浅谈泵汽蚀余量

浅谈泵的汽蚀余量

邱 东

（辽宁石油化工大学石油天然气工程学院）

摘 要：阐述了泵汽蚀余量和装置汽蚀余的概念、物理意义及区别，简要地分析了泵汽蚀余的确定方法。对临界汽蚀余量和允许汽蚀余量的确定中存在的问题进行了初步探讨，并对汽蚀余量和吸上真空度的转换进行了简要说明。

关键词：泵汽蚀余量, 有效汽蚀余量，临界状态，汽蚀实验，真空度

A superficial discussion on NPSHr

Qiu Dong

Abstract : In this paper, the concept, physical meaning and distinction of NPSHr and NPSHa are described, the method of NPSHr determination are analyzed. Critical cavitations margin and allow the determination of NPSH problems were discussed, and the relationship between suction vacuum and NPSHr is given.

Keywords: NPSH r , NPSHa , critical state, cavitations test, vacuum

1 导言

泵汽蚀余量是表征水泵汽蚀性能的重要参数之一, 并据此计算水泵装置几何吸上高度和确定水泵安装高程, 在生产实践上具有重要意义。因此, 在水泵设计、制造、试验、安装和运行各个阶段, 都应该对泵的汽蚀余量予以特别的重视。但是, 目前国内对水泵的汽蚀试验方法、临定汽蚀余量的制定、汽蚀安全余量的取值等问题存在一定的混乱状况, 对此进行深入研究和探讨十分必要。

2 泵汽蚀余量和装置汽蚀余量的概念、物理意义及区别

根据图（1）, 以通过泵轴线的平面为基准面, 分别列出泵进口与叶片进口两断面的绝对运动能量方程以及叶片进口与叶片背面压力最低点点的相对运动能量方程。当点的绝对压力下降到等于水泵工作温度下液体的汽化压力时, 水泵开始发生汽蚀, 临界状态下的水泵汽蚀方程式为：

2P s v s 2P v v 0w 12 (1) +-=λ1+λ2ρg 2g ρg 2g 2g

式中, P s 、v s 为泵进口断面至基淮面上的绝对

压力和平均流速, v 0和w 1为叶轮进口断面上的

绝对平均速度和相对速度, λ1、λ2为与泵吸入

室和叶轮构造有关的系数, P v 为泵内液体工

作温度下的饱和蒸汽压。

装置汽蚀余量用△h a 表示, 是指(1)

式的左边部分, 它仅与泵进口的参数有关,

而与泵本身的结构和参数无直接关系。一旦

泵的吸入装置条件确定, 即装置吸入液面绝

对压力P a 、几何吸上高度H 吸、吸入管路水头图1 临界状态下△h a 与△h r

损失h 吸以及流量和温度等条件确定后, △h a 就是一个定值，并可通过式（2）计算：

2P s v s 2P v P P A v A ∆h a =+-=+-H 吸-h 吸-v （2） ρg 2g ρg ρg 2g ρg

（2）式中第二个等号后第一项表示吸入液面上的压力能头；第二项为吸入液面上的速度能头，但通常吸入液面截面很大以至于速度约为零，故常将此项忽略不计；第三项为泵的几何安装高度，即泵吸入口轴线与吸入液面间的位能差；第三项为吸入管路的摩阻损失；第四项为工作温度下液体的蒸汽压能头。通过上述说明可直观地从中看出△h a 的物理含义：即吸入液面上的总能头（包括压力能头、速度能头和位能）在克服吸入管路中流动损h 吸并把液体提高到H 吸高度后所剩余的高出工作温度下液体汽化

