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1、2009.4 CHINA EQUIPMENT102T科技纵横ECHNOLOGY浅谈水泵的汽蚀现象及防治措施文/汤立宏【摘 要】 针对水泵的汽蚀问题， 通过 分析了水泵汽蚀现象的产生原因、汽蚀 对水泵性能的影响、 汽蚀的类型、 及水泵 汽蚀现象的危害,提出了防止和减轻汽蚀 的几点意见， 并运用于实践， 取得了一定 的效果。 Abstract:Inviewofwater pump cavi- tation problem,through the analysis of pump cavitation phenomenon causes cavi- tation performance of pum
2、ps, the type of cavitation, and pump cavitation phenom- enon was proposed to prevent and mitigate cavitation several point of view and ap- plied to practice, and achieved certain re- sults. 【关键词】 水泵汽蚀、 汽蚀类型、 减轻 和防治汽蚀的措施 Keywords: pump cavitation, cavita- tion type, mitigation and prevention meas- ur
3、es Cavitation 水泵是把原动机的机械能转换成抽送液 体能量的机器。 用来增加液体的位能、 压能、 动能。原动机通过轴带动叶轮旋转， 对液体 作功，使其能量增加，从而使需要数量的液 体， 由吸水也经水泵的过流部件输送到要求 的高处或要求压力的地方。 衡量泵性能的主 要因素有流量Q、 扬程 （H） 、 转速 （n） 、 汽蚀余 量 （NPSH） 及功率 （W） 和效率 （ ） ， 而水泵的 汽蚀问题一直没有得到很好的解决， 下面就 对水泵的汽蚀现象及防治措施进行研讨。 1.汽蚀及水泵汽蚀现象 液体在一定温度下， 降低压力至该温度 下的汽化压力时， 液体便产生汽泡。把这种 产生气泡的现象
4、称为汽蚀。 汽蚀时产生的气 泡， 流动到高压处时， 其体积减小以致破灭。 这种由于压力上升气泡消失在液体中的现象 称为汽蚀溃灭。 水泵在运转中， 若其过流部分的局部区 域 （通常是叶轮叶片进口稍后的某处） 因为某 种原因， 抽送液体的绝对压力降低到当时温 度下的液体汽化压力时， 液体便在该处开始 汽化， 产生大量蒸汽， 形成气泡， 当含有大量 气泡的液体向前经叶轮内的高压区时， 气泡 周围的高压液体致使气泡急剧地缩小以至破 裂。在气泡凝结破裂的同时， 液体质点以很 高的速度填充空穴， 在此瞬间产生很强烈的 水击作用， 并以很高的冲击频率打击金属表 面冲击应力可达几百至几千个大气压， 冲击 频率
5、可达每秒几万次， 水泵壁面在冲击力反 复作用下，起初是出现麻点，继而变成蜂窝 状。严重时壁面会在短期内被击空。 在水泵中产生气泡和气泡破裂使过流部件遭受到破坏的过程就是水泵中的汽蚀过 程。 水泵产生汽蚀后除了对过流部件会产生 破坏作用以外， 还会产生噪声和振动， 并导致 泵的性能下降， 扬程、 效率下降， 严重时会使 泵中液体中断， 不能正常工作。 2.汽蚀对水泵性能的影响 汽蚀现象对不同种类的水泵有不同的影 响特点。 2.1对低比转速的离心泵 低比转速的离心泵， 由于其叶槽流道狭 长， 宽度较小， 气泡迅速占据槽道面积， 甚至 占据全部槽道， 使水流的连续性遭到破坏， 引 起水流的阻断， 水
