水泵的汽蚀与安装高程确定

1、第四章 水泵的汽蚀与安装高程确定本章重点：通过本章的学习，要求学员熟练掌握汽蚀的定义和分类及防治措施、用允许吸上真空高度和允许汽蚀余量计算水泵的安装高度等。掌握汽蚀的作用方式及危害等。了解汽蚀性能参数、汽蚀基本方程和汽蚀相似率及汽蚀比转数等。第一节 水泵的汽蚀及其防治措施有关叶片泵性能的阐述，都以吸水条件符合要求为前提，吸水性能是确定水泵安装高程和进水建筑物设计的依据，而汽蚀是影响水泵安装高程的重要因素。叶片泵安装高程的确定，是泵站设计中的一个重要内容。水泵的安装高程是确定泵房各部位高程的基准高程。水泵安装得过低会增大泵房土建投资和施工的难度；过高又会引起水泵工作流量和效率的大幅度降低，甚至不

2、能工作。如何结合水泵汽蚀问题，合理地处理水源水位变幅和水泵吸水性能之间的关系是泵站设计中的重要课题。在泵站运行中，也有很多问题出自于水泵的吸水性能。因此，对于叶片泵吸水性能，必须予以高度重视。一、定义由于某种原因，使水力机械低压侧的局部压强降低到水流在该温度下的汽化压强（饱和蒸汽压强）以下，引起汽泡（汽穴）的发生、发展及其溃灭，造成过流部件损坏的全过程，就叫图411 叶片泵受汽蚀影响性能曲线下降的形式图（b）离心泵 （）混流泵 （）轴流泵做汽蚀。二、作用方式（一）机械剥蚀在产生汽蚀过程中，由于水流中含有大量汽泡，破坏了水流的正常流动规律，改变了水泵内的过流面积和流动方向，因而叶轮与水流之间能量

3、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和效率的迅速下降，甚至达到断流状态。这种工作性能的变化，对于不同比转数的水泵有着不同的影响。低比转数离心泵叶槽狭长，宽度较小，当汽蚀开始后，汽泡区从叶槽进口部位迅速扩展到叶槽的整个宽度，引起水流断裂，水泵性能曲线呈急剧下降的形状，如图411 ()所示。对于中、高比转数的离心泵和混流泵，由于叶轮槽道较宽，当脱流产生时，先在叶槽的某一部分，而不是叶槽的全部截面，只有在脱流区继续发展时，才会布满全部叶槽，在出现断裂状况之前，其性能曲线首先比较缓慢地下降，最后才迅速直线下降，如图411 ( )所示。对高比转数轴流泵，由于叶片之间相当宽阔，故汽蚀开始

4、后汽蚀区不易扩展到整个叶槽，因此性能曲线下降缓慢，以至无明显的断裂点，如图411 ()所示。当离析出的汽泡被水流带到高压区后，由于汽泡周围的水流压强增高，故汽泡四周的水流质点高速地向汽泡中心冲击，水流质点互相撞击，产生强烈的冲击。根据观察资料表明，其产生的冲击频率（30004000），并集中作用在微小的金属表面上，瞬时局部压强急剧增加（300400）。由于叶轮或泵壳的壁面在高压和高频的作用下，引起塑性变形和局部硬化，产生金属疲劳现象，性质变脆，很快会发生裂纹与剥落，以致金属表面呈麻点、坑穴、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。（

5、二）化学腐蚀汽泡由于体积缩小而温度升高，同时，由于水锤冲击引起水流和壁面的变形也会引起温度增高。曾有试验证明，汽泡凝结时的瞬时局部高温可达300400。在产生汽泡中，还夹杂有一些活泼气体(如氧气)及其离子（如氧离子）等，借助汽泡凝结时所释放出的热量，对金属起化学腐蚀作用，从而生成氧化亚铁、氧化铁以及它们的混合物四氧化三铁等，大大地降低了金属的强度，加剧了机械剥蚀的作用效果。（三）电化反应在高温、高压之下，水流会产生一些带电现象。过流部件因汽蚀产生温度差异，冷热过流部件之间形成热电偶，而产生电位差，从而对金属表面发生电解作用(即电化学作用)，金属的光滑层因电解而逐渐变得粗糙。表面光洁被破坏后，机

