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1、 80 第二章 叶片式泵的性能及结构 第二章 叶片式泵的性能及结构 第一节 泵内汽蚀 汽蚀是水力机械以及一些与液体流动有关的系统和设备（如阀门、管道等水力系统）都 可能发生的一种现象，也是泵向高速化发展一个突出障碍，因此，汽蚀问题的研究是一个涉 及范围十分广泛的重要课题。对泵与风机这门课程而言，什么是泵内汽蚀现象，其对泵运行 的危害有哪些？规律如何以及如何防止泵内汽蚀等则是我们十分关心的重要问题， 下面分别 讨论之。 一、 汽蚀现象及其对泵运行的危害一、 汽蚀现象及其对泵运行的危害 （一）泵内汽蚀现象 泵运转时， 在叶轮进口处叶片头部的某一部位是液流压强最低位置， 当该部位的液体局 部压强下降
2、到等于或低于当时温度下的汽化压强时， 液流经过该处就要发生汽化， 产生汽泡。 汽泡内充满蒸汽以及从液体中析出而扩散到汽泡中的某些活性气体（如氧气） ，当这些汽泡 随液体进入泵内至压强较高的部位时， 在汽泡周围较高压强液流的作用下， 汽泡受到压缩而 迅速变形和溃灭， 产生巨大的属于内向爆炸性质的冷凝冲击。 当汽泡溃灭发生在流道的壁面 处时， 将生成一股微细射流， 它以高速冲击壁面， 在壁面形成局部高压 （达数十至数百兆帕） ， 结果就形成了对金属材料的一次打击。 若上述汽泡不断地发生和溃灭， 就形成了对金属材料 的连续打击，因而金属表面很快因疲劳而被侵蚀。此外，由于侵蚀致使金属保护膜不断被破 坏
3、，在凝结热的助长下，汽泡内从液体中析出的活性气体又对金属产生化学腐蚀，加剧了材 料的破坏。侵蚀和腐蚀联合作用的结果，最终将在流道壁面形成海绵状或蜂窝状的破坏，如 图 2-1 所示。上述的汽泡形成、发展、溃灭，以致使过流壁面遭到破坏的全过程，称为泵内 汽蚀现象。 汽蚀英文为 cavitation，它来源于拉丁文 cavitas，cavitas 是空的意思，故汽蚀现象又称空 蚀现象或空泡现象。 汽泡也称为空泡， 空泡聚集 的空泡团称为汽穴或空穴。 汽蚀的发生及发展， 取决于液流的状态 （温 度、压强）以及液体的物理性质（包括杂质含量 和所溶解的气体， 其中杂质含量主要指不可溶气 体的含量） 。根据
4、观察到的汽泡形态，可以把水力机械中发生的汽蚀归纳为四类：移动汽 蚀，它是指单个瞬态汽泡和小的空穴，在液体中形成，并随液体流动而增长、溃灭时造成的 汽蚀。汽泡量多时形成云雾状。固定汽蚀，它是指附着于绕流体固定边界上的汽穴造成的 汽蚀，也称附着汽蚀。水力机械中起主要作用的就是这种汽蚀。旋涡汽蚀，它是指在液体 图 2-1 汽蚀对泵叶轮的破坏 81 旋涡中心产生的汽泡，旋涡中心处的速度大、压强低，易使液体气化发生汽泡。旋涡汽蚀可 能是移动型的，也可能是固定型的。振动汽蚀，它是指由于液体中连续的高振幅、高频率 的压强波动所形成的汽蚀。固壁振动时，在液体中产生压强脉动，振动达到一定强度时，在 液体和固壁交
5、界处将产生汽泡而引起振动汽蚀。 （二）汽蚀现象对泵运行的危害 1缩短泵的使用寿命 泵的汽蚀损坏是火力发电厂频发性事故之一。 泵的汽蚀部位一般是发生在第一级叶轮的 进口处，或出口、导叶进口等处。汽蚀发生时，由于机械侵蚀和化学腐蚀的共同作用，不可 避免地使泵的过流部件（叶轮、蜗壳等处）变得粗糙多孔，产生显微裂纹，严重时出现蜂窝 状或海绵状的侵蚀， 甚至呈空洞， 因而缩短了泵的使用寿命。 因此， 为了延长泵的使用寿命， 对泵易汽蚀的部位常采用抗汽蚀性能较好的材料。 2产生噪声和振动 在汽蚀发生的过程中，汽泡溃灭的液体微团互相冲击，会产生各种频率范围的噪音，一 般频率为 60025000Hz，也有更高
