离心泵发生汽蚀的原因
分析
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及防止措施 离心泵发生汽蚀的原因分析及提高其抗汽蚀性能的措施 （兰州理工大学石油化工学院 李超 张萍 马叔霞） 摘要：离心泵属于低比转数的叶片泵，叶片泵应用在国民经济的各个领域。低比转数的叶片泵的特点是扬程高，流量小，而且容易发生汽蚀。离心泵发生汽蚀时，叶轮会遭受汽蚀破坏，影响离心泵性能并妨碍其正常运行。本文结合装置图和能量关系图介绍了与汽蚀相关的两个主要概念，装置汽蚀余量（NPSHa）和必需汽蚀余量（NPSHr）。对应于吸上装置和倒灌装置，分别给出了装置汽蚀余量的计算方法，指出了装置汽蚀余量应留有安全余量S。最后提出了实际生产中防止汽蚀的措施。 关键词：离心泵；汽蚀；原因；防止 中图分类号：TH3 Centrifugal Pump Cavitation and Progress toImprove the Cavitation Perfomance of Centrifugal Punp (Li Chao , Zhang Ping, Ma Shu Xia) （Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050,China） Abstract：Centrifugal pump is the important chemical engineering equipment.The problem of its cavitation is met frequently.thispaper introdnced the concept of the NPSHa and NPSHr,and the calcutating method of the NPSHa.To avoid the caviation,some methods were suggested,such as installing the pump at low level,reducing the flow resistance,and adding an increasing pressure pump. Keywords: centrifugal pump; cavitation; reason;prevention 图1能量关系图（各压力为绝对压力） 1、离心泵的汽蚀及危害 离心泵在农业、化工生产装置中有着广泛的应用，对于整个装置系统的正常运行起着关重要的作用，给生产装置提供了足够的动力。任何一台离心泵为了维护在系统中的正常运行，都有两个基本要求：第一，出口压力满足系统要求的静扬程和克服输送液体达到这一静扬程在系统中的阻力。任何一台叶片泵只要有足够的尺寸和转速，都能满足出口压力的要求，但是它却受到第二个要求的限制。第二个要求是吸入性能的要求，即空化性能的要求或者说要求在吸入侧有足够的能量余裕，以产生压力梯度把液体吸入离心泵。 在吸入侧产生的压力梯度要求叶轮叶片进口也产生负压，而且流量愈大负压量愈高，叶片泵吸入侧产生的负压受被抽送液体的饱和蒸汽压的限制，因为离心泵流道中液体流速的任意一点达到汽化压力时，将产生局部汽化并形成汽泡。汽泡被液体带到高压区又将重新凝结或汽泡破裂或者一些汽泡重新被液体吸收。这个过程要引起水力损失和其他复杂的水力现象，同时伴随着强烈的压力波动，流动颤抖或冲击，也伴随着噪声，这种现象称为汽蚀由于这种现象可能会使系统产生故障或对系统造成严重的破坏，在离心泵应用中避免的。汽蚀现象将产生影响离心泵的扬程和效率的能量损失，若继续发展，汽泡在金属表面附近频繁地破裂，产生局部高压冲击，会引起金属表面局部弹性疲劳而脆化，因而快速剥蚀破坏。这种称为汽蚀的水力现象是一种复杂的热力学和动力学的过程，这种现象也时所有水力机械最重要的限制条件之一。 因此，如何提高离心泵的抗汽蚀性能在
设计
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中显得十分重要，在安装过程中要尽量减小影响增加汽蚀的因素。 2 理论和计算 1.1 装置汽蚀余量和必须汽蚀余量 1.1.1 装置汽蚀余量NPSHa是由泵装置系统（以液体在额定流量和正常输送温度下为准）确定的汽蚀余量，也称为有效汽蚀余量（以米液柱计），其大小由吸液管道系统的参数和管道中介质流量所决定，与泵的结构无关。 1.1.2 必需汽蚀余量NPSHr是由泵厂根据试验（通常用20°C的清水在额定流量下测定）确定的汽蚀余量（以米液柱计），由泵的结构决定。 1.2 基准面定位原则 比较装置汽蚀余量NPSHa和必需汽蚀余量NPSHr时，必须注意基准面应该一致。基准面按以下两种原则取定位置： 1.2.1 ISO
标准