6、械剥蚀作用才有效的开始。这样在机械剥蚀、化学腐蚀和电化反应等共同作用下，就更加快了金属损坏速度。图412 蚀坏的叶片图（）双吸泵叶片 （）轴流泵叶片另外，当水中泥沙含量较高时，由于泥沙的磨蚀，破坏了水泵过流部件的表层，当其中某些部位发生汽蚀时，有加快金属蚀坏的作用。在汽蚀破坏和凝结时，随着产生的压强瞬时周期性的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音和振动现象。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自振频率相互接近时，可能引起共振，从而使其振幅大大增加。三、 分类图414叶轮叶片背面低压区图（）离心泵 （）轴流泵1.叶面汽蚀 图413流量大雨设

7、计流量时叶片正面漩涡区图图416 轴流泵汽蚀发生部位1叶片正面 2叶片背面 3间隙4轮彀体表面5导叶叶面4轮毂体表面 5导叶叶面图415离心泵汽蚀发生部位1叶片正面 2、3叶片背面:4前盖板 5间隙气蚀的发生部位。如图412图416所示，即使水泵在设计工况下运行时，由于水泵安装过高等原因，而在叶片迸出口背面出现的低压区。当水泵流量大于设计流量时，叶轮进口相对速度的方向发生向前偏离，角增大，叶片前缘正面发生脱流和漩涡，产生负压，甚至发生汽蚀。当水泵流量小于设计流量时，减小，向后偏离，叶片背面产生游涡区，从而加重了叶片背面低压区的汽蚀程度。在上述两种工况所产生的汽蚀现象中，其汽泡的形成和破灭基本上

8、发生在叶片的正、反面，称之为叶片汽蚀。叶片汽蚀是水泵常见的汽蚀现象。2.间隙汽蚀 当水流流经离心泵的回流槽等缝隙时，水流通过突然变窄的间隙，速度增加而压强下降，也会产生汽蚀。轴流泵的叶片外缘与泵壳之间很小的间隙内，在叶片正、背两侧很大的压强差作用下，引起极大的回流速度，造成局部压降，引起间隙汽蚀。在泵壳对应叶片外缘部位形成一圈蜂窝麻面汽蚀带。在离心泵的减漏环与叶轮外缘间隙处，亦会引起间隙汽蚀，如图414图415所示。图417涡带汽蚀发生部位3.涡带汽蚀 涡带汽蚀是由于进水建筑物、进水构筑物设计不当，造成了水泵进口处水流的紊乱和漩涡，产生了涡带，把大量的气体周期性地带入水泵内。即使在水泵叶片本身

9、不产生叶面汽蚀的情况下，由于涡带的产生也会在叶片低压区产生周期性的强度很大的叶面汽蚀。当漩涡的旋转方向与水泵的旋转方向相同时，使相对运动削弱，流量减小、扬程降低、效率下降、功率增加（轴流泵）或减少（离心泵），引起超载（轴流泵）或欠载（离心泵）；当漩涡的旋转方向与水泵的旋转方向相反时，使相对运动加强，流量增加、扬程增高、效率下降、离心泵的功率增加或轴流泵的功率减少，引起超载（离心泵）或欠载（轴流泵）。都是不利的（图417）。四、危害1.使水泵的性能变坏。详见三.3。2.使水泵的过流部件损坏。详见二.（二）。3.产生噪音和振动，缩短机组的使用寿命详见二.（三）五、常见原因1. 安装高程过高；2.

10、进流条件不好；3. 吸水损失过大；4. 局部压强太低；5. 局部水温太高；6. 制造材料低劣；7. 工艺水平过低。六、减轻和防治汽蚀的措施水泵的汽蚀是由水泵本身的汽蚀性能和抽水装置的使用条件来决定的。水泵运行过程中，一定程度的汽蚀往往总是发生。问题在于设法减轻汽蚀的影响。减轻汽蚀的根本措施是提高泵本身的抗汽蚀性能，尽可能减小必需汽蚀余量。但是，对给定的水泵来说，应合理地确定水泵吸入侧管路系统的装置情况和水泵的合理运行。下面从使用角度叙述减轻汽蚀的一些措施。1.正确地确定水泵安装高程：在设计泵站时，要使装置汽蚀余量大于水泵的允许汽蚀余量，或者水泵进口处的吸上真空度小于水泵的允许吸上真空度。同时，

