泵与风机-泵的气蚀4

1、第四章 泵的气蚀章节结构：章节结构：第一节 气蚀现象及其对泵工作的影响第二节 吸上真空高度HS第三节 气蚀余量（重点内容）第四节 气蚀相似定律及气蚀比转速第五节 提高泵抗气蚀性能的措施第一节第一节 气蚀现象及其对泵工作的影响气蚀现象及其对泵工作的影响（水力机械的系统和设备）（水力机械的系统和设备）1、定义：、定义： 由于气化产生气泡，气泡进入高压区破裂，引发周围液体高频碰撞而导致材料受到破坏的全部过程。4 从热力学可知，水在常压下，当温度达到一定值时开始沸腾汽化。反过来，在温度一定时，压力越低，就越容易汽化。即汽化时的压力和温度有一一对应的关系。 另一方面，从泵的工作原理知，泵是靠在吸入口处产

2、生真空而由大气压力把水池中的水压入泵中的。因此，在泵的吸入口处希望能维持一定的真空度。 压力较低时，当达到某一值(对应温度下的饱和压力)后，此处的水就会产生汽化。另外由于压力较低，在常压下溶解在水中的一些其他气体也开始释放出来，从而形成一定数量的气泡。2 2、形、形 成：成：机械侵蚀机械侵蚀化学腐蚀化学腐蚀内向爆炸性冷凝冲击，微细射流内向爆炸性冷凝冲击，微细射流疲劳破坏疲劳破坏汽泡溃灭汽泡溃灭活性气体活性气体凝结热凝结热腐蚀性破坏腐蚀性破坏汽蚀对泵叶轮的破坏汽蚀对泵叶轮的破坏电厂循环水泵叶轮汽蚀电厂循环水泵叶轮汽蚀工人正使用高分子钛合金涂料做叶轮涂层工人正使用高分子钛合金涂料做叶轮涂层点蚀点蚀

3、汽泡形成汽泡形成发展发展溃灭溃灭过流壁面破坏的全过程。过流壁面破坏的全过程。3 3、分、分 类：移动汽蚀、固定汽蚀、旋涡汽蚀、振动汽蚀。类：移动汽蚀、固定汽蚀、旋涡汽蚀、振动汽蚀。蜂窝状汽蚀。蜂窝状汽蚀。图4-1 叶轮内气蚀发生的部位泵内气蚀发生与发展的过程潜伏气蚀（初生气蚀）泵的断裂工况7 1、造成材料破坏，缩短泵的使用寿命：粗糙多孔、造成材料破坏，缩短泵的使用寿命：粗糙多孔显微显微裂纹裂纹蜂窝状或海绵状侵蚀蜂窝状或海绵状侵蚀呈空洞。呈空洞。 3、性能下降、性能下降 2、产生噪声和振动：若振动产生汽泡，汽蚀产生振动、产生噪声和振动：若振动产生汽泡，汽蚀产生振动互相激励互相激励汽蚀共振。汽蚀共

4、振。一、气蚀现象及危害一、气蚀现象及危害低压区低压区产生气泡产生气泡高压区高压区气泡破裂气泡破裂产生局部真空产生局部真空水力水力冲击冲击发生振动、噪发生振动、噪音，对部件产生麻点、音，对部件产生麻点、蜂窝状的破坏现象。蜂窝状的破坏现象。泵的流量泵的流量小于小于设计流量时，压设计流量时，压力最低的部位在此。力最低的部位在此。泵的流量泵的流量大于大于设计流量时，设计流量时，压力最低的部位在此。压力最低的部位在此。一、气蚀现象及危害一、气蚀现象及危害低压区低压区产生气泡产生气泡高压区高压区气泡破裂气泡破裂产生局部真空产生局部真空水力水力冲击冲击发生振动、噪发生振动、噪音，部件产生麻点、音，部件产生麻

5、点、蜂窝状的破坏现象。蜂窝状的破坏现象。一、气蚀现象及危害一、气蚀现象及危害（1）汽蚀程度较小时，对性能的影响不大(有时，因有气泡，在气泡数适当时，还可减小液固之间的摩擦力，反倒使效率有所提高)，但该情况属于潜伏汽蚀，此时材料同样会遭受冲击，慢慢剥蚀。（2）当气泡数量很多时，因气体的体积远大于水的体积，大部分流道被气泡占据，输送的流体数量明显减少堵塞，即断裂工况，使性能迅速恶化.（3）从图4-3到图4-5：ns气蚀越不易发生低比转速大比转速高比转速12 第二节第二节 吸上真空高度吸上真空高度HS图4-3 ns =70的单级离心泵发生气蚀的性能曲线吸水池液面吸水池液面e-e及泵入口断面及泵入口断

