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3473泵与风机教案简稿(8) 泵与风机教案简稿 （8）第1页，共9页2叶片式泵的性能及结构2-1泵内汽蚀 一、泵内汽蚀现象（水力机械的系统和设备，现象举例）机械侵蚀（内向爆炸性冷凝冲击，微细射流）疲劳化学腐蚀（汽泡溃灭活性气体凝结热）2什么是汽泡形成，发展，溃灭，以致使过流壁面破坏的全过程。 3、分类移动汽蚀、固定汽蚀、旋涡汽蚀、振动汽蚀。 二、对泵运行的危害 1、缩短泵的使用寿命粗糙多孔显微裂纹蜂窝状或海绵状侵蚀呈空洞。 2、产生噪声和振动若振动产生汽泡，汽蚀产生振动互相激励汽蚀共振。 3、影响泵的运行性能断裂工况（汽泡堵塞流道）；潜伏性汽蚀（易被忽视）。 提出问题既然泵内汽蚀对泵运行的危害有如此之大，那么泵内汽蚀的产生与那些因素有关？又如何防止呢？一般卧式离心泵，泵轴心线距液面的垂直距离称为泵的几何安装高度，或称几何吸上高度，用符号H g表示，如图2-3所示。 实践表明汽蚀与泵的几何安装高度有关，它是影响泵工作性能的一个重要因素。 当增加泵的几何安装高度时，会在更小的流量下发生汽蚀，如图2-4所示。 由图可以看出，对某一台水泵来说，尽管其全性能可以满足使用要求，但是，如果几何安装高度不合适，由于汽蚀的原因，会限制流量的增加，从而使性能达不到设计要求。 因此，正确地确定泵的几何安装高度是保证泵不发生汽蚀的重要条件。 那么，如何正确地确定泵的几何安装高度呢？ 三、泵的几何安装高度与吸上真空高度的确定（H g、H s）我们知道，泵内产生汽蚀的原因是因流道内某一部位的液流压强过低，而泵内液流压强最低的部位是在叶轮入口附近。 因此，在使用泵时常常在泵吸入口安装一个压强指 1、形成点蚀蜂窝状。 图2-3离心泵的几何安装高度图2-4n s=70的单级离心泵发生汽蚀的性能曲线泵与风机教案简稿 （8）第2页，共9页g gs?p pHas?g2/2s?示仪表（真空计或压强计），以监测水泵的正常运行。 泵吸入口的压强与吸入侧管路系统（几何安装高度，吸入管路中的能头损失）及吸水池液面压强等密切相关。 现以图2-3为例写出吸水池液面e-e及泵入口断面s-s之间的能量方程式以建立它们之间的关系s2s sgeg2g0g0hpHp?则s2s segg2g ghppH?（2-1）式（2-1）表明，吸水池液面处液体以一定的速度克服管道阻力上升H g到泵吸入口s-s断面，是由于液面压强p e与泵吸入口压强p s的压强差作功的结果。 如果吸水池液面受大气压p a的作用，即p e=p a，并令称为吸上真空高度，则式（2-1）可写成s2ss gg2h H H?（2-2）由上式可以看出，泵的几何安装高度与吸上真空高度、吸入管流速及能头损失有关。 在标准大气压下，由于1atm=10.33mH2O，所以泵的几何安装高度H g总是小于10.33mH2O的。 通常，如果泵是在某一定流量下运行，则及?h s基本上是定值，所以泵的几何安装高度H g将随泵的吸上真空高度H s的增加而增加。 如果吸上真空高度增加至某一最大值H smax时，即泵内最低压强点接近液体的汽化压强p V时，则泵内就会开始发生汽蚀。 这时，H smax称为最大吸上真空高度，亦称临界吸上真空高度，其值由制造厂用试验方法确定。 为了保证泵不发生汽蚀，把最大吸上真空高度H smax减去一个安全量（通常为0.3）作为允许吸上真空高度而载入泵的产品样本中，并用H s表示，即H s=H smax0.3（2-3）显然，为使泵在运行时不产生汽蚀，依式（2-2），允许几何安装高度可按下式确定。 即?s2ss gg2h HH?（2-4）在计算H g中必须注意以下三点 （1）通常H s随流量增加而下降。 