11、应充分考虑抽水装置可能遇到的各种工作情况，以便正确地确定安装高程。2. 要有良好的进水条件：进水建筑物内的水流要平稳、均匀，不产生漩涡。大中型泵站的进水流道要设计得合理，进入叶轮的水流速度和压强要接近正常分布，避免产生局部低压区。3尽量减少进水管路水头损失：在设计泵站时，应尽量缩短进水管路的长度，减少管路的附件，管道内壁应光滑和适当加大进水管的直径。 4. 提高汽蚀区的压强：在水泵进水管内，注入少量水或空气，可以缓和汽泡破灭时的冲击，并减小汽蚀区的真空度。但注入量必须控制，否则反而会使水泵工作性能变坏。将出水管的高压水引入泵的进口，可以提高叶轮进口的压强，从而提高泵的抗汽蚀性能。但减小了水泵的

12、出水量，降低了水泵的效率。如江都水利枢纽工程第三排灌站，在轴流泵叶片进水端发生汽蚀的部位，采取钻斜孔的办法，提高汽蚀区的压强，可以减轻叶面汽蚀的程度。5. 降低工作水温：夏季气温较高，可掺井水混合或在引水渠、进水建筑物处加遮热晒措施，以减轻汽蚀现象的危害程度。6提高叶轮表面的光洁度：叶轮表面的光洁度影响泵的汽蚀性能，光洁度愈高，其抗汽蚀性能愈好。如果叶轮表面粗糙，使用单位可精细加工，提高其光洁度。7. 涂环氧树脂：在发生汽蚀的部位涂一层环氧树脂，可以提高叶轮表面的抗汽蚀性能，减轻叶轮表面被汽蚀破坏的程度。此外，多泥沙水源的泵站应留有更多的汽蚀余量。8.调节水泵的工况点：在水泵运行过程中，利用调

13、节水泵工况点的方法可以减轻汽蚀，对于离心泵适当减少流量，使工况点向左移动，减少 值或增大值，对于轴流泵可调节叶片安装角，使工况点移到值较小的区域。允许汽蚀余量与转速的平方成正比。降低水泵的转速，可以减轻汽蚀现象的危害。水泵工况点调节的具体方法，详见第三章第三节。第二节 汽蚀性能参数和汽蚀基本方程图421 离心泵 抽水装置简图一、汽蚀性能参数（一）汽蚀余量汽蚀余量是表征水泵汽蚀性能的参数，我国一般用符号表示，国际标准用（）表示。1.装置汽蚀余量所谓汽蚀余量是指在水泵进口处，单位重量的水所具有的大于汽化压强的剩余比能，其大小以换算到水泵基准面上的米水柱表示。根据其定义，可写出下列表达式： （421

14、）式中：一所抽水温度下的汽化压强(），其它符号意义同前。装置汽蚀余量是水泵装置给予水泵基准面上单位重量水的能量，减去相应水温的汽化压强水头后剩余的比能。也就是装置给水泵提供的汽蚀余量。装置形式不同，计算式也不同。当水泵安装于进水建筑物水面以上时，如图421所示，以进水建筑物水面为位置基准面，选用绝对压强，对进水建筑物水面和水泵进口断面 断面列能量方程得： （422）式中：进水建筑物水面上的大气压强( )；水泵进口处的绝对压强( )水泵进口的断面平均流速()，吸水管路的水头损失 ()，其它符号同前。进水建筑物的流速水头很小，可以忽略不计。将式（422）代入（421），并忽略进水建筑物中的流速水头

15、，即可得到装置汽蚀余量的计算式： （423）当水泵安装于进水建筑物水面以下时，采用同样方法，也可以导出装置汽蚀余量的计算公式 （424）式中：水泵的倒灌(或淹水)深度()。应当注意，装置汽蚀量是指水泵装置能提供给水泵的汽蚀余量。422吸入式工作的水泵气拾余量图2.临界汽蚀余量临界汽蚀余量是指水泵内最低压强点的压强为汽化压强时水泵进口处的汽蚀余量，其实质是水泵进口处的水在流到水泵内最低压强点压强降为汽化压强时的水头降，如图422所示。也就是说，临界汽蚀余量为水泵内发生汽蚀的临界条件。3.允许汽蚀余量允许汽蚀余量是将临界汽蚀余量适当加大，以保证水泵正常工作不发生汽蚀情况下的汽蚀余量。其计算公式为

