离心式水泵的汽蚀和吸水高度详解

在确定水泵安装高度时，水泵的汽蚀是影响水泵安装高度的重要因素。水泵的安装高度过大时，可能在泵内产生汽蚀。汽蚀出现后，轻者使流量和扬程下降，严重时将使泵无法工作。因此，了解产生汽蚀的机理以及如何防止汽蚀的发生对水泵的选型设计和使用是非常必要的。

1.汽蚀现象

水泵在运转时，若由于某些原因而使泵内局部位置的压力降到低于水在相应温度的饱和蒸汽压，水就会发生汽化，从中析出大量气泡。随着水的流动，低压区的这些气泡被带到高压区时会突然凝结。汽泡重新凝结后，体积突然收缩，便在高压区出现空穴，于是四周的高压水以很大的速度去填补这个空穴，此处会产生巨大的水力冲击。此时水的动能变为弹性变形能，由于液体变形很小，根据实验资料，冲击变形形成的压力可高达几百兆帕。在压力升高后，紧接着弹性变形能又转变成动能，此时压力降低。这样不断循环，直到把冲击能转变成热能等能量耗尽为止。这种气泡破裂凝结发生在金属表面时，就会使金属表面破坏。这种在金属表面产生的破坏现象称为汽蚀。

汽蚀时产生的冲击频率很高，每分钟可达几万次，并集中作用在微小的金属表面上，而瞬时局部压力又可达几十兆帕到几百兆帕。由于叶轮或壳体的壁面受到多次如此大的压力后，引起塑性变形和局部硬化并产生金属疲劳现象，使其刚性变脆，很快便会产生裂纹与剥落，直至金属表面成蜂窝状的孔洞。汽蚀的进一步作用，可使裂纹相互贯穿，直到叶轮或泵壳蚀坏和断裂，这就是汽蚀的机械剥蚀作用。

图8-34　被蚀坏的叶片

图8-34所示为离心式水泵叶轮被汽蚀破坏的情况。

液体产生的气泡中，还夹杂有一些活泼气体（如氧气），借助气泡凝结时所释放出的热量对金属起化学腐蚀作用。

汽蚀发生时，周期性的压力升高和水流质点彼此间的撞击以及对泵壳、叶轮的打击，将使水泵产生强烈的噪声和振动现象，其振动可引起机组基础或机座的振动。当汽蚀振动的频率与水泵固有频率接近时，能引起共振，从而使其振幅大大增加。

在产生汽蚀的过程中，由于水流中含有大量气泡，破坏了液体正常的流动规律，因而叶轮与液体之间能量交换的稳定性遭到破坏，能量损失增加，从而引起水泵的流量、扬程和效率迅速下降，甚至出现断流状态，如图8-35所示。

2.吸水高度

吸水高度（或称水泵几何安装高度）是指泵轴线的水平面与吸水池水面标高之差，图8-36所示为最常见的离心泵吸水管路简图。列出吸水池水面0—0与水泵入口截面1—1的伯努利方程为

图8-35　水泵汽蚀的特性曲线变化

图8-36　离心泵吸水管路简图

式中　Hx——水泵吸水高度或几何安装高度，m；

p1——水泵入口处的绝对压力，pa；

v1——水泵入口处的断面平均流速，m/s；

hx——吸水管路的水头损失，m。整理后可写成

或

，H′s为水泵吸入口处的吸上真空度，则

3.水泵允许吸上真空度

由式（8-19）可知，水泵是靠吸入口产生的真空吸水的。真空度一部分用于维持水流动时所需的速度水头，一部分用于克服吸水管路中的流动损失，还有一部分要用于提高水位。三者之和越大，所需的真空度就越大。但此真空度不能过大，否则当真空度大到使吸入口绝对压力等于水的相应温度下的汽化压力pn时，水泵会产生汽蚀，此时的吸上真空度称为最大吸上真空度，用H′smax表示，即

为使水泵运转时不产生汽蚀，规定水泵允许的吸上真空度一般在最大吸上真空度的基础上保留0.3 m的安全裕量，即

式中　Hs——允许吸上真空度，m。

水泵实际运行时产生的吸上真空度，不能超过允许吸上真空度。

最大吸上真空度是由制造厂试验得到的，它是发生汽蚀断裂工况的吸上真空度。

水泵的允许吸水高度为

为了提高水泵的吸水高度，吸入管路的液体的流速不能太高、吸入管路的阻力损失不能太大，所以要尽可能地选择必要的、阻力比较小的局部件。

为了保证离心式水泵运转的可靠性，水泵的几何安装高度应该以运行时可能出现的最大工况流量进行计算。(www.xing528.com)