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、GB标准规定：基准面为通过叶轮叶片进口边的外端所描绘的圆中心的水平面。 1.2.2 API标准规定：对卧式泵，其基准面是泵轴中心线；对立式管道泵，其基准面是泵吸入口中心线；对其他立式泵，其基准面是基础的顶面。 1.3 装置汽蚀余量和安装高度的计算 装置汽蚀余量（有效汽蚀余量，可用汽蚀余量、有效净正吸头）NPSHa(m)。 设水泵吸入口为断面0-0，该处压力Ps可用真空表测定（倒灌装置用压力表测定Pd1），泵内压力最低的点在1-1断面，只要泵内压力最低点不发生汽蚀该装置就不会发生汽蚀。即当p1> P 时，该装置就不会发生汽蚀 。p1=P 是发生汽蚀的临界状态。p1〈P 时水泵发生汽蚀。由于P1很难测定，所以引入了NPSHa。 图2 吸上装置 图3 倒灌装置 对吸上装置：NPSHa= -H -h- (1) Ps= -H -h (2) 对倒灌装：NPSHa= -H +h- (3) Ps= -H +h ( 4) 所以安装高度h(m) h= -H - - NPSHa (5) h为正值表示吸上，h为负值表示倒灌。 各符号的含义： 设排出液面压力等于吸入液面压力 P —液面压力（绝对压力），Pa Ps—泵吸入口压力（绝对压力），Pa Pd—泵排出口压力（绝对压力），Pa H --吸入管道阻力损失，Pa --液体密度，kg/m g—重力加速度，9.81m/s P --液体在该温度下的汽化压力，Pa 而NPSHr为P1= P 时工质在标况下所对应的NPSHa ，该计算中假设工质处于标况。当p1> P 时，NPSHa>NPSHr，水泵不发生汽蚀。当p1< P 时，NPSHa
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，在设计过程中应与考虑，因此为了使离心泵安全，高效地运行，避免汽蚀现象发生，降低泵汽蚀余量NPSHr就变得尤为重要。 泵汽蚀余量的基本公式 令P1= P ，则NPSHa=NPSHr，由能量关系图得：NPSHr=（P - P ）/ +C /2g （6） 由能量守恒方程得： （7） P / + C /2g=P1/ +C /2g+H 联立（6）（7）得： NPSHr=（ P1- P ）/ + C /2g+H = C /2g+H （8） H 为水泵吸入口到水泵进口的损失。 早期研究认为改善水泵的吸入性能在于扩大叶轮进口直径D ，从而增大进口过流面积和减小速度C 或C ，因此减小NPSHr。实际上这只能是部分正确的，压力降更决定于叶片进口相对速度。由文献[2] NPSHr= C /2g+ w /2g （9） 式中：C —为叶片进口稍前的绝对速度； w —叶片进口稍前的相对速度； g—重力加速度； 为
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损失系数，可通过广泛的试验统计求得。叶片进口的形状和表面光洁平滑程度对w 和 有明显的影响。 由上述关系可以得到如下推论 （1） 若离心泵Q和n为常数，且叶片形状相同，NPSHr值将主要决定于叶轮进口直径D ，因此相对于最小的NPSHr可求得最优的D 值，大于或小于最优的D 的叶轮，将引起NPSHr增大。 （2） 单纯的最优D 值并不能确保NPSHr最小，应同时要求有合适的叶片形状和表面粗糙度。为了确保不发生汽蚀，离心泵的NPSHa必须有一个安全裕量S，一般的离心泵，S=0.6-1.0m,对一些特殊用途的离心泵根据具体情况适当放大一些。 3防止产生汽蚀的方法 泵在运转中发生汽蚀与否是由泵本身的汽蚀性能和吸入装置的特性共同决定的。泵本身是主要因素，所以解决泵汽蚀问题的根本措施是提高泵本身的抗汽蚀性能。合理地选用吸入装置也有助于预防泵汽蚀。可以采取以下几个办法来提高泵的抗汽蚀性能。 3.1选择合适的几何参数。 1）增大叶轮进口有效面积，降低C 值，提高泵的抗汽蚀性能。 2）适当地增大叶片进口宽度b 增大叶片进口处的过流面积，从而降低C 提高泵的抗汽蚀性能。 3）合理确定叶轮前盖板的形状，减小前盖板的曲率，即增大曲率半径 r，减弱转弯处离心力的影响，且使流速均匀。 4）合理确定叶片进口边的位置和叶片进口部分形状。即叶片进口边适当向吸入方向延伸，增加叶片面积，使叶片工作面和背面的压力趋于均匀，叶片进口部分制作成扭曲形，尽量符合流动形态，减少冲击。 5）合理地确定叶片进口安装角和冲角，尽量减少进口排挤，使进口液流顺畅。 6）减少叶片进口边的厚度，理论上讲进口边越薄越好，越接近流线型，泵的抗汽蚀性能越好。 3.2提高装置汽蚀余量 减小吸入管道的阻力H ，如使吸入管道尽量短而直，加大管径，减少管道附件、低阀、弯管、闸阀等，由能量关系图1和公式（5）看出这样会达到提高装置汽蚀余量NPSHa的目的。 3.3尽量降低水泵的安装高度（提高吸液面位置或降低泵的安装位置）。必要时采用倒灌方式。 3.4采用双吸式进口和降低泵的转速，能降低泵进口速度。 3.5 可采用通过增加升压泵、增加储槽气相压力 、 降低流体的温度，即减少汽化压力水头等方法来达到目的。 对于设计者和制造者应综合考虑以上因素，并且要根据具体的的实际情况恰当的选择。而对于使用者主要采用3.2和3.3的方法来增强水泵装置系统的抗汽蚀性能。 4结论 综上所述，改善和提高离心泵汽蚀性能的方法有很多种，但通常情况下不能与基于经验的传统方法同时采用。在叶轮设计和水泵安装中，应根据具体的实际情况恰当的选择。同时，也要考虑离心泵的不同性能特点，使之符合工作环境条件的要求，让其在高效点可靠工作。这样，就可以从根本上改善离心泵的汽蚀性能。 参考文献 [1] 郑梦海。泵测实用技术[M].机械工业出版社，2006.6 [2] 李世煌。叶片泵的非设计工况及其优化设计[M].机械工业出版社，2005.8。 [3] 姜乃昌.。水泵及泵站[M]。陈锦章。北京：中国建筑工业出版社，1980 [4] 蔡彬。提高离心泵抗汽蚀性能的措施[J]。农机化研究，2006，（6）：91-93
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