16、（425）式中：0.3是按我国一机部颁发的标准104067的规定所加的安全值。由于大型水泵一方面较大，另一方面从模型试验换算到原型水泵时，由于比尺效应的影响，0.3安全值尚嫌小， 可采用下式计算 （426）应当注意， 和一样也是水泵本身的汽蚀参数。在水泵的流量和转速相同时，其数值越小，则水泵的汽蚀性能越好。（二）允许吸上真空度允许吸上真空高度是为保证水泵内部压强最低点不产生，或仅产生微弱的对水泵工作尚无危害的汽蚀时，在水泵进口处允许的最大真空度，以换算到水泵装置参考基准面上的米水柱表示。是水泵汽蚀参数的一种表达形式。当进水建筑物水面为大气压强时，如图（421）所示。对水源水面和叶轮进口列能量方

17、程整理得： （427）式中：水泵进口处的真空高度。说明:在水泵吸水过程中，进水建筑物水面和水泵进口间的压差，一方面用于维持水的流动所需要的流速水头；另一方面用于克服因流动而引起的水力摩擦阻力损失水头；再一方面用于把水流从进水建筑物液面提升到的高度。三者中任何一项变大，都会引起真空度的增加。为了防止水泵产生汽蚀，水泵样本中规定了水泵的允许吸上真空度。若真达到时，其对应的即为允许的最大净吸上高度，并考虑的安全储备即： （428）（三）允许汽蚀余量与允许吸上真空度的关系为使水泵不产生汽蚀，装置提供的汽蚀余量应大于或等于水泵的允许汽蚀余量，即 （429）当取时，式（429）中的净吸上高度相应为允许吸上

18、高度，在标准状态下( （4210）根据式（428）与式（4210）的关系，可得出： （4211）或 （4212）以上两式就是两种不同形式的水泵汽蚀参数之间的换算公式。二、汽蚀基本方程水泵在运行时是否发生汽蚀，是由水泵本身的汽蚀性能与抽水装置的使用条件共同决定的。它们之间的关系可由汽蚀基本方程式反映出来。水泵运行时，水流自进水建筑物经进水管至水泵进口，再从水泵进口流入叶轮流道。由于水泵吸水室一般是收缩的，所以水流的流速要升高，压强相应地降低。当水流进入叶轮流道时，水流以相对速度绕流叶片进口边，由于急骤转弯，流速加大。这种现象在叶片背面点处最为显著，造成点的压强急骤降低。如图422所示。以后由于水

19、流从旋转的叶片获得机械，压强开始升高。如图421所示，以通过泵轴线的水平面为基准面，列出水泵进口处断面及叶片进口前11断面的能量方程式： （4213）式中:断面至1I断面的水头损失（）。再对11断面及点列出相对运动的能量方程式 （4214）式中:11断面至断面水头损失（）。从公式（4213）、（4214）可得： （4215）在公式(4215）中，数值很小，可以略去不计。点与11断面很近， ，。用叶轮进口平均流速表示。水头损失用叶轮进口平均流速水头与局部水头损失系数的乘积表示，式(4215）可写为： （4216）令，公式(4216）可写为： （4217）图423 水流绕流叶片头部时压力变化图当点

20、的绝对压强下降到相应于抽送水温的汽化压强时，水泵开始发生汽蚀，将代入公式（425）得： （4218）上式就是表征叶片泵汽蚀条件及影响汽蚀诸因素之间的关系式，称汽蚀基本方程式。式中:=1.01.2绝对速度及水力损失引起的压降系数；相对速度变化及液体绕流叶片端部引起的压降数它与冲角有密切关系，在额定工况点，=0.30.4，在非额定工况点，为变数如图423、424所示，内部压头下降值之中的第二项是叶轮进口和进口附近叶片背面的压强差，它的变化很大，而且通常不小于3 。系数基本上随及其叶片进水端形图424 水流进入水泵后的能量变化图状而变，而又决定于泵壳进水道的构造和比值。由此可知，内部压强下降值是相当