6、频的超声波。汽蚀严重时，可听到泵内有劈劈啪啪的声 音。汽蚀过程本身是一种反复冲击、凝结的过程，伴随着很大的脉动力。如果这些脉动力的 某一频率与机组的固有频率相等， 就会引起机组的振动， 机组的振动又将促使更多的气泡发 生和溃灭，两者互相激励，最后导致机组的强烈振动，称之为汽蚀共振现象，机组在这种情 况下就应该停止工作。 3 影响泵的运行性能 当泵内液体中含有少量汽泡时，不会影响到外性能的变化，这种“潜伏”性汽蚀往往不 被人们所注意，以致经过一段时间运行才发现部件的汽蚀损坏；当汽泡大量发生时，叶轮流 图 2-2 汽蚀使泵性能曲线下降 （a）离心泵； （b）混流泵； （c）轴流泵 82 道被气泡严
7、重“阻塞” ，汽蚀破坏了泵内液流的连续性，使泵的扬程、功率和效率均会显著 下降，出现“断裂”工况。这种变化还和泵的比转速有关，图 2-2 示出了不同比转速的泵汽 蚀时其性能曲线的变化情况。 图中虚线为汽蚀时泵的性能曲线的偏移变化。 对低比转速的离 心泵来讲，由于叶片数较多，叶片宽度较小，流道窄而长，在发生汽蚀后，大量汽泡很快就 布满流道，造成断流，使泵的扬程、功率、效率均迅速下降，出现“断裂”工况；对高比转 速的轴流泵，由于叶片数少，具有相当宽的流道，当气泡发生后，气泡不可能布满流道，不 会造成断流，故在轴流泵的性能曲线上不会出现断裂工况点，但仍有“潜伏”汽蚀的存在； 对中比转速的混流泵， 由
8、于其结构上介于离心泵和轴流泵两者之间， 因而汽蚀对泵性能的影 响也介于两者之间，在性能曲线上出现比较缓和的“断裂”工况。 二、泵的几何安装高度与允许吸上真空高度二、泵的几何安装高度与允许吸上真空高度 一般卧式离心泵， 泵轴心线距液面的垂直距离称为泵的几何安装高度， 或称几何吸上高 度，用符号 Hg表示，如图 2-3 所示。它是影响泵工作性能的一个重要因素，当增加泵的几 何安装高度时，会在更小的流量下发生汽蚀，如图 2-4 所示。由图可以看出，对某一台水泵 来说， 尽管其全性能可以满足使用要求， 但是， 如果几何安装高度不合适， 由于汽蚀的原因， 会限制流量的增加，从而使性能达不到设计要求。因此
9、，正确地确定泵的几何安装高度是保 证泵不发生汽蚀的重要条件。那么，如何正确地确定泵的几何安装高度呢？ 我们知道， 泵内产生汽蚀的原因是因流道内某一部位的液流压强过低， 而泵内液流压强 最低的部位是在叶轮入口附近。 因此， 在使用泵时常常在泵吸入口安装一个压强指示仪表 （真 空计或压强计） ，以监测水泵的正常运行。吸入口的压强与泵吸入侧管路系统（几何安装高 度，吸入管路中的能头损失）及吸水池液面压强等密切相关，用能量方程不难建立它们之间 的关系。现以图 2-3 为例写出吸水池液面 e-e 及泵入口断面 s-s 之间的能量方程式： sg 2 ss 2 ee g2gg2g hH pp +=+ 式中
10、Hg几何安装高度，m； pe吸水池液面压强，Pa； ps泵吸入口压强，Pa； e吸水池液面处的平均流速，m/s； s泵吸入口前管道 s-s 断面平均流速，m/s； hs吸入管路的能头损失，m； 流体密度，/m3。 通常吸水池液面的流速甚小，可认为e0，则上式可变为： s 2 sse g g2gg h pp H= （2-1） 式（2-1）表明，吸水池液面处液体以一定的速度克服管道阻力上升 Hg到泵吸入口 s-s 断面，是由于液面压强 pe与泵吸入口压强 ps的压强差作功的结果。如果吸水池液面受大气 压 p的作用，即 pe=p，则式（2-1）可写成： 图 2-3 离心泵的几何安装高度 83 gg