6、面s-s之间的之间的有：有：w2ssgeg2g0g0hpHp泵吸入口真空计或压强计泵吸入口真空计或压强计吸水池液面吸水池液面e-e在介绍汽蚀余量时在介绍汽蚀余量时要用到此关系式要用到此关系式 立式泵的几何安装高度hg ：第一级工作叶轮进口边的中心线至吸水池液面的高度差。w2ssegg2gghppH吸水池液面为大气压吸水池液面为大气压pa tm时，时，令令ggsppHatms称为吸上真空称为吸上真空高度，则上式变为：高度，则上式变为：w2ssgg2hHH 当当qV=C时，时，Hg(Hs)HsHsmaxpsminpkpV时，泵时，泵内开始发生汽蚀。内开始发生汽蚀。Hsmax值由制造厂值由制造厂。

7、为了保证为了保证泵不发生汽蚀泵不发生汽蚀，把，把Hsmax减去减去一个一个安全量安全量K, 作为作为而载入泵的产品样本中，并用而载入泵的产品样本中，并用Hs表示，即：表示，即：Hs=Hsmax0.3 （1）Hs (qV)。确定确定Hg 时，必须以泵在时，必须以泵在运行中运行中可能可能出现的出现的最大流量最大流量所所对应对应的的Hs 为准。为准。s2ssgg2hHH （2-4）在计算在计算Hg 中必须注意以下三点：中必须注意以下三点： （2） Hs值是泵制造厂在值是泵制造厂在 pa=10.13104 Pa，t =20 的的清清水水下由试验得出的。当下由试验得出的。当使用条件变化使用条件变化时，时

8、，应对应对样本的样本的Hs 值进值进行修正行修正。（2-5）24.033.10gssVappHH大气压头饱和蒸汽压头标准条件 【例例2-1】 在海拔500m某地安装一台水泵，其输水量qV=135L/s，输送水温 t =30，该泵样本上提供的允许吸上真空高度Hs =5.5m.吸水管内径 d=250mm, 设吸入管路总损失hs=0.878m.求Hg应为多少？ 【解解】 由表4-1查得海拔500m力时大气压强 pa= 9.51104Pa，由附录查得水温为 t =30时的饱和蒸汽压强 pV =4246.0Pa。查表得30水的密度 =995.6/m3。由换算公式得修正后的吸上真空高度为：24. 033.

9、10gssVappHH)m(67. 424. 033.10806. 96 .9950 .42461051. 95 . 54又因为：) s/m(752. 2 . 225. 014. 31013544232sdqAqVV)m(385. 0806. 92752. 2g222s所以，泵的几何安装高度应为：)m(41. 3878. 0385. 067. 4g2s2ssgghHHH18NPSH: Net Positive Suction Head 泵内流体汽蚀现象理论：液体汽化压强泵内流体汽蚀现象理论：液体汽化压强（pV）为初生为初生汽蚀的临界压强。当泵内刚发生汽蚀时，必有：汽蚀的临界压强。当泵内刚发生汽

10、蚀时，必有：称称泵吸入口液流的总能头高于汽化压强的的富余能头泵吸入口液流的总能头高于汽化压强的的富余能头为汽为汽蚀余量，以符号蚀余量，以符号 NPSH 表示。表示。ps pK=pV 。分类 NPSHa NPSHr 1、定义g2gggNPSH2sssaVVpppE位能以中心线为基准，即，位能以中心线为基准，即，z=0 NPSHa=f ， ，而与泵的，而与泵的结构无关，故又称为结构无关，故又称为装置汽蚀余量装置汽蚀余量；NPSHa 。将泵吸入管路能量方程式：将泵吸入管路能量方程式：w2ssgeg2g0g0hpHp代入上式得：代入上式得： 0gNPSHwgeahHppV2sVqh ，故当，故当qVN

11、PSHa。而且由于而且由于 应注意的是：应注意的是：Hg 值的正、负值的正、负以吸入池液面为基准，当以吸入池液面为基准，当泵轴高于吸水液面时为正泵轴高于吸水液面时为正。0gNPSHwgeahHppV 在火力发电厂中在火力发电厂中, 凝结水泵和给水泵吸入容器液面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，则下式压强均为相应温度下的汽化压强，则下式 即，即，。可改写为：可改写为：NPSHa=Hghs0只有：只有：Hg =Hd 0，才有可能使才有可能使NPSHa0利用能量方程可以推得：利用能量方程可以推得：gpEKsrNPSH2202201r2gg2NPSHVqwc（式4-14）23

