循环水泵叶轮气蚀机理分析与应对循环水泵是供水系统中的主要设备之一，主要用来向凝汽器供给冷却水，将汽轮机排出的乏汽冷却凝结，由此来保持凝汽器内 的真空度当循环水泵发生故障时，将直接影响机组的真空度，降低机组出力叶轮汽蚀是循环水泵的主要故障之一，长期在汽馈 下运行会引起水泵部件寿命降低及叶轮局部损坏，汽蚀严重时会引起泵体强烈振动，导致水流中断，泵不能工作尽管循环水泵在 制造、安装和运行过程中采取了各种方法防止水泵汽蚀的发生，但实际运行中，由于种种原因会使水泵的运行条件与设计工况发生 偏离，不同程度的汽蚀仍偶有发生，给电力企业造成巨大经济损失如：中山横门电厂#1、#2机组(125MW)2004年10月~12 月就因汽蚀的氯根腐蚀的双重作用下，4台循环水泵连续发生叶片断裂事故；河北某电厂#2号机组(350MW)在2003年10月大 修期间发现2台循环水泵叶轮的各叶片均在入口同一部位出现300mmx160mm、深约8mm程度不等的汽蚀区域⑴；本厂对循 环水泵的解体检修也发现过类似现象，即所有汽蚀情况均是从中间到外侧逐渐变浅，汽蚀表面呈现蜂窝状因此，循环水泵叶轮汽 蚀的诊断与防范日益为人们所重视本文基于有关研究和现场运行经验，介绍引起循环水泵叶轮汽蚀的原因与特点，分析出泵产生汽蚀的条件，在总结与评述近 年来叶轮汽蚀检修和改造技术的基础上，对防止循环水泵叶轮汽蚀的措施作了一些有益的探讨，希望能对国内循环水泵的优化设计 和现场检修工作有所帮助。
1 水泵的汽蚀现象与危害1.1 汽蚀发生的过程和表现泵运转过程中，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，抽送液体的绝对压力下降到等于或低于当时液温 下相应的汽化压力时，就会因汽化产生汽泡汽泡中主要是蒸汽，但由于水中溶解有一定量的气体，所以汽泡中除了蒸汽以外，还 夹带有少量的气体这些汽泡随着水流流到高压区时，高压液体使汽泡急剧缩小以至凝结成水，汽泡逐渐变形而破裂在汽泡破裂 时，细水滴以高速填充汽泡空穴，发生互相撞击而形成强烈的水击，可达到10~100MPa，使过流流道的材料受到腐蚀和破坏可 见，汽蚀过程包括汽泡形成、增长直到崩溃破裂以至造成材料侵蚀的过程汽蚀的形成过程及已有检修经验表明［1-2］，循环水泵叶轮的汽蚀主要集中在叶片及轮盖轮盘的结合部位，汽蚀痕迹形状各异， 有的呈现断续分布的坑状，有的呈密集的蜂窝状（参见图 1），而且深浅不一汽蚀严重时会引起叶片穿孔,导致叶轮报废而被迫更换1.2 循环水泵叶轮汽蚀的危害水泵叶轮汽蚀会改变泵内水流状态，造成流动阻力增加，导致泵的流量、扬程和效率降低同时造成泵的流道材料发生侵蚀而 破坏，并使泵产生噪音和振动，危及水泵正常运行具体表现在以几个方面［3-4：］1.2.1 产生噪声和振动泵发生汽蚀时，汽泡在高压区连续发生突然破裂，微细射流的高速冲击将形成噪声，汽泡崩溃时的冲击作用将使泵组产生振动。
汽蚀噪声与汽蚀发展的程度有关，噪声大时汽蚀对材料的破坏作用也大，可以利用噪声的这种特性，用以判断汽蚀的严重程度 汽蚀引起的振动主要原因有二一是汽泡破裂产生的高频振动；二是当叶片进口处冲角较大时，进口边后方会形成脱流，产生时生 时灭的不稳定汽穴汽蚀振动频率若与泵组的自然频率接近，就会引起共振，使泵的工况恶化，甚至使整个系统受到破坏1.2.2 对流道的材料造成破坏当汽泡周围的液体压力上升时，汽泡受到压缩，使汽泡内的压强升高汽泡破碎时，形成微细射流（速度可达130m/s，压强 可达200MPa）流道金属表面在高频高压的微细射流作用下，材料表面晶体发生疲劳破坏，严重时呈现蜂窝状的空洞另外，微 细射流造成的冲击还会形成200弋以上的高温，使流道金属出现电解现象而产生强烈的化学腐蚀泵内流道材料受破坏的位置除叶 轮外，还有泵壳和导叶等处易于形成高速流的地方1.2.3 造成泵的性能下降汽蚀初生阶段，对泵的外特性无明显影响待汽蚀发展到一定程度，使流道的有效形状因汽穴空间较大而形成“堵塞”时，由 于叶轮和液体的能量交换受到干扰和破坏，泵的流量、扬程、效率、轴功率曲线开始下降，严重时会使液流中断，泵不能工作。