通常水泵样本中给出的允许吸上真空度，规定是在大气压力为pa=10 mH2O（1 mH2O=9 810 Pa）、液体温度为t=20℃、水泵在额定转速运行条件下测得的。当水泵的使用条件与规定条件不符时，应对样本上提供的允许吸上真空度值进行修整。其换算公式为

4.汽蚀余量

水泵在运行时，可能因更换了一个吸入装置而导致水泵产生汽蚀，也可能因更换了一台水泵而导致发生汽蚀。由此可见，水泵的汽蚀既与吸入装置系统有关，也与水泵本身吸入性能有关。

近年来，生产厂家引入了另一个表示水泵汽蚀性能的参数，称为汽蚀余量，以符号NPSH或Δh表示。汽蚀余量分为装置汽蚀余量（或有效汽蚀余量）和临界汽蚀余量（或必需汽蚀余量）。

1）装置汽蚀余量

装置汽蚀余量是指在水泵吸入口处，单位质量液体所具有的超过饱和蒸汽压力的富余能量，以符号Δha表示。根据装置汽蚀余量的定义，其表达式为

或

由上式可知，装置汽蚀余量是由吸入液面上的大气压力、液体的温度、水泵的几何安装高度和吸入管路的阻力损失的大小所决定的，与水泵本身性能无关。在给定吸入装置系统与吸入条件下，装置汽蚀余量就可以确定。

在吸入液面上的大气压力、液体的温度和水泵的几何安装高度不变时，装置汽蚀余量随流量的增加而下降。不同海拔高度时的大气压值及不同水温时的蒸汽压力值分别见表8-2和表8-3。

表8-2　不同海拔高度时的大气压力值

表8-3　不同水温时的饱和蒸汽压力值

装置汽蚀余量越大，出现汽蚀的可能性就会越小，但不能保证水泵一定不出现汽蚀。

有效汽蚀余量的大或小并不能说明水泵是否产生气泡或发生汽蚀，因为有效汽蚀余量仅指液体在水泵吸入口处所具有的超过饱和蒸汽压力的富裕能量，但水泵吸入口处的液体压力并不是水泵内压力最低处的液体压力。液体从水泵吸入口流至叶轮进口的过程中，能量没有增加，但它的压力却要继续降低。

2）临界汽蚀余量

单位质量液体从水泵吸入口到叶轮叶片进口最低处的压力为饱和蒸汽压时的压力降，称为临界汽蚀余量，亦称泵的汽蚀余量，以符号Δhr表示。也就是说，临界汽蚀余量是水泵内发生汽蚀的临界条件，它是水泵本身的汽蚀性能参数，与吸入装置条件无关。

根据伯努利方程可推导得到临界汽蚀余量的公式，即汽蚀基本方程式

式中　c1——叶片进口前的液体质点的绝对速度，m/s；

μ——水力损失引起的压降系数，一般取μ=1.0～1.2；

w1——叶片进口前的液体质点的相对速度，m/s；

λ——液体绕流叶片端部引起的压降系数，在无液体冲击损失的额定工况点下，λ=0.3～0.4。但在非额定工况点下，λ是随工况点变化而变化的，目前很难求得，所以Δhr只能用试验的方法确定。

3）允许汽蚀余量

分析装置汽蚀余量与临界汽蚀余量可知，Δha与Δhr虽然有着本质的区别，但是它们之间存在着不可分割的紧密联系。装置汽蚀余量是在泵吸入口处提供大于饱和蒸汽压力的富裕能量，而临界汽蚀余量是液体从水泵吸入口流至叶轮压力最低点所需的压力降，这压力降只能由装置汽蚀余量来提供。欲使水泵不产生汽蚀，就要使装置汽蚀余量大于临界汽蚀余量，即Δha＞Δhr。

为了保证水泵不产生汽蚀而正常工作，按我国标准JB 1040—1967的规定，把比临界汽蚀余量高0.3 m的装置汽蚀余量定义为允许汽蚀余量，即

实际装置汽蚀余量应大于或等于允许汽蚀余量，即

4）允许汽蚀余量与允许吸上真空度及允许吸水高度的关系

允许吸上真空度为

允许吸水高度为