淺談泵汽蝕余量

1、淺談泵的汽蝕余量邱 東（遼寧石油化工大學(xué)石油天然氣工程學(xué)院）摘 要：闡述了泵汽蝕余量和裝置汽蝕余的概念、物理意義及區(qū)別，簡要地分析了泵汽蝕余的確定方法。對臨界汽蝕余量和允許汽蝕余量的確定中存在的問題進(jìn)行了初步探討，并對汽蝕余量和吸上真空度的轉(zhuǎn)換進(jìn)行了簡要說明。關(guān)鍵詞：泵汽蝕余量, 有效汽蝕余量，臨界狀態(tài)，汽蝕實驗，真空度A superficial discussion on NPSHrQiu DongAbstract: In this paper, the concept, physical meaning and distinction of NPSHr and NPSHa are desc

2、ribed, the method of NPSHr determination are analyzed. Critical cavitations margin and allow the determination of NPSH problems were discussed, and the relationship between suction vacuum and NPSHr is given.Keywords: NPSHr, NPSHa, critical state, cavitations test, vacuum1 導(dǎo)言泵汽蝕余量是表征水泵汽蝕性能的重要參數(shù)之一, 并據(jù)

3、此計算水泵裝置幾何吸上高度和確定水泵安裝高程, 在生產(chǎn)實踐上具有重要意義。因此, 在水泵設(shè)計、制造、試驗、安裝和運行各個階段, 都應(yīng)該對泵的汽蝕余量予以特別的重視。但是, 目前國內(nèi)對水泵的汽蝕試驗方法、臨定汽蝕余量的制定、汽蝕安全余量的取值等問題存在一定的混亂狀況, 對此進(jìn)行深入研究和探討十分必要。2 泵汽蝕余量和裝置汽蝕余量的概念、物理意義及區(qū)別根據(jù)圖（1）,以通過泵軸線的平面為基準(zhǔn)面,分別列出泵進(jìn)口與葉片進(jìn)口兩斷面的絕對運動能量方程以及葉片進(jìn)口與葉片背面壓力最低點點的相對運動能量方程。當(dāng)點的絕對壓力下降到等于水泵工作溫度下液體的汽化壓力時, 水泵開始發(fā)生汽蝕, 臨界狀態(tài)下的水泵汽蝕方程式為

4、： (1)式中,Ps、vs為泵進(jìn)口斷面至基淮面上的絕對壓力和平均流速,v0和w1為葉輪進(jìn)口斷面上的絕對平均速度和相對速度, 1、2為與泵吸入室和葉輪構(gòu)造有關(guān)的系數(shù),Pv為泵內(nèi)液體工作溫度下的飽和蒸汽壓。圖1 臨界狀態(tài)下ha與hr裝置汽蝕余量用ha表示,是指(1) 式的左邊部分, 它僅與泵進(jìn)口的參數(shù)有關(guān), 而與泵本身的結(jié)構(gòu)和參數(shù)無直接關(guān)系。一旦泵的吸入裝置條件確定, 即裝置吸入液面絕對壓力Pa、幾何吸上高度H吸、吸入管路水頭損失h吸以及流量和溫度等條件確定后,ha就是一個定值，并可通過式（2）計算： （2）（2）式中第二個等號后第一項表示吸入液面上的壓力能頭；第二項為吸入液面上的速度能頭，但通常

5、吸入液面截面很大以至于速度約為零，故常將此項忽略不計；第三項為泵的幾何安裝高度，即泵吸入口軸線與吸入液面間的位能差；第三項為吸入管路的摩阻損失；第四項為工作溫度下液體的蒸汽壓能頭。通過上述說明可直觀地從中看出ha的物理含義：即吸入液面上的總能頭（包括壓力能頭、速度能頭和位能）在克服吸入管路中流動損h吸并把液體提高到H吸高度后所剩余的高出工作溫度下液體汽化壓力的有效能頭。可以將其理解為泵汽蝕余量的克星，正因為它的存在有效地抵消了液體從泵吸入口到葉輪截面壓力最低點間的壓降，使液體流到壓力最低點處時具有的壓力能頭仍能高于液體汽化壓力，只有該能頭大于零時泵才不會發(fā)生汽蝕；等于零時即為臨界狀態(tài)；小于零時