12、NPSHr=f (),即，即，NPSHr 只与泵的结构有关只与泵的结构有关，而与吸入管路无关，故又，而与吸入管路无关，故又称之为称之为泵的汽蚀余量泵的汽蚀余量。 在泵的正常工作范围内，由于在泵的正常工作范围内，由于NPSHr ，某，某，表明该泵，表明该泵。NPSHr 由泵制造厂通过试验测出。由泵制造厂通过试验测出。当当qVNPSHr。 三、三、NPSHa NPSHr 但流量不能太小：但流量不能太小：gppVKraNPSHNPSH tpVNPSHa泵运行时的泵运行时的和和。 定量关系可由式（定量关系可由式（4-6）减去式（减去式（4-14）导出，即）导出，即hwNPSHrNPSHr-qVNPSH

13、a- -qVH-qV汽蚀区非汽蚀区qVHNPSHOqVCC 1、泵运行中、泵运行中, NPSHa- -qV 和和NPSHr-qV 的变化关系如图所的变化关系如图所示。示。 由图可知由图可知, qVNPSHa pK=pV ，液体开始汽化。此液体开始汽化。此时，时，NPSHa就是使泵内发生汽就是使泵内发生汽蚀的临界值，即：蚀的临界值，即：该值可通过泵汽蚀试验确定。该值可通过泵汽蚀试验确定。 也有采用：也有采用： NPSH=（1.11.3）NPSHcNPSHa=NPSHc=NPSHr 为了避免泵内汽蚀的发生，常常在为了避免泵内汽蚀的发生，常常在NPSHc的基础上加上的基础上加上一个安全余量作为允许汽

14、蚀余量而载入泵的产品样本中，即：一个安全余量作为允许汽蚀余量而载入泵的产品样本中，即：NPSHr-qVNPSHa- -qVNPSH-qVH-qV汽蚀区非汽蚀区KqVHNPSHOqVCC设计点A 所不同是：使用所不同是：使用，只要把使，只要把使用地点条件下的参数值直接代入即可。用地点条件下的参数值直接代入即可。在式（在式（4-7）中：）中：wgeagNPSHhHppVHg， NPSH NPSHa， 可得到计算泵允许几何安装高度可得到计算泵允许几何安装高度的另一表达式：的另一表达式： 中。用中。用Hg wegNPSHghppHV上式与上式与w2ssgg2hHH意义。意义。比较，两者具有相同的实用比

15、较，两者具有相同的实用 【例例2-2】 有一单吸单级离心泵，流量有一单吸单级离心泵，流量qV =68m3/h，NPSHc=2m，从封，从封闭容器中抽送温度为闭容器中抽送温度为 40清水，容器中液面压强为清水，容器中液面压强为 8.829kPa ，吸入管路，吸入管路阻力为阻力为0.5m，试求该泵的允许几何安装高度是多少？水在，试求该泵的允许几何安装高度是多少？水在40时的密度时的密度为为992/m3。 【解解】 NPSH= NPSHc+0.3=2+0.3=2.3 （m） 查附得查附得 40的水相对应的饱和蒸汽压强为的水相对应的饱和蒸汽压强为pV = 7374Pa，于是由公式，于是由公式可得：可得

16、： ）（m65. 25 . 03 . 2806. 999273748829NPSHgseghppHV 计算结果计算结果Hg为负值为负值, 故该泵的叶轮进口中心应在容器液面以下故该泵的叶轮进口中心应在容器液面以下2.65m。 对几何相似的泵，在相似的运行工况下，对几何相似的泵，在相似的运行工况下，其必需汽蚀余量如何换算？其必需汽蚀余量如何换算？ 由于由于，并正比于流量，并正比于流量的平方，则汽蚀相似定律为：的平方，则汽蚀相似定律为：2p12m1rprm)()(NPSHNPSHnDnD（2-15） 实践表明：由于实践表明：由于以及以及的影响，会引起的影响，会引起必需汽蚀余量的换算误差，资料推荐换算

17、时的转速差在必需汽蚀余量的换算误差，资料推荐换算时的转速差在25%的范围内为宜。的范围内为宜。 当当n 时时, qV进口处进口处主流主流p, ，NPSHr 的的，表明：，表明：。 当当n 时，进口处流速增大且分布均匀，时，进口处流速增大且分布均匀，NPSHr 的的，表，表明：明：。 对同一台泵，即对同一台泵，即D1m=D1p，则可将则可将汽蚀相似定律改写汽蚀相似定律改写为：为：2p2mrprmNPSHNPSHnn（2-16）即：转速提高，即：转速提高， NPSHr将成平方增加。因此，泵的抗汽蚀性将成平方增加。因此，泵的抗汽蚀性能将大大下降，故能将大大下降，故。 1、因因此需要一个包括设计参数在