11、s ppa g2/ 2 s s 2 ss g g2gg h pp H a = 由上式可以看出，在标准大气压下，由于 1atm=10.33mH2O，所以泵的几何安装高度 Hg 总是小于 10.33mH2O 的。 上式中，等式右边前两项之差 称为吸上真空高度，用符号 Hs表示。于是上式 可改写为： s 2 s sg g2 hHH= （2-2） 可见，泵的几何安装高度与吸上真空高度、 吸入管流速及能头损失有关。通常，如果泵是 在某一定流量下运行，则及hs基本上是定值， 所以泵的几何安装高度 Hg将随 泵的吸上真空高度 Hs的增加而增加。如果吸上真空高度增加至某一最大值 Hsmax时，即泵内 最低压强
12、点接近液体的汽化压强 pV时，则泵内就会开始发生汽蚀。这时，Hsmax称为最大吸 上真空高度，亦称临界吸上真空高度。其值由制造厂用试验方法确定。为了保证泵不发生汽 蚀，把最大吸上真空高度 Hsmax减去一个安全量（通常为 0.3）作为允许吸上真空高度而载入 泵的产品样本中，并用Hs表示，即： Hs=Hsmax0.3 （2-3） 显然，为使泵在运行时不产生汽蚀，依式（2-2） ，则允许几何安装高度可按下式确定。 即： s 2 s sg g2 hHH= （2-4） 在计算Hg中必须注意以下三点： （1）Hs 通常是随流量增加而下降的。用式（2-4）确定Hg时，必须以泵在运行中可 能出现的最大流量所
13、对应的Hs为准。而泵铭牌Hs值则是指最高效率点流量时的Hs值。 表 2-1 不同海拔高度的大气压强 表 2-1 不同海拔高度的大气压强 海拔高度（m） -600 0 100 200 300 400 大气压强 pa（Pa） 11.08104 10.10104 10.00104 9.90104 9.81104 9.61104 海拔高度（m） 500 600 700 800 900 1000 大气压强 pa（Pa） 9.51104 9.41104 9.32104 9.21104 9.11104 9.02104 海拔高度（m） 1500 2000 3000 4000 5000 大气压强 pa（Pa）
14、8.4104 7.94104 7.06104 6.18104 5.39104 （2）在泵样本或说明书中所给出的Hs值，是由制造厂在标准条件（大气压为 10.13 图 2-4 ns=70的单级离心泵发生 汽蚀的性能曲线 84 104Pa，温度为 20的清水）下试验得出的。当泵的使用条件与上述条件不符时，应对样本 的Hs值按下式进行修正。 ()24.033.10 g ss += Va pp HH （2-5） 式中 p泵使用地点的大气压强，Pa； pV泵所输送液体温度下的汽化压强，Pa； 泵所输送液体的密度，/m 3。 不同海拨高度下的大气压强值和不 同水温时的汽化压强（即饱和蒸汽压强） 值如表 2
15、-1 和附录所示。 （3）立式离心泵的几何安装高度 Hg 是指第一级工作叶轮进口边的中心线至 吸水池液面的垂直距离，如图 2-5（a）所 示；大型水泵的几何安装高度 Hg值，应 以吸水池液面至叶轮入口边最高点距离 来计算，如图 2-5（b） 、 （c）所示。 【例例 2-1】 在海拔 500m 某地安装一 台水泵，其输水量 qV=135L/s，输送水温 t =30，该泵样本上提供的允许吸上真空高度 Hs=5.5m。吸水管径 d=250mm，吸水管长 l=9m，该水管上有一个 90弯头，并装有一个 蝶阀，设吸入管路总损失hs=0.878m。求Hg应为多少？ 【解解】 由表 2-1 查得海拔 500m 力时大气压强 p=9.51104Pa，由附录查得水温为 t =30时的饱和蒸汽压强 pV=4246.0Pa。查表得 30水的密度=995.6 /m3。由式（2-5） 得修正后的吸上真空高度为： ()24. 033.10 g ss += Va pp HH ()m(67. 424. 033.10 806. 96 .995 0 .42461051. 9 5 . 5 4 = += 又因为： ) s/m(752. 2 . 2 25. 014. 3 10