压力的有效能头。可以将其理解为泵汽

蚀余量的克星，正因为它的存在有效地

抵消了液体从泵吸入口到叶轮截面压力

最低点间的压降，使液体流到压力最低

点处时具有的压力能头仍能高于液体汽

化压力，只有该能头大于零时泵才不会

发生汽蚀；等于零时即为临界状态；小

于零时发生汽蚀。

泵汽蚀余量用△h r 表示, 是指(1)式

的右边部分。只有临界状态时, 才有关

系式△h a =△h r 成立, △h r 表示了从泵进图2 泵和装置汽蚀余量特性曲线

口到叶片背面最低压力点之间液体流动过程中的压力降, 可理解为保证泵不发生汽蚀、在泵进

口处单位重量液体所必具有的超过工作温度下液体汽化压力的富余能头，它是泵在运行过程中不可避免也是客观存在的物理量。影响泵汽蚀余量的因素很多，系数λ1与泵吸入室结构及叶轮进口断面上绝对速度v 1和v 0 的比值有关, 而λ2则与叶轮几何形状、叶片数、叶片冲角、叶片厚度等叶片进口部分的几何参数有关, 并且还与叶片进口相对速度w 1和叶片最低压力点处相对速度w K 的比值有关。另外, 泵吸入口到叶轮人口的过流面积逐渐收缩的程度、水流方向的改变以及绕流叶片头部引起的水流速度和方向的急剧变化, 也对泵汽蚀余量有较大影响。对于给定的泵和泵装置来说, 在一定的转速、流量和温度下, 装置汽蚀余量和泵汽蚀余量都是个定值。△h a 和△h r 随流量变化的关系曲线见图2，△h a 随泵流量的增加而减小，△h r 则随流量的增加而增大。泵在运行时是否发生汽蚀是由外部条件、吸人装置和泵本身特性等因素共同决定的。当装置汽蚀余量大于泵汽蚀余量时, 泵进口液体的富余能量大于泵所必需的动压降, 即使△h r 很大, 泵也不会发生汽蚀。但是，如果泵汽蚀余量△h r 较小, 泵装置提供较小的△h a 就能满足泵不发生汽蚀的要求，这对于提高泵安装高程，减少土建工程量，节省泵站投是非常有利的。

3 泵汽蚀余量的确定

汽蚀试验是目前确定泵汽蚀余量的较可靠的方法。在临界状态下, 泵开始发生汽蚀时, 有△h r =△h a 成立, 因而可通过改变泵吸水装置条件, 通过装置汽蚀余量间接地求出泵汽蚀余量。水泵汽蚀试验可分二大类, 一是原型泵汽蚀试验, 二是模型泵汽蚀试验。原型泵汽蚀试验时, 重点在于验证汽蚀特性, 通常采用的减小装置汽蚀余量的方法有：（1）降低泵装置进水水位, 以此增加几何吸上高度H 吸；（2）关小进水闸阀, 以此增大进水管路水头损失h 吸。模型泵汽蚀试验的目的在于准确地测定汽蚀性能, 采用的促使泵发生汽蚀的方法通常是在密闭容器中抽真空, 以此减小泵进水液面上的压力。

4 临界汽蚀余量和允许汽蚀余

量讨论

现行的泵试验标准是针对小型原型泵

试验而制定的, 临界汽蚀余量的选取原则

是保证扬程而不计其效率。根据不同的泵型，

把泵的扬程与无汽蚀时的扬程相比较（多级

泵以第一级叶轮产生的扬程为准），取不同

的扬程下降百分点, 对应于图中性能曲线

上扬程下降百分点的汽蚀余量即定义为泵

临界汽蚀余量。国外有专家建议用零扬程下图3 临界汽蚀余量与允许汽蚀余量的确定

降点作为汽蚀临界点， 其理由是, 这样做无需考虑试验泵的型式和叶轮级数，并且对应于零

扬程下降点，泵性能尚未下降, 相似理论的前提条件没有改变, 只要两台泵几何相似和工况相似, 就能利用泵汽蚀相似定律, 准确地进行泵汽蚀余量的换算。

事实上, 对应于临界汽蚀余量, 泵内已开始发生汽蚀, 甚至已发展得相当严重。特别对于大泵叶片, 由于受目前制造工艺水平的限制而达不到设计线型的要求, 使得大泵原型较模型汽蚀性能变坏。现在, 年运行小数很高的大型水泵应用很多, 且不同类型泵在发生汽蚀时的外特性形式差别甚大。有的泵当扬程下降规定百分点时, 其效率值已下降以上。因此为保证机组正常运行, 不致出现严重的振动和噪音, 在泵临界汽蚀余量的基础上, 考虑一个安全余量K, 这就是所谓允许汽蚀余量, 用[△h ] 表:

[△h ]= △h r +K (3)

如图(3)中实线[△h ]—Q 曲线所示。根据多年的运行实践经验, K 是完全必要的, 但K 的取值范围尚未统一, 国内取K =0.3~0.5m 。国外有资料推荐用公式:

[△h ]=ψ•△h r (4) 计算允许汽蚀余量, ψ=1.1~1.3。对应于△h r =5m, 相当于0.5~1.5m, 与我国现行采用0.3~0.5相差甚远。因此[△h ]大并不代表汽蚀性能差, 要从汽蚀试验方法、临界汽蚀余量的确定和安 全余量取值上进行研究，若单纯地比较两台泵[△h ]大小，是不充分、不科学的。

5 泵允许汽蚀余量和允许吸上真空度的转换

在泵类产品样本和泵性能曲线中, 有给出泵允许汽蚀余量[△h ]的, 也有给出允许吸上真空高度[H s ]的。实际上, 允许吸上真空高度是指泵进口处的允许真空程度, 其值以换算到泵基准面上的液柱高度来表示。吸上真空度可通过式（5）求得：

H s =P a P s （5） -ρg ρg

式中P a 表示当地大气压力，P s 为泵入口处绝对压力，通常情况下可通过真空表读数获得。它在一定程度上反映了吸入液面上的大气压力能头与泵吸入口处的压力能头的差值。当吸入液面与大气相连通时将（5）式代入（2）式左侧得：

P a v s 2P s P v H s =+---∆h a （6） ρg 2g ρg ρg

通过（6）式可方便直观地了解H s 与△h a 的相互转换关系。利用临界状态下△h r =△h a 的关系可求得汽蚀临界状态下的最大吸上真空度：

H s max P a v s 2P s P =+--v -∆h r （7） ρg 2g ρg ρg

同样为保证安全运行泵的允许吸上真空度：

[H s ]=H s max -K （8）

为分析影响其因素，将（5）式代入（2）式右侧得：

2P a P A v s 2v A H s =(-) +(-) +H 吸+h 吸 （9） ρg ρg 2g 2g

（9）式中第一个括号中表示当地大气压力与吸入液面上的压力能头差值，第二括号中表示泵入口处于吸入液面上速度头差值，第三项表示泵入口与吸入液面间位能差值，最后项表示吸入管路摩阻损失；从中不难理解吸上真空度表示了当地大气压力能头在减去消耗在转化成速度头、位能、摩阻产生的热量的压头后在泵入口处所产生的真空程度。可通过加大吸液面上的压力、减小作业流量、降低安装高度、增大吸入管径来有效避免汽蚀的产生。

由于允许汽蚀余量和允许吸上真空高度两个概念易混淆, 加上允许吸上真空高度中有进口速度头计算, 以及标准状况和现场测试应用等非标准状况下换算麻烦等问题, 允许吸上真空高度不宜作为汽蚀参数。建议在泵标准和泵样本中统一规定, 一律给出泵允许汽蚀余量[△h ]和[△h ]—Q 曲线, 从而方便计算和使用，利于汽蚀参数标准化。

参考文献

[1]湖北省水利勘测设计院主编. 大型电力排灌站. 北京：水利电力出版社, 1984.12

[2]沈阳水泵研究所等. 叶片泵设计手册. 北京机械工业出版社, 1983

[3]关醒凡. 泵的理论与设计. 机械工业出版社, 1987

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[5]望度河河口泵站设备国际招标文件(内部资料),1994.7

[6]钱锡俊，陈弘. 《泵和压缩机》. 中国石油大学出版社. 2007.3