18、内的综合性汽蚀相似特征数，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，其构造方法和泵的比转速的推导过并称之为汽蚀比转速，其构造方法和泵的比转速的推导过程类似。程类似。（2-17） 目前目前, 国内习惯使用的有量纲的汽蚀比转速用符号国内习惯使用的有量纲的汽蚀比转速用符号c表表示，其表达式如下：示，其表达式如下： 3/4rNPSH62. 5Vqnc 式中，式中，NPSHr、qV 和和 n 的单位分别为：的单位分别为：m、m3/s 和和 r/min 。 （1） c 值依值依max值确定。值确定。 （2）c值是一个综合性汽蚀相似特征数值是一个综合性汽蚀相似特征数, 同同H 值

19、无关。值无关。若两台泵若两台泵，则，则c值相等，值相等，表示两台泵具有相同的抗汽蚀性能。表示两台泵具有相同的抗汽蚀性能。 （3）要提高泵的抗汽蚀性能，）要提高泵的抗汽蚀性能，的几何参数关系。的几何参数关系。 （4）对于双吸叶轮，）对于双吸叶轮， 应以其应以其qV /2 代入代入c值的表达式中。值的表达式中。 （5）汽蚀比转速的大致范围如下：）汽蚀比转速的大致范围如下： 考虑因素考虑因素主要考虑效率的泵主要考虑效率的泵兼顾汽蚀和效率的泵兼顾汽蚀和效率的泵对汽蚀性能要求高的泵对汽蚀性能要求高的泵C值范围600800800120012001600第五节第五节 提高泵抗汽蚀性能的措施提高泵抗汽蚀性能的

20、措施 泵在运行中汽蚀与否，是由泵本身的汽蚀性能和吸入装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：方面入手： （一）降低必需汽蚀余量以（一）降低必需汽蚀余量以泵抗汽蚀性能的措施泵抗汽蚀性能的措施 （四）首级叶轮采用抗汽蚀性能好的材料（四）首级叶轮采用抗汽蚀性能好的材料 （二）提高有效汽蚀余量以（二）提高有效汽蚀余量以泵汽蚀的措施泵汽蚀的措施 （三）运行中（三）运行中汽蚀的措施汽蚀的措施 。 多级泵首级叶轮采用双吸式，在多级泵首级叶轮采用双吸式，在qV、n和和c相同的情况下，其必

21、需汽蚀余量变为单吸叶轮相同的情况下，其必需汽蚀余量变为单吸叶轮的必需汽蚀余量的的必需汽蚀余量的0.63 倍倍如国产如国产125MW 和和 300MW汽轮发电机组的给水泵首级叶轮均采汽轮发电机组的给水泵首级叶轮均采用双吸式。用双吸式。 其加压和强制预旋其加压和强制预旋w0 NPSHr；其轴向流道宽而长，；其轴向流道宽而长，汽泡汽泡后，后，只能沿其外缘运动，因只能沿其外缘运动，因p 溃灭，限制汽泡溃灭，限制汽泡, 不致使阻塞整个流道。在安装诱导轮之后，不致使阻塞整个流道。在安装诱导轮之后，c值可由值可由8001000 3000 。目前国产火力电厂大型凝结水泵一般。目前国产火力电厂大型凝结水泵一般都

22、装有诱导轮。都装有诱导轮。 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，合理地加大吸入管道的直径，以减小流速，尽量缩短吸入管道长度。等，合理地加大吸入管道的直径，以减小流速，尽量缩短吸入管道长度。 在可能的情况下在可能的情况下, Hg ；对吸饱和水的给水泵和凝结水泵必须采取；对吸饱和水的给水泵和凝结水泵必须采取Hd。确定确定Hg或或Hd时，应留有较大余量，以防止在非正常工况时产生汽蚀现象。时，应留有较大余量，以防止在非正常工况时产生汽蚀现象。 单机容量单机容量锅炉给水泵的锅炉给水泵的T和和n泵入口有泵入口有NPSHa除

23、氧器的除氧器的Hd安装困难且不经济。为降低除氧器的安装高度，安装困难且不经济。为降低除氧器的安装高度， 国内外对大容量国内外对大容量的锅炉给水泵，广泛采用在其前设置低速前置泵的方法。的锅炉给水泵，广泛采用在其前设置低速前置泵的方法。 前置泵转速低，前置泵转速低，且具有较好的抗汽蚀性能，给水经前置泵升压后再进入给水泵，且具有较好的抗汽蚀性能，给水经前置泵升压后再进入给水泵， 相当于相当于提高了吸入池液面的压强水头提高了吸入池液面的压强水头 pe/g，提高了泵的，提高了泵的NPSHa，改善了给水泵，改善了给水泵的汽蚀性能。的汽蚀性能。 （1）运行中一般不能因为给水泵或凝结运行中一般不能因为给水泵或凝结水泵汽蚀而导致停机，为了避免因汽蚀而发生泵的重大损坏事故，火力发水泵汽蚀而导致停机，为了避免因汽