用式（2-4）确定H g时，必须以泵在运行中可能出现的最大流量所对应的H s为准。 而泵铭牌H s值则是指最高效率点流量时的H s值。 （2）在泵样本或说明书中所给出的H s值，是制造厂在标准条件（大气压为10.13104Pa，温度为20的清水）下由试验得出的。 当泵的使用条件与上述条件不符时，应对样本的H s值按下式进行修正。 ?24.033.10gs s?V appH H（2-5）大气压头饱和蒸汽压头在介绍汽蚀余量时要用到此关系式泵与风机教案简稿 （8）第3页，共9页不同海拨高度下的大气压强值和不同水温时的汽化压强（即饱和蒸汽压强）值如表2-1和附录所示。 （3）立式离心泵的几何安装高度H g是指第一级工作叶轮进口边的中心线至吸水池液面的垂直距离，如图2-5（a）所示；大型水泵的几何安装高度H g值，应以吸水池液面至叶轮入口边最高点距离来计算，如图2-5（b）、（c）所示。 【例2-1】在海拔500m某地安装一台水泵，其输水量q V=135L/s，输送水温t=30，该泵样本上提供的允许吸上真空高度H s=5.5m。 吸水管径d=250mm，吸水管长l=9m，该水管上有一个90弯头，并装有一个蝶阀，设吸入管路总损失h s=0.878m。 求H g应为多少？【解】由表2-1查得海拔500m力时大气压强p?=9.51104Pa，由附录查得水温为t=30时的饱和蒸汽压强p V=4246.0Pa。 查表得30水的密度?=995.6/m3。 由式（2-5）得修正后的吸上真空高度为?24.033.10gs s?V appH H?)m(67.424.033.10806.96.9950.42461051.95.54?又因为)s/m(752.2.225.014.31013544232s?dqAqV V?)m(385.0806.92752.2g222s?所以，泵的几何安装高度应为?)m(41.3878.0385.067.4g2s2ss g g?h HHH? 四、汽蚀余量进一步提出问题在前面，为防止泵内汽蚀，我们讨论了泵的几何安装高度与吸上真空高度的确定问题，但这只是影响泵工作性能的一个重要因素。 那么泵内汽蚀的产生还与那些因素有关？又如何防止呢？目前，对泵内流体汽蚀现象的理论研究或计算，大多数还是以液体汽化压强p V作为初生汽蚀的临界压强。 所以为避免泵内发生汽蚀，至少应该使泵内液体压强最低点K的压强p K大于K点液体在该温度时的汽化压强，即p Kp V。 由于在泵的吸入口处液体压强要比泵内压强最低点的压强高，因此，为保证p Kp V，要求吸入口液流的静压头在必须高出汽化压强的能头外，还应有一些富余能头。 这个富余能头就称为汽蚀余量（亦称图2-5离心泵的几何安装高度（a）立式泵；（b）大型卧式泵；（c）大型立式泵泵与风机教案简稿 （8）第4页，共9页净正吸上能头），以符号NPSH表示（Net PositiveSuction Head的缩写）。 通常将汽蚀余量分为有效的汽蚀余量和必需的汽蚀余量。 （一）有效汽蚀余量 1、定义有效汽蚀余量是指泵运行时在泵吸入口截面s-s上，单位重力液体所具有的超过汽化压强能头的富余能头（位能以中心线为基准），以NPSH a表示，即g2g ggNPSH2s ssa?V Vpp pE?（2-6）式中E s是液体在泵吸入口处的总能头，将泵吸入管路能量方程式s2s sgeg2g0g0hpHp?代入上式得s geagNPSHh HppV?（2-7） 2、影响因素由式（2-7）不难看出，有效汽蚀余量NPSH a值的大小是由吸水管路系统的参数和管路中的流量所决定的，而与泵的结构无关（即泵本身的性能）。 