通 常，低比转数泵的性能下降比较急剧，高比转数泵的性能下降则比较缓慢2 产生汽蚀的条件与评价方法2.1 泵产生汽蚀的条件在泵系统k中通常用汽蚀余量(NPSH)表示泵汽蚀性能的好坏，汽蚀余量又分为装置汽蚀余量(NPSHa)和泵汽蚀余量(NPSHr), 它们是两个性质不相同的参数NPSHr由泵本身的特性决定，是表示泵本身抗汽蚀性能的参数，它与装置情况无关，只与泵进口 处的运动参数(v0，w0和wk等)有关；NPSHa由外界的吸入装置特性决定的，是表示吸入装置汽蚀性能的参数NPSHr表示泵进口到最低压力点(即k点)间液体流动过程的压力降，也就是为了使泵不汽蚀，在泵进口处单位重量液体所必 需具有的超过汽化压力的富余能量，泵汽蚀余量NPSHr值表达式为［3,5］：(1)式中，g :重力加速度，m/s2 ； v0 :叶片进口稍前液体的绝对平均速度，m/s ；叫：叶片进口稍前液体的相对平均速度，m/s; m ： 绝对速度压降系数，通常取1.0~1.2 ;入：相对速度压降系数或叶片汽蚀系数，可用下式表示：(2)式中：wk表示k点处的相对速度根据［5］，装置汽蚀余量(NPSHa)可用下式表示：(3)式中，Pe：吸入液面压力，Pa；Pv :泵入口处水温对应的饱和蒸汽压力，Pa；Hg：泵入口处液体倒灌高度，m;hw :吸入管路内 流动损失，m；pg:传送液体的单位体积重量，N/m3。
大流量引起叶轮进口速度的增加，会引起泵进口至叶轮以及进口管路中的压力降增加由式(3)可知，在液温、吸入液面上的压强 和几何安装高度都保持不变的情况下，由于吸入管路中的流道损失与流量的平方成正比，所以N PSHr随着流量的变化为一条下降 的抛物线，而NPSHa-Q则呈抛物线上升，如图3-5所示⑹由图2可得出鉴别泵是否汽蚀的判别式为：NPSHa二NPSHr,对应(pk= Pv)泵开始汽蚀NPSHaNPSHr,对应(pk> pv)泵无汽蚀2.2 汽蚀的评价方法泵汽蚀余量NPSHr是由泵自身的结构，如吸水室、叶轮进口部分等的几何形状决定的，它的值越小，表示泵本身的抗汽蚀性 能越好至于在某一工况是否发生汽蚀，与装置汽蚀余量NPSHa大小有关NPSHa-Q曲线和NPSHr-Q相交时所相应的流量为 QK称为临界流量，它标志着汽蚀的界限由图2可知，对于给定的泵，流量小于QK时，即使泵的NPSHr很大，但泵进口装置提 供足够的NPSHa,即NPSHa>NPSHr,泵也不会汽蚀当NPSHa二NPSHr,此时相应于pk二Pv，泵开始发生汽蚀当流量大于 QK后，就会发生严重汽蚀，因为此时NPSHa
对几何相似的两台泵，在相似工况下，由汽蚀相似定律公式(4)可知，两台泵的泵汽蚀余量之比等于叶轮进口直径D]的平方比和转速n的平方比的乘积对同一台泵，即D1p=Dim ,则式(4) 可简化为：(5)式(5)表明：泵汽蚀余量随转速的平方成正比增长即，转速下降，泵汽蚀余量会成平方下降，泵的抗汽蚀性能大大提高与比 转数ns类似，可推出相似泵的汽蚀相似准则一一汽蚀比转数C[3](6)式(6)表明：对几何相似，工况相似的泵，C值等于常数，在一定流量和转速下，C值越大，泵的抗汽蚀性能越好根据泵的设 