21、大，而且是依水泵构造和工作情况而定。对于低比转数的小型水泵， 具有决定性的意义，而则无重要意义。对于高比转数的水泵，则相反。式（4218）即为临界汽蚀余量的理论计算公式。该式建立了水泵的汽蚀参数与运动情况之间的关系，是水泵汽蚀计算和研究的重要理论公式之一。在流量和转速相同的条件下，越小，则水泵的汽蚀性能越好。用式（4218）计算，在额定工况下计算结果与实际情况基本相符，但在非额定工况下，由于是随工况而变的，目前还难以计算，故仍由试验方法确定。第三节 水泵安装高程的确定一、安装高度确定（一）用允许吸上真空高度计算我国的离心泵的安装高度一般用允许吸上真空高度计算。1. 安装高度确水泵安装高程是指水

22、泵的基准面高程（详见图431）。卧式水泵一般多安在进水建筑物水面以上，由式（4221）可得水泵的安装高度计算公式：图 431 叶片泵的基准面()卧式叶片泵通过泵轴的水平面 ()立式离心泵和混流泵通过第一级叶轮出口中心的水平（）立式轴流泵通过叶片轴线的水平面 （431）2.适用条件在确定水泵的安装高度时，必须注意水泵制造厂样本中所给的是在下列条件下的容许吸上真空高度:(1)水泵的转速是设计转速；(2)大气压强水头(一个标准大气压强)；(3)水的温度在20以下。3. 公式修正（1）对海拔和水温的修正如果实际情况与这些条件不符时，应进行下述修正。各地大气压的数值取决于各地的海拔(表431)，而水的饱

23、和蒸汽压强是依水的温度而定的(表432)。所以，在大气压强水头不等于10.33与水温超过20的情况下，容许吸上真空高度应由下式修正： （432）表431 不同海拔的当地大气压表 海拔（）-600010020030040050060070011.310.3310.210.110.09.89.79.69.5海拔（）8009001000150020003000400050009.49.39.28.68.17.26.35.5（2）对转速的修正 （433）表432 不同水温时的汽化压强表水温（）5102030405060708090100（）0.090.130.240.430.751.262.023.1

24、84.837.1510.33（二）用允许汽蚀余量计算1. 安装高度确定轴流泵的吸上性能是由汽蚀余量来表示的。由式（4210）知道 （434）2.适用条件:水泵的转速是设计转速。3. 公式修正 （435）根据式（431）和（434）算出的安装高度为正值，表示该泵可以安装在水面以上，如卧式离心泵。但是若将立式轴流泵叶轮安装在水面以上，水泵起动前就要事先排气。因此，为了便于起动，常将叶轮中心线淹没于水下0.51.0 。若安装高度为负值，表示该水泵必须安装在水面以下，其数值即表示叶轮中心必须淹没在水下的最小深度，如果其值不足0.5，应当采用0.51.0。二、安装高程确定水泵的安装高程，取水源设计最高水

25、位加上相对应的安装高度，与水源设计最低水位加上相对应的安装高度，两者的最小值： （436）第四节 汽蚀相似定律与相似判据、汽蚀相似定律若有两台水泵，它们的叶轮进口几何形状相似，而且在相似工况下运行。根据式（4217）和相似定律得： （441）在几何和运动相似的条件下有 （442） （443）该式即为常用的汽蚀相似定律公式，也是根据几何和运动相似条件推导出来的。然而原型泵和模型泵的汽蚀相似，除应遵守几何和运动相似条件外，还必须保持动力相似。另外，从相似律的观点来说，粗糙度、汽核和汽泡都无法按比例缩放，因而汽泡的发生、发展和溃灭的过程，就无法按比例模拟。因此，模型与原型按式（433）换算时，存在尺

26、度效应的问题。二、托马汽蚀系数在相似工况下，叶轮内对应点流速平方之比等于扬程之比，所以式（443）可改写如下 （444）由此可得 （445）式（445）说明，在相似工况下，水泵的临界汽蚀余量与扬程之比为常数，值与水泵的大小无关，这就是汽蚀相似的判据。式（445）是德国学者托马在1924年提出供水轮机用的，故称托马汽蚀系数，后来在叶片泵方面也得到广泛的应用。从式（445）中可以看出，与扬程和临界汽蚀余量有关，但对叶片泵，特别是离心泵，扬程主要取决于叶轮出口条件，与进口条件基本无关。因此，托马汽蚀系数用作离心泵的汽蚀相似判据是不适宜的。但由于习惯的原因，目前欧美日各国仍广泛采用托马汽蚀系数作叶片泵的汽蚀性能相似的判据。三、汽蚀比转数根据式（443）可得出 （446）把式（248）第一式整理得： （447