故有效汽蚀量又称为装置（管路）汽蚀余量；泵的有效汽蚀余量NPSH a越大，表明该泵防汽蚀的性能越好。 而且由于2s Vqh?，故当q VNPSH a。 3、倒灌高度在式（2-7）中，H g值的正、负以吸入池液面为基准，当泵轴高于吸水液面时为正，反之为负。 当-H g0时，称为倒灌高度，并用H d表示，如图2-6所示。 在火力发电厂中，凝结水泵和给水泵吸入容器液面压强均为相应温度下的汽化压强，即p e=p V，则式（2-7）可改写为NPSH a=H d?h s（2-9）即，凝结水泵和给水泵均应采用倒灌高度安装。 （二）必须汽蚀余量如前所述，泵的吸入口并不是泵内压强最低的部位。 液流进入泵后的能量变化，如图2-7所示。 由图可以看出，泵内压强最低点位于叶轮流道内紧靠叶片进口边缘的K处，具体位置如图2-8所示的叶片进口边缘的背部而偏向前盖板图2-6泵的倒灌高度图2-7液流进入泵后的能量变化图2-8液体绕流叶片头部的压头变化泵与风机教案简稿 （8）第5页，共9页处。 这主要是因为从泵吸入口到叶轮进口流道的过流面积一般是收缩的，所以在流量一定的情况下，液流的流速要升高，因而压强相应地降低。 当液流流入叶轮流道，在绕流叶片头部时，液流急骤转弯，流速加大，这在叶片背面K点处更为显著，造成液体在K点的压强p K急骤降低。 以上的流速大小、方向变化均会带来流动损失和速度分布不均匀，消耗掉部分压能，使液体压强降低。 因此，只有K处的压强p K大于汽化压强p V时，才能防止泵内汽蚀的发生。 1、定义鉴于上述分析，我们把泵吸入口s-s截面处单位重力液体所具有的能头与泵内压强最低点的静压头之差（即自泵吸入口s-s截面到泵内压强最低点的总压降）称为必需汽蚀余量，以NPSH r表示。 利用能量方程可以推得2gg2NPSH202201rw cgpEKs?（2-10）式中c 0、w0为叶片进口边前绝对速度和相对速度，m/s；? 1、?2为绝对速度和相对速度的变化及阻力损失所引起的压强降系数，一般情况下可取?1=1.01.2，?2=0.30.4。 2、影响因素由式（2-10）可知决定NPSH r值的主要因素是泵吸入室和叶轮进口处的几何形状及流速大小，与吸入管路无关，而只与泵的结构有关，故又称之为泵的汽蚀余量。 某泵NPSH r越小，表明该泵防汽蚀的性能越好。 NPSH r通常由泵制造厂通过试验测出。 在泵的正常工作范围内，由于NPSH r具有流动损失的属性，故当q VNPSH r。 （三）对汽蚀余量NPSH的几点说明 1、泵运行中NPSH a与NPSH r的关系泵运行中有效汽蚀余量和必需汽蚀余量随着流量的变化关系如图2-9所示。 定量关系可由式（2-7）减去式（2-10）导出，即gp pVK?r aNPSHNPSH（a）NPSH r-q V曲线与NPSH a-q V曲线的交于C点称之为临界点，相应的流量q VC称为临界流量，此时，p K=p V。 当q Vq VC时，因p Kp V，即NPSH rNPSH a，泵内将产生汽蚀；当q Vp V，即NPSH r 但这时流量也不能太小，因为，流量太小时，泵内的水温升高，使得汽化压强升高，相应的有效汽蚀余量减小；在小流量区，还会因冲角增大而导致流动损失增加，NPSH r值也有可能出现上升的趋势，这样泵内仍有可能产生汽蚀。 因此，在泵产品样本中规定了泵在运行时的最大允许流量和最小允许流量。 2、临界汽蚀余量NPSH c和允许汽蚀余量NPSH由上述分析可知，当NPSH a的值降低到使泵内压强最低点的液体压强等于该温度下图2-9NPSH a和NPSH r与流量的变化关系泵与风机教案简稿 （8）第6页，共9页g2/2s?