计理论，设计汽蚀比转速C值越大，泵的抗汽蚀性能越好，但同时提高C值往往会使泵的效率下降，目前设计汽蚀比转速的大致 范围如如表1所示主要考虑提高效率（对汽蚀不作要求的泵）兼顾效率和汽蚀的泵主要为考虑提高汽蚀性能的泵C = 600~800C = 800~1100C = 1100〜1600托克托发电厂二期循环水泵改造时，依据上述公式就发现该厂循环水泵产生汽蚀的关键在于：尽管二期循环水泵采用 425r/min转速新设计来降低其制造成本，但二期循泵运行中实际水淹深度（6.8m左右）却采用以375r/min转速设计，导致实际水淹深度远 小于双泵运行时（流量为11.5ms/s）所需的最小水淹深度8.47m。
3 影响叶轮汽蚀的因素分析根据以上流体动力学分析可知，泵是否发生汽蚀取决于泵汽蚀余量和装置汽蚀余量的差值，泵汽蚀余量小于装置汽蚀余量是循 环水泵叶轮发生汽蚀的主要原因从设备的检修角度看，循环水泵叶轮产生汽蚀的主要原因有以下几方面：倒灌高度不够造成有效 汽蚀余量下降；空气进入泵内；密封间隙大造成间隙汽蚀；长期偏离设计工况运行造成叶片内流速过快；泵超负荷运行；压力和流 量分布不均，产生汽泡；运行方式不当等［1,6-8］以下根据各电厂的实际情况进行详细分析3.1 泵送系统的流量过大实际运行中，泵循环水量大大超过设计值，由于大流量引起叶轮进口速度增加，从而引起泵进口至叶轮以及进口管路中的压力 降增加（见图1），超过汽蚀界限，即，NPSHa
对于非标准设计的吸人池来说应该提高水泵的淹没深度3.3 水泵的运行方式 两台具有相同进口压力和出口压力的水泵，在适当管路布置（进口管几何相似）下并联运行时，根据相似定律，泵的必须汽蚀余量与转速的平方成正比，此时泵的NPSHr值较小，不会发生汽蚀然而，若1台作为主泵连续运行，而另 1台只有当流量要求增大时才开动，主泵可能会超时连续磨损这种磨损会增大旋转间隙 导致性能下降另一方面，流量大的主泵NPSHr值增大，可能超过满足该泵的NPSHa,产生潜伏汽蚀潜伏汽蚀对泵的性能影 响较小，但长期处于潜伏汽蚀状态，会对叶片产生不良影响此外,次泵长期运行在严重偏离设计范围时，叶轮吸入口的流速增加， 叶片进口处的流量和压力分布很不均匀，并产生局部低压区，这个低压区低到一定程度时就有可能产生局部汽蚀3.4 空气进入泵内造成叶轮汽蚀 如果输送的介质中富含空气，在较低压力下较易挥发，会大大降低吸入口状态的真空度，汽蚀现象同样发生，这是泵发生汽蚀的主要原因循环水中气体的来源主要有以下几个方面：①4 0~50弋的温水进人吸人池时容易产生一定量的气泡，这些气泡随池 内漩涡进人叶轮，形成气囊，阻碍流道，或被高压液体挤破爆裂，然后又形成气泡。
②循环水在冷却塔冷却的过程中，夹带了大量 的过饱和空气；③吸水池中旋涡带入的空气；④轴封漏气，循环水泵两侧的轴封各设有水冲洗装置，以冷却填料和防止空气进入泵 内采用传统填料密封的循环水泵，填料对泵的磨损较大，随之间隙增大，密封效果变差，空气在大气压力作用下进入叶轮进口低 压区，并随水进入高压区冲击叶轮造成机械剥蚀而产生汽蚀齐鲁石化烯烃厂按上述方法找出了其3台循环水泵发生汽蚀的原因，在设备上采取了下列改进措施［7：］ ①叶轮及吸入管道刷涂环氧 树脂；②壳体采用铸铁焊补技术；③吸入室加抽汽线；④循环水泵入口加破涡板；⑤采用CSM2000密封填料对轴封进行改造， 将原密封水接口改为填料充填接口,如图2所示改造后,投入运行,效果良好国电荆门热电厂2005年6月机组大修中，针对其 48SH222 型循环水泵叶轮汽蚀严重问题，也是对水泵密封环采用新技术进。