离心泵汽蚀问题的探究

彭海英1魏玉莲1张文杰2韩彬2

（1沈阳工业泵制造有限公司；辽宁沈阳；110027

2沈阳鼓风机集团石化泵有限公司；辽宁沈阳；110869）

摘要：本文主要介绍了汽蚀发生的机理及一些主要影响泵汽蚀的因素，如何有效的提高离心泵的汽蚀性能，举例说明了凝结水泵8LN-140的参数及结构特征。

关键词：离心泵汽蚀途径应用

1．空化与空蚀的机理

空化与空蚀是指以液体为主要工作介质的叶片式流体机械中可能出现的一种现象，在固体或气体中都不会发生。本文主要讨论离心泵的空化与空蚀（也称汽蚀）。

液体在恒定的压力下加热，当其温度升高至某一温度时，就会开始汽化，形成气泡，称为沸腾。而当液体温度一定、压力降低到某一临界压力（汽化压力）时，也会汽化，同时溶解于液体中的气体析出，形成气泡。气泡随着液体流动到压力较高的地方后，泡内的蒸汽重新凝结，气泡溃灭。这种由于压力的变化而导致的液流内的气泡的产生、发展和溃灭过程以及由此产生的一系列物理和化学的变化，称为汽蚀。

气泡的产生和发展，改变了叶轮流道内的速度分布，会导致泵效率的下降，扬程的降低，引起泵的振动。严重时泵不能正常工作。汽蚀发生在固壁表面，会使过流部件受到破坏。

泵的汽蚀现象产生的原因主要有以下几点：

(1)泵的进口工艺结构参数不合理,包括叶轮吸入口的形状、叶片入口边宽度及叶片进口边的位置和前盖板的形状等使泵的入口管阻过大。

(2)灌泵不充分,使泵内空气没有完全排出或不能及时排出。

(3)介质本身的性质及介质操作温度等因素使泵所输送介质气相较多。

(4)由于泵的来水方式和泵的安装高度、位置、环境等包括管道水力损失（主要是弯管损失及沿程损失）和当地大气压的影响导致泵的入口能头（压力）不够。

(5)泵在运行中由于操作条件及运行工况的变化导致泵的转速及泵内介质的流量、温度、压力等参数发生较大变化。

2．泵的汽蚀现象的危害

(1)材料破坏。泵长时间在汽蚀条件下工作时，泵过流部件的某些地方会遭到腐蚀破坏。这是因为气泡在凝结时金属表面受到像利刃似的高频（600-2500Hz）强烈冲击，压力达50MPa，致使金属表面出现麻点以至穿孔，严重时金属晶粒松动并剥落而呈现出蜂巢状，致使泵的壁面及叶轮材料受到严重破坏,大大缩短泵的使用寿命甚至导致泵不能正常工作。图1所示是泵过流部件汽蚀破坏的典型部位。

(2)噪声和振动。汽泡破裂和高速冲击会引起严重的噪声,反复凝结、冲击的汽蚀过程伴随着很大的脉动力,若这些脉动力的频率与设备的频率相等就会引起强烈的振动,从而引起设备变形或损坏。

(3)性能下降。汽蚀产生的大量汽泡会堵塞流道的截面,大大减少流体从叶轮获得的能量,从而导致泵的扬程下降,流量下降,泵的效率也相应下降,同时泵的流量和压力波动较大,不能稳定运行持续供水。图2所示是离心泵由于汽蚀引起性能下降的曲线。

3．汽蚀参数

研究影响离心泵叶轮低压侧汽蚀特性的参数及其表示与计算，对保证水力机械的优良性能和稳定工作是非常重要的。

汽蚀余量在欧、美一些国家称为净正吸上水头，用NPSH表示（Net Positive Suction Head），并用NPSHa表示装置的有效净正吸头，用NPSHr表示水力机械必需净正吸头。其中NPSHa与NPSHr的关系是随着流量变化而变化的，如图3所示。