的汽化压强时，液体开始汽化，此时，NPSH a就是使泵内发生汽蚀的临界值，称为临界汽蚀余量，用NPSH c表示，即NPSH a=NPSH c=NPSH r（2-11）通过汽蚀试验确定的就是这个汽蚀余量的临界值。 为了避免泵内汽蚀的发生，常常在NPSH c的基础上加上一个安全余量作为允许汽蚀余量而载入泵的产品样本中，并以NPSH表示。 即NPSH=NPSH c+0.3m（2-12）也有采用NPSH=（1.11.3）NPSH c（2-13） 3、泵的允许汽蚀余量NPSH与允许几何安装高度H g的关系在式（2-7）中用NPSH代替NPSH a，同时应以H g代替H g，可得到计算泵的允许几何安装高度的另一表达式?segNPSHghp pHV?（2-14）此式与式（2-4）有相同的实用意义，只不过是从不同的角度来确定泵的允许几何安装高度H g的值。 一般认为，使用NPSH来计算H g比使用H s方便，因为在式（2-14）中没有这一项，可以减少计算；同时，式（2-4）中的H s值通常是在标准条件下的数值，在使用时还需根据使用条件进行修正，当使用NPSH时，则不需要进行修正，只要把使用地点条件下的参数值直接代入即可。 【例2-2】有一单吸单级离心泵，流量q V=68m3/h，NPSH c=2m，从封闭容器中抽送温度为40清水，容器中液面压强为8.829kPa，吸入管路阻力为0.5m，试求该泵的允许几何安装高度是多少？水在40时的密度为992/m3。 【解】NPSH=NPSH c+0.3=2+0.3=2.3（m）查附录得40的水相对应的饱和蒸汽压强为p V=7374Pa，于是由式（2-14）可得?）（m65.25.03.2806.999273748829NPSHgseg?hp pHV?计算结果H g为负值，故该泵的叶轮进口中心应在容器液面以下2.65m。 四、汽蚀相似定律及汽蚀比转速（一）汽蚀相似定律和泵其它性能参数的相似换算类似，对几何相似的泵，在相似的运行工况下，其汽蚀余量可以用汽蚀相似定律加以换算。 设有两台几何相似的泵，一为实型泵，另一为模型泵，并分别以下标“p”、“m”表示。 由于NPSH r具有泵入口流动损失的属性，并正比于流量的平方，则汽蚀相似定律为2p12m1rprm)()(NPSHNPSHnDnD?（2-15）泵与风机教案简稿 （8）第7页，共9页它指出，两台几何相似的泵，在相似的运行工况下，必需汽蚀余量之比等于叶轮进口直径D1的平方比和转速n的平方比的乘积。 实践表明，当模型泵与实型泵的对应线性尺寸和转速相差较大时，用上式换算的结果误差较大，其原因是由于尺寸效应以及转速效应引起叶轮进口处液体中含气量的变化造成的，有的资料中推荐换算时的转速差在25%的范围内为宜。 【转速效应引起叶轮进口处液体中含气量的变化可作如下解释当转速降低时，流量减少，此时在几何尺寸未变的进口处就形成了反向流，主流中的静压降低，导致液体中所析出的游离气体增多，试验得到的NPSH r值要比换算得到的值偏大，表明按相似定律换算得到的值是偏于不安全的。 反之，当转速降低时，使泵进口处的流速增大，改变了流速分布的均匀性，使液体通过泵进口低压区的时间缩短，从而减少了汽泡的发生，试验得到的NPSH r值要比换算得到的值偏小，表明按相似定律换算得到的值是偏于安全的。 】对同一台泵，即D1m=D1p则式（2-15）可改写为下式2p2mrprmNPSHNPSHnn?（2-16）式（2-16）指出，对同一台泵而言，转速提高，必需汽蚀余量将成平方增加，因此，泵的抗汽蚀性能将大大下降，故泵在实际运行中不得超速。 （二）汽蚀比转速一方面，在设计泵时，除应考虑满足所要求的性能参数流量、扬程及效率外，还应该使泵具有较好的抗汽蚀性能；另一方面，必需汽蚀余量只能反映某一台泵汽蚀性能的好坏，而不能对不同泵进行汽蚀性能的比较，因此需要一个包括设计参数在内的综合性汽蚀相似特征数，并称之为汽蚀比转速。 