6、泵的QH曲线急剧下降， 造成水泵的效率随着降低， 见图1(a)。 2.2对中、 高比转速的水泵 对于中、 高比转速的离心泵和混流泵， 由 于叶槽较宽， 气泡占据叶槽断面的某一部分， 因此出现QH曲线较平坦的下降， 效率的 下降也较为缓慢， 见图1(b)。 2.3对高比转速的轴流泵 由于轴流泵的叶片流道宽阔， 汽蚀区不 易侵入整个叶槽， 因此Q-H曲线几乎均匀下 降， 而且缓慢， 无明显断裂现象， 见图1(c)。3.水泵汽蚀类型 汽蚀一般可分为下列几种类型： 3.1叶型汽蚀 这是水泵普遍具有的汽蚀现象。是发 生在叶片表面的汽蚀， 汽蚀破坏区在水泵叶 轮的叶片表面上， 在正面和背面， 称为叶面 型
7、汽蚀， 见图2。 主要是因为水泵安装过高， 或流量偏离设计流量过大时产生的汽蚀现 象。其空泡形成和溃灭多发生在叶片的正 面和背面或前轮盘内表面处以及叶片的根 部。离心泵在大流量时， 叶面型汽蚀发生在 1、4、3几个部位， 小流量时， 发生在2、4、1几 个部位。轴流泵在大流量时叶面型汽蚀发 生在叶片的正面， 小流量时发生在叶片的背 面。 3.2间隙汽蚀 当水泵在低负荷运行时， 当水流流经离 心泵的回流槽等缝隙时， 水流通过突然变窄 的间隙， 速度增加而压强下降， 也会产生汽 蚀。轴流泵的叶片外缘与泵壳之间很小的 间隙内， 在叶片正、 背两侧很大的压强差作 用下， 引起极大的回流速度， 造成局部
8、压降， 引起间隙汽蚀。在泵壳对应叶片外缘部位 形成一圈蜂窝麻面汽蚀带。在离心泵的减 漏环与叶轮外缘间隙处，亦会引起间隙汽 蚀。 3.3旋涡汽蚀 涡带汽蚀是由于进水建筑物、 进水构筑 物设计不当， 造成了水泵进口处水流的紊乱 和漩涡， 产生了涡带， 把大量的气体周期性 地带入水泵内。即使在水泵叶片本身不产 生叶面汽蚀的情况下， 由于涡带的产生也会 在叶片低压区产生周期性的强度很大的叶 面汽蚀。当漩涡的旋转方向与水泵的旋转 方向相同时， 使相对运动削弱， 流量减小、 扬 程降低、 效率下降、 功率增加 （轴流泵） 或减 少 （离心泵） ， 引起超载 （轴流泵） 或欠载 （离 心泵） ；当漩涡的旋转
9、方向与水泵的旋转方 向相反时， 使相对运动加强， 流量增加、 扬程 增高、 效率下降、 离心泵的功率增加或轴流 泵的功率减少，引起超载（离心泵）或欠载 （轴流泵） 。 当水泵产生汽蚀时， 破坏叶轮， 使水泵 效率降低和出力不稳。因此在运行时应尽 量设法消除汽蚀。 4.水泵汽蚀的危害 4.1水泵的工作性能恶化 当气泡受高压水流挤压， 冲向气泡中心 时， 由于很强的冲击碰撞， 产生剧烈的水锤。 根据试验资料分析： 发生水锤的频率很高， 每 分钟可达几万次， 瞬时局部压力可达几十兆 帕，甚至达几百兆帕，使水泵的工作性能恶 化。 4.2水泵局部发生破坏 由于水锤的打击作用， 使部件的表面形 成塑性的变
10、形和硬化， 产生金属疲劳现象。 材料性质变脆， 产生剥蚀和裂纹。经常作用 而形成麻点， 进而形成裂隙， 直到水泵的叶轮 或泵壳被蚀坏， 甚至形成断裂现象。由于水 流在槽道中高速运动， 材料表面有微凸和微 凹的颗粒与麻点，在水中相对运动，则形成 “微活塞运动” ， 这样在高压区也产生负压和 高压， 不断地交替变化， 造成水泵叶片正面全Q-HQ-QH-Q-HQ-QH-Q-HQ-QH-O（a）离心泵（b）混流泵（C）轴流泵图1不同比转速受汽蚀影响性能曲线下降形式4汽烛指示部位 2135T科技纵横ECHNOLOGY2009.4 CHINA EQUIPMENT103（a） 双吸泵叶片（b） 轴流泵叶片图
11、 3面汽蚀破坏。有的泵站经常发生这种现象， 不得不经常换掉水泵的叶轮。有资料表明， 在汽蚀过程中还有 “电蚀” 现象。 水中含泥沙 较多时， 还伴随着磨蚀的可能。 4.3发生振动和噪音 水流质点互相碰撞和挤压， 会产生剧烈 的振动， 造成机组零部件的破坏， 甚至波及建 筑物的安全。发生汽蚀时， 有时产生啸叫的 噪音， 危及泵站中运行操作人员的健康。 4.4严重时水泵不能抽水 水泵的安装高程过高， 严重时甚至吸不 上水来， 使泵站不能正常工作。汽蚀破坏的 叶片， 见图3。 5.常见原因 5.1水泵安装高程过高； 5.2进水条件较差； 5.3水泵偏离设计工况运行； 5.4安装地点海拔高程过高； 5