根据理论推导

对于既定的泵，在一定流量下，NPSHr为定值，Pv为定值，如果改变Ps使得（Pk是指最低压力点的静压力）

Pk>Pv则有NPSHa>NPSHr,表示泵不会发生汽蚀；

Pk<Pv则有NPSHa<NPSHr,表示泵严重汽蚀；

Pk=Pv则有NPSHa=NPSHr,表示泵发生汽蚀；

API610中1.4.30规定了泵的必需汽蚀裕量，由卖方根据用水试验确定的汽蚀裕量，以米液柱计。必需汽蚀裕量在泵吸入法兰处测定并修正到基准面。额定流量和其它流量点的必需汽蚀裕量（NPSHr）等于因泵内汽蚀而造成扬程下降3%（对于多级泵而言是首级扬程）的那个NPSHr。

我国习惯用汽蚀比转数C值来衡量泵的抗汽蚀性能

其中对双吸泵

对抗汽蚀性能很高的泵 C=1000～1600

对兼顾效率和抗汽蚀性能的泵 C=800～1000

对抗汽蚀性能不作要求主要考虑提高效率的泵 C=600～800

4．改善泵抗汽蚀性能的途径

由可知，要减小NPSHr必须通过减小υ0、ω0、λ来实现。

4.1适当加大叶轮吸入口的直径Dj，如图4所示（由Dj修整到Dj＇）

4.2增加叶片的进口宽度b1，如图4所示

图4图5（ a）冲角对叶片形状和流动的影响 b）冲角Δβ和压降系数λ的关系）

4.3合理选取叶片进口冲角Δβ，如图5所示

4.4采用双吸式叶轮,使单侧流量减半,减小流速。

4.5叶片进口边的位置和叶片进口部分的形状

4.6叶轮盖板进口部分曲率半径

4.7适当加长进口边,向吸入方向延伸,并作成扭曲形。

4.8采用与主叶轮同轴安装的诱导轮,使液体通过诱导轮升压后流入主叶轮,有效提高主叶轮的装置汽蚀余量，从而改善泵的汽蚀性能。

4.9采用前置叶轮和后置离心叶轮组成的双重翼叶轮,不会降低泵的性能,却改善了泵的抗汽蚀性能。

4.10叶轮采用含镍铬的不锈钢、铝青铜等抗汽蚀性能好的材料；对叶轮及轮室表面进行防护处理诸如激光表面熔覆和喷焊合金粉末材料等。

4.11采用主叶轮前加装超汽蚀叶轮的汽蚀泵。

5．凝结水泵低汽蚀裕量的设计应用

LN型凝结水泵是我公司总结国内外设计、制造、运行和维护等方面的经验，取其优势发展的新产品。

流量范围：100～2000 m3/h扬程范围：100～360m

LN型凝结水泵是立式抽芯式双筒多级离心泵。首级叶轮采用双吸叶轮，具有较低的汽蚀裕量及高的效率。

泵的轴向力由泵自行平衡，平衡方式为叶轮带有后密封环。径向轴承是水润滑轴承，轴向设滚动轴承，承受泵转自的重量及参与轴向力。

秦岭发电有限责任公司4机凝结泵采用的是沈阳水泵厂早期产品14NL-14，原泵存在运行效率低、汽蚀严重、振动大且备品备件难采购等问题，影响了机组的安全经济运行。我公司为其生产了替代产品8LN-140

下面是两泵的技术参数对照：

原泵参数新泵参数

型号：14NL-148LN-140

流量：510 m3/h550 m3/h

扬程：140m140m

转数：1480r/min1480r/min

效率：70%80%以上

汽蚀裕量：2m1.8m

轴功率：278 kW267kW

在改造过程中加大了泵的流量，电机采用原配电机，由于效率提高了10多个百分点，轴功率反而降低了。2005年4月安装调试完毕，完全达到了预期目的，运行平稳，为用户节约了厂用电。

附8LN-140的结构图

6．参考文献

1.沈阳水泵研究所编．叶片泵设计手册．机械工业出版社．1983

2.关醒凡.现代泵技术手册[M].北京：宇航出版社.1995.

3.查林.叶片泵原理及水力设计[M].北京机械工业出版社.1988.

4.关醒凡．泵的理论与设计．机械工业出版．1987