离心泵汽蚀余量的测试方法

离心泵是一种用途广泛的流体机械，汽蚀现象对离心泵的工作性能影响较为严重。因此，离心泵气蚀测量，是制造厂商的重要质量保证措施。笔者从亲身参与离心泵测试台设计、建造和调试的实操经验角度出发，对离心泵气蚀测试方法进行分析。
一、 气蚀余量的定义
ISO标准《ISO9906:2012Rotodynamic pumps—Hydraulic performance acceptance tests—Grades 1, 2 and 3》中对汽蚀余量的定义是：

（1）

式中：
H1——NPSH基准面相对于计算基准面的水头
ZD——NPSH基准面至计算基准面的垂直高度
pamb——测试地当时的大气压力值
pv——液体试验温度下相应的汽化压力值
ρ——液体试验温度下相应的密度
由此定义可以看出，NPSH的实质就是：相对于计算基准面，离心泵NPSH基准面处液体所具有的绝对水头超出汽化压力的水头的能量差。
标准还规定了以下三种NPSH定义：
1）可用汽蚀余量（NPSHA）：在指定的流量下，由安装条件（或装置条件）确定的汽蚀余量NPSH，称为可用汽蚀余量（或装置汽蚀余量）。
2）必需汽蚀余量（NPSHR）：在指定的流量、转速和输送液体的条件下，泵达到预期性能的最小汽蚀余量（出现可见的汽蚀，汽蚀引起的噪声和振动增大，扬程或效率出现预期的下降，有限的汽蚀）。此参数由制造厂家提供的。
3）NPSH3：基于使用的性能曲线，泵的第一级扬程下降3%时的必需汽蚀余量。
从以上定义中，可以看出：
1）NPHA与泵无关，是由泵的入口装置提供的。
2）NPSHR与装置无关，是由制造厂家提供的；
3）NPSH3是特定条件的NPSHR，与装置无关，也由制造厂家提供；
4）只要装置给泵入口液体提供足够的能量，则泵就不会发生汽蚀现象；
5）当NPHA=NPSH3时，泵内汽蚀现象已发生，但泵的性能尚可预知；
6）汽蚀对泵性能的影响是渐进的。
二 、汽蚀试验中的相关参数
针对卧式离心泵，式（1）中的H1是水泵入口水头，因此公式（1）可写成：

（2）

我们知道，卧式泵的叶轮入口截面和NPSH基准面是一致的，即 Z1=ZD；若测试地点和测试系统一旦选定，则 g就是定值了，pv和ρ 是温度的函数，同时， pamb在气蚀试验的短暂期间，变化微弱，也可视其为不变。由此，公式（2）就变化成以下的函数：

（3）

通过公式(3)，可看出：NPSH仅随着入口压力p1、流量Q、液体温度θ三个参数的变化而改变。
因此，气蚀试验方案就是围绕着如何方便经济地改变这三个参数展开的。ISO9906:2012标准，认可的9种NPSH测试方案中，
1）通过调节液体温度θ的方案，有2种（只能在闭式试验台上实施）。
2）通过调节流量Q（即，调节出水阀门）的方案，只有一种（虽然，其它方法中，流量也会变化，但不是主变量，而是随其它条件变化的随变量）。
3）其余的6种，均是改变入口压力p1的方案。
三 、汽蚀试验的方法
汽蚀试验就是通过调节入口液体的NPSHA，分析泵汽蚀特性的过程。当泵的第一级扬程下降3%时，NPSHA=NPSH3。
ISO9906标准中9种气蚀试验方案，按具体的操作方法，可分为4类，如下：
1）同一组数据测试过程中，流量保持不变的方式，有4种。
2）同一组数据测试过程中，进水阀门和出水阀门均保持不变的方式，有3种。
3）同一组数据测试过程中，出水阀门保持不变的方式，有1种。
4）同一组数据测试过程中，进水阀门保持不变的方式，有1种。
由于可以直接测得指定流量的NPSH3，制造商采用第一类操作方法的居多，为传统的测试方法。对测试人员素质和经验要求较高，准确测量难度大。这是由于，水泵发生气蚀时，流量和扬程通常是剧烈波动的，很难达到标准要求的稳定测量条件。这就要求，测试人员经验丰富，判断准确，数据采集迅速恰当，成员间配合协调默契。
此类方法，受人为因素影响较大，不同测试团队得到的试验结果可能会不同。
除第一类外，其余3类测试操作方法，均无法直接测得指定流量的NPSH3。需要先测得Q～NPSH曲线，然后才能得到指定流量的气蚀值。虽然数据处理工作量大，但人工操作简单，易于掌握。
具体方法如下：
首先，根据性能试验的结果，做出“流量～扬程（下降3%）” 曲线。由此可知，在对应流量值下，气蚀发生时对应的扬程值。依此，可以判断测试起始条件是否满足；
其次，在保证：测试起始时，没有气蚀发生的情况下，按不同操作方法，保持出口阀（或入口阀门、或进出口阀两者）的开度固定，对应调节入口阀门（或出口阀门、或入口压力），调节过程务必缓慢，直至水泵的扬程下降3%为止。此时，测得的NPHSA就是此时流量对应的NPSH3。
然后，获得第一组（Q1，NPSH3）后，调节出口阀或入口阀门或同时至另一开度，并保持不变，重复测试过程，获得第二组（Q2，NPSH3）。以此类推，得出至少四组数据。并在Q～NPSH图中描绘出来，从而反映出该泵的汽蚀特性。
最后，从Q～NPSH中查出指定流量下气蚀数据。
此类方法，在测试过程中，人工干预环节少。但数据量巨大，为了获得一条可信的Q～NPSH曲线，需要采集和处理上千组原始数据。因此，只适用于自动化程度高的试验台，这样既降低了人工劳动强度，又同时减少了人为因素带入的试验误差。
由于此类方法，将测试工作的难点都放在试验台建造、测试方案选择和测试软件设计优化上，这些内容一旦确定后，现场操作就很简单了。普通人员经过简单培训就可掌握整套操作流程，且试验数据质量有保证。
四、 结语
随着电子技术的发展，自动化水泵试验台得以普及，这为精确测试提供了高效的平台。充分发挥设备优势，发展与之相适应的测试方法，即可降低劳动强度，又可减少人力成本。
（威乐(中国)水泵系统有限公司 （北京）黄鹏 李平洲 张建文 ）