数，称绝对速度的不均匀系数：Ｗｌ为叶片进口相对速度：＾２为流体绕流叶 片头部引起的压降系数，称叶片的气蚀系数。由上式可以看出，ＮＰＳＨＲ仅与泵 本身的运动特性有关。对设计者而言，要求ＮＰＳＨＲ尽可能小，以使得泵在安装 上有较充裕的气蚀储备。 显然，ＮＰＳＨＲ的大小取决与泵吸入口出流体运动的能量损失。由于流程 较短，这种损失主要体现为流动局部损失。有如下几方面的因素： （１）泵吸入口到叶轮进口流道收缩，流速增加而产生的压力损失以及流体 运动自轴向变为径向，转弯处流场不均匀而产生压力损失：（２）流速变化引起的 流动损失，体现为压力降低：（３）流体绕流叶片进口缘产生的能量损失：（４）叶片 厚度排挤作用使得进口速度增加而产生压力损失：（５）非设计工况下运行流体 在叶片前缘产生的冲击损失：（６）叶轮铸造质量不佳、流道表面不平所致流动 粘性损失。 在上面几方面的因素之中，难以完全避免的是前两项：而后几项则可以通 过改进设计及制造质量来使之减少。这就要求设计者在设计时应力求使得从 泵进口到叶轮进口这一段流道尽可能地合乎流体运动之流线，以减少这一段流 动的压力损失：而对一台现有的产品泵来说，分析其气蚀性能亦应当从分析其 进口流道的流动损失着手。 ５应用实倒：离心泵的气蚀分析 ５．１对某离心泵经检测后，呈现出两头（大流量与小流量时）大的情况．而 与之对应的杨程却不低 下面对这种现象作些初步的分析，以期获得改进气蚀性能的办法 对离 心泵的气蚀问题作些定性分析表明。该泵的气蚀余量偏大，其原因可以认为 是由于泵吸入口处存在的过大的压力损失所引起的。但该泵在小流量时气蚀 余量大，这与通常检测结果不一样，可能与设计和制造有关。小流量时的气蚀 余量增加，可认为是在小流量时液流入口角增加，使得叶片入口正冲角过大，从 而脱流过大，产生了很大的压力损失；而大流量时气蚀余量增加，更主要的则是 由于流速增加使得损失增加所致。 从设计和制造两方面来看，除去间隙气蚀的原因外，叶片进口安放角偏小， 叶片入口厚度大，叶片表面铸造质量不佳可能是该型号泵气蚀余量大的主要原 因。 ５．２改进措施 （１）可将叶片进口边前移，即在进口边处粘结上一块，使得流体及早接触叶 片获得能量，避免出现低于临界压力的情况发生。 （２）清理叶轮入口流道，尽量使其光滑平坦，提高进口光洁度，减少流动阻 力，降低压力损失。 （３）打磨叶片头部，削尖，以减少进口冲击损失，降低进口冲角的敏感性。 （４）如果间隙气蚀严重，可采用在叶轮上打平衡孔的办法来减少泄漏流速， 以减轻气蚀程度。 参考文献 ［１］ 《水泵技术》． ［２］ 《机械工程与自动化》． 科技博览ｌ １１１