和泵的比转速的推导过程类似，泵的汽蚀比转速可由汽蚀相似定律和流量相似定律推导得到。 目前，国内习惯使用的有量纲的汽蚀比转速用符号c表示，其表达式如下3/4rNPSH62.5Vq nc?（2-17）其中，必需汽蚀余量NPSH r、泵的流量q V和转速n的单位分别为m、m3/s和r/min。 对汽蚀比转速的几点说明 （1）汽蚀比转速的大小和比转速一样，都是指最高效率点的参数值。 汽蚀比转速的值越大，说明泵的抗汽蚀性能越好。 （2）凡几何相似的泵在相似工况下运行时，其比转速c等于常数，因此，可以把它作为汽蚀相似准则数。 与比转速不同的是，汽蚀比转速只要求叶轮进口部分（包括吸入室）几何形状和流动相似，即使出口部分不相似，这两台泵在相似工况下的汽蚀比转速也相等，表示泵具有相同的抗汽蚀性能。 （3）从汽蚀比转速的表达式可知，c值的大小同泵的扬程无关，因此，也就同叶轮的出口参数无关。 故要提高泵的抗汽蚀性能，只需研究泵入口部分的几何参数关系。 泵与风机教案简稿 （8）第8页，共9页 （4）对于双吸叶轮，汽蚀比转速表达式中的流量应以双吸叶轮流量的一半代入。 （5）汽蚀比转速的大致范围如下主要考虑效率的泵c=600800；兼顾汽蚀和效率的泵c=8001200；对汽蚀性能要求高的泵c=12001600。 除汽蚀比转速c以外，有些国家常采用托马汽蚀系数以及目前国际上使用的无量纲的汽蚀比转速等作为综合性汽蚀相似特征数。 对此有兴趣的同学可参阅有关书籍、文献。 五、提高泵抗汽蚀性能的措施综上所述，泵在运行中汽蚀与否，是由泵本身的汽蚀性能和吸入装置的特性共同决定的。 因此，解决泵汽蚀问题可从如下四个方面入手。 （一）降低必需汽蚀余量以提高泵抗汽蚀性能的措施1多级泵首级叶轮采用双吸式多级泵首级叶轮采用双吸式，在流量、转速和汽蚀比转速都相同的情况下，因汽蚀比转速表达式（2-17）中的流量可用设计值的一半代入，从而使泵的必需汽蚀余量变为单吸叶轮的必需汽蚀余量的0.63倍。 如国产125MW和300MW汽轮发电机组的给水泵首级叶轮均采用双吸式叶轮。 事实上，首级叶轮采用双吸式叶轮后，使叶轮进口处的流速降低，从而也就提高了泵的抗汽蚀性能。 2加装诱导轮诱导轮是与主叶轮同轴安装的一个类似于轴流式的叶轮，其叶片是螺旋形的。 诱导轮的流道既宽又长，如图2-10所示。 离心叶轮之前加装诱导轮，一方面，诱导轮可对其后的离心叶轮起加压作用，并在离心叶轮进口处造成一个强制预旋，使离心叶轮进口处的相对速度比未装诱导轮时为小，从而降低了离心叶轮的必需汽蚀余量。 另一方面，由于诱导轮的流道宽而长，而且是轴向的，因此，在诱导轮外缘处因相对速度较大而形成汽泡时，汽泡只能沿轴向在外缘运动。 此时，运动的汽泡在诱导轮流道内因液体压强的升高而溃灭，这样就限制了汽泡的发展，不易造成整个流道的阻塞。 因此，采用诱导轮可以降低泵的必需汽蚀余量，具有较高的抗汽蚀性能。 一般离心泵的汽蚀比转速c为8001000，在安装诱导轮之后，c值可达3000以上。 目前国内生产的火力电厂大型凝结水泵一般都装有诱导轮。 此外，采用双重翼叶轮、超汽蚀叶轮以及设计时选择合适的几何参数也可提高泵的抗汽蚀性能，同学可自行参阅有关书籍、文献下学习之。 （二）提高有效汽蚀余量以防止泵汽蚀的措施 1、减少吸入管路的阻力损失为了减少吸入管路的阻力损失，在水泵安装时尽可能地减少吸入管路上的弯头等附件，并不设阀门等，还应合理地加大吸入管道的直径，以减小流速，同时还应尽量缩短图2-10带有诱导轮的离心泵泵与风机教案简稿 （8）第9页，共9页吸入管道长度。 所有这些都可以提高有效汽蚀余量NPSH a。 2、合理的选择