12、.5水泵过流部件材料抗汽蚀能力较差； 5.6泵本身汽蚀性能较差。6.水泵汽蚀基本关系式 水泵发生汽蚀的条件是由泵本身和吸入 装置两方面决定的。因此， 研究汽蚀发生的 条件，应从水泵本身和 吸入装置双方来考 虑。 6.1水泵汽蚀的基本关系式为 NPSHcNPSHrNPSHNPSHa NPSHa=NPSHrNPSHc-水泵开始汽蚀 NPSHaNPSHaNPSHrNPSHc-水泵无 汽蚀 式中NPSHa-装置汽蚀余量又叫有效 汽蚀余量， 越大越不易汽蚀； NPSHr-水泵汽蚀余量， 又叫必需的汽 蚀余量或泵进口动压降， 越小抗汽蚀性能越 好； NPSHc-临界汽蚀余量， 是指对应泵性 能下降一定值的
13、汽蚀余量； NPSH-许用汽蚀余量， 是确定泵使用 条件用的汽蚀余量， 通常取NPSH=（1.1 1.5）NPSHc。 6.2泵汽蚀余量 （NPSHr） 的方程式 NPSHr= + 式中-叶片进口稍前的绝对速度； -叶片进口稍前的相对速度 -叶片进口压降系数值和叶片进口前后的速度比值有关， 也 就是说与泵进口的几何形状 （叶片数、 冲角、 叶片厚度及分布） 有关。 值越小， 泵进口压 力降小， 越不容易发生汽蚀。 6.3装置汽蚀余量 （NPSHa） 的方程式 NPSHa=Ps/ g +Vs/2g-Pc/ g 式中Ps/ g-换算到基准面上的泵进口 压力水头 （m） ， 即是根据具体情况， 将在
14、泵进 口测得的压力水头加 （当基准面在泵进口中 心线下面时） 或减去 （基准准面在泵进口中心 线上面时） 进口中心线到基准面的垂直距离。 Vs/2g-测量压力Ps断面的液体平均速 度 （m） ； Pc/ g-抽送液体温度下的汽化压力水 头 （m） ； NPSHa-装置汽蚀余量（m） ，其值以换 算到基准面上的数值表示； 可看出， 汽蚀余量与基准面高度有很一 定的关系， 一般取NPSH=（1.11.5） NPSHc。对于一些重要装置， 或经常在大流 量下运行，应取较大的余量。当NPSHa NPSHr， 就可以有效防止发生汽蚀的产生。 7.减轻和防治汽蚀的措施 水泵的汽蚀是由水泵本身的汽蚀性能和
15、抽水装置的使用条件来决定的。 水泵运行过 程中， 一定程度的汽蚀往往总是发生， 问题在 于如何减轻和防治汽蚀？措施如下： 7.1正确地确定水泵安装高程： 在设计泵 站时， 要使装置汽蚀余量大于水泵的允许汽 蚀余量， 或者水泵进口处的吸上真空度小于 水泵的允许吸上真空度。同时， 应充分考虑 抽水装置可能遇到的各种工作情况， 以便正 确地确定安装高程。 7.2要有良好的进水条件： 进水建筑物内 的水流要平稳、 均匀， 不产生漩涡。 大中型泵 站的进水流道要设计得合理， 进入叶轮的水 流速度和压强要接近正常分布， 避免产生局 部低压区。 7.3尽量减少进水管路水头损失： 在设计 泵站时， 应尽量缩短
16、进水管路的长度， 减少管 路的附件， 管道内壁应光滑和适当加大进水 管的直径。 7.4提高汽蚀区的压强：在水泵进水管 内， 注入少量水或空气， 可以缓和汽泡破灭时 的冲击， 并减小汽蚀区的真空度。但注入量 必须控制， 否则反而会使水泵工作性能变坏。 将出水管的高压水引入泵的进口， 可以提高 叶轮进口的压强， 从而提高泵的抗汽蚀性能。 但减小了水泵的出水量， 降低了水泵的效率。 7.5降低工作水温： 夏季气温较高， 可掺 井水混合或在引水渠、 进水建筑物处加遮热 晒措施， 以减轻汽蚀现象的危害程度。 7.6提高泵本身的抗汽蚀性能，泵设计 时， 要充分考虑叶轮设计的合理性。要充分 考虑叶轮进口直径、 叶片进口宽度、 叶轮盖板 进口部分曲率半径、 叶片进口边的位置和叶 片进口部分的形状、 叶片进口冲角、 叶片进口 厚度、 平衡孔、 光洁度等对水泵抗汽蚀能力的 影响。7.7涂环氧树脂： 在发生汽蚀的部位涂一 层环氧树脂， 可以提高叶轮表面的抗汽蚀性 能， 减轻叶轮表面被汽蚀破坏的程度。对于 在苛刻条件下运行的泵，使用耐汽蚀材料