6、發(fā)生汽蝕。圖2 泵和裝置汽蝕余量特性曲線泵汽蝕余量用hr表示, 是指(1)式的右邊部分。只有臨界狀態(tài)時, 才有關(guān)系式ha =hr 成立, hr 表示了從泵進(jìn)口到葉片背面最低壓力點之間液體流動過程中的壓力降, 可理解為保證泵不發(fā)生汽蝕、在泵進(jìn)口處單位重量液體所必具有的超過工作溫度下液體汽化壓力的富余能頭，它是泵在運行過程中不可避免也是客觀存在的物理量。影響泵汽蝕余量的因素很多，系數(shù)1與泵吸入室結(jié)構(gòu)及葉輪進(jìn)口斷面上絕對速度v1和v0 的比值有關(guān), 而2則與葉輪幾何形狀、葉片數(shù)、葉片沖角、葉片厚度等葉片進(jìn)口部分的幾何參數(shù)有關(guān), 并且還與葉片進(jìn)口相對速度w1和葉片最低壓力點處相對速度wK的比值有關(guān)。另

7、外, 泵吸入口到葉輪人口的過流面積逐漸收縮的程度、水流方向的改變以及繞流葉片頭部引起的水流速度和方向的急劇變化, 也對泵汽蝕余量有較大影響。對于給定的泵和泵裝置來說, 在一定的轉(zhuǎn)速、流量和溫度下, 裝置汽蝕余量和泵汽蝕余量都是個定值。ha 和hr 隨流量變化的關(guān)系曲線見圖2，ha隨泵流量的增加而減小，hr 則隨流量的增加而增大。泵在運行時是否發(fā)生汽蝕是由外部條件、吸人裝置和泵本身特性等因素共同決定的。當(dāng)裝置汽蝕余量大于泵汽蝕余量時, 泵進(jìn)口液體的富余能量大于泵所必需的動壓降, 即使hr 很大, 泵也不會發(fā)生汽蝕。但是，如果泵汽蝕余量hr較小, 泵裝置提供較小的ha就能滿足泵不發(fā)生汽蝕的要求，這

8、對于提高泵安裝高程，減少土建工程量，節(jié)省泵站投是非常有利的。3 泵汽蝕余量的確定汽蝕試驗是目前確定泵汽蝕余量的較可靠的方法。在臨界狀態(tài)下, 泵開始發(fā)生汽蝕時, 有hr=ha成立, 因而可通過改變泵吸水裝置條件, 通過裝置汽蝕余量間接地求出泵汽蝕余量。水泵汽蝕試驗可分二大類,一是原型泵汽蝕試驗, 二是模型泵汽蝕試驗。原型泵汽蝕試驗時, 重點在于驗證汽蝕特性, 通常采用的減小裝置汽蝕余量的方法有：（1）降低泵裝置進(jìn)水水位, 以此增加幾何吸上高度H吸；（2）關(guān)小進(jìn)水閘閥, 以此增大進(jìn)水管路水頭損失h吸。模型泵汽蝕試驗的目的在于準(zhǔn)確地測定汽蝕性能, 采用的促使泵發(fā)生汽蝕的方法通常是在密閉容器中抽真空,

9、 以此減小泵進(jìn)水液面上的壓力。4 臨界汽蝕余量和允許汽蝕余量討論圖3 臨界汽蝕余量與允許汽蝕余量的確定現(xiàn)行的泵試驗標(biāo)準(zhǔn)是針對小型原型泵試驗而制定的, 臨界汽蝕余量的選取原則是保證揚(yáng)程而不計其效率。根據(jù)不同的泵型，把泵的揚(yáng)程與無汽蝕時的揚(yáng)程相比較（多級泵以第一級葉輪產(chǎn)生的揚(yáng)程為準(zhǔn)），取不同的揚(yáng)程下降百分點, 對應(yīng)于圖中性能曲線上揚(yáng)程下降百分點的汽蝕余量即定義為泵臨界汽蝕余量。國外有專家建議用零揚(yáng)程下降點作為汽蝕臨界點， 其理由是, 這樣做無需考慮試驗泵的型式和葉輪級數(shù)，并且對應(yīng)于零揚(yáng)程下降點，泵性能尚未下降, 相似理論的前提條件沒有改變, 只要兩臺泵幾何相似和工況相似, 就能利用泵汽蝕相似定律,

10、 準(zhǔn)確地進(jìn)行泵汽蝕余量的換算。事實上, 對應(yīng)于臨界汽蝕余量, 泵內(nèi)已開始發(fā)生汽蝕, 甚至已發(fā)展得相當(dāng)嚴(yán)重。特別對于大泵葉片, 由于受目前制造工藝水平的限制而達(dá)不到設(shè)計線型的要求, 使得大泵原型較模型汽蝕性能變壞?，F(xiàn)在, 年運行小數(shù)很高的大型水泵應(yīng)用很多, 且不同類型泵在發(fā)生汽蝕時的外特性形式差別甚大。有的泵當(dāng)揚(yáng)程下降規(guī)定百分點時, 其效率值已下降以上。因此為保證機(jī)組正常運行,不致出現(xiàn)嚴(yán)重的振動和噪音, 在泵臨界汽蝕余量的基礎(chǔ)上, 考慮一個安全余量K, 這就是所謂允許汽蝕余量, 用h 表:h= hr +K (3)如圖(3)中實線hQ 曲線所示。根據(jù)多年的運行實踐經(jīng)驗, K是完全必要的, 但K的取

11、值范圍尚未統(tǒng)一, 國內(nèi)取K=0.30.5m。國外有資料推薦用公式: h=hr (4) 計算允許汽蝕余量, =1.11.3。對應(yīng)于hr=5m, 相當(dāng)于0.51.5m, 與我國現(xiàn)行采用0.30.5相差甚遠(yuǎn)。因此h大并不代表汽蝕性能差, 要從汽蝕試驗方法、臨界汽蝕余量的確定和安全余量取值上進(jìn)行研究，若單純地比較兩臺泵h大小，是不充分、不科學(xué)的。5 泵允許汽蝕余量和允許吸上真空度的轉(zhuǎn)換在泵類產(chǎn)品樣本和泵性能曲線中, 有給出泵允許汽蝕余量h的, 也有給出允許吸上真空高度Hs的。實際上, 允許吸上真空高度是指泵進(jìn)口處的允許真空程度, 其值以換算到泵基準(zhǔn)面上的液柱高度來表示。吸上真空度可通過式（5）求得：

12、（5）式中Pa表示當(dāng)?shù)卮髿鈮毫?，Ps為泵入口處絕對壓力，通常情況下可通過真空表讀數(shù)獲得。它在一定程度上反映了吸入液面上的大氣壓力能頭與泵吸入口處的壓力能頭的差值。當(dāng)吸入液面與大氣相連通時將（5）式代入（2）式左側(cè)得： （6）通過（6）式可方便直觀地了解Hs與ha的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系。利用臨界狀態(tài)下hr=ha的關(guān)系可求得汽蝕臨界狀態(tài)下的最大吸上真空度： （7）同樣為保證安全運行泵的允許吸上真空度：Hs=Hsmax-K （8）為分析影響其因素，將（5）式代入（2）式右側(cè)得： （9）（9）式中第一個括號中表示當(dāng)?shù)卮髿鈮毫εc吸入液面上的壓力能頭差值，第二括號中表示泵入口處于吸入液面上速度頭差值，第三項表示泵入口與吸入液面間位能差值，最后項表示吸入管路摩阻損失；從中不難理解吸上真空度表示了當(dāng)?shù)卮髿鈮毫δ茴^在減去消耗在轉(zhuǎn)化成速度頭、位能、摩阻產(chǎn)生的熱量的壓頭后在泵入口處所產(chǎn)生的真空程度。可通過加大吸液面上的壓力、減小作業(yè)流量、降低安裝高度、增大吸入管徑來有效避免汽蝕的產(chǎn)生。由于允許汽蝕余量和允許吸上真空高度兩個概念易混淆, 加上允許吸上真空高度中有進(jìn)口速度頭計算, 以及標(biāo)準(zhǔn)狀況和現(xiàn)場測試應(yīng)用等非標(biāo)準(zhǔn)狀況下?lián)Q算麻煩等問題,允許吸上真空高度不宜作為汽蝕參數(shù)。建議在泵標(biāo)準(zhǔn)和泵樣本中統(tǒng)一規(guī)定, 一律給出泵允許汽蝕余量h和hQ曲線, 從而方便計算和使用，利于汽蝕