梳理 | 离心泵的“汽蚀”、汽蚀余量“以及相关计算
2024/7/12
化工泵是工业生产中不可或缺的设备之一，但在使用过程中，有时会遇到汽蚀问题。本文将为您揭示水泵汽蚀的原因、危害、定义以及解决方案，助您更好地了解和应对这一问题。
PART01
泵产生汽蚀的成因
Causes of
pump cavitation
水泵汽蚀是指在泵的吸入口处，液体因受到负压的作用而产生气泡，随着液体流动进入泵内部，气泡在高压环境下迅速破裂，对泵叶轮等部件造成严重腐蚀和损伤。造成水泵汽蚀的主要原因有以下三点：
1. 安装高度过高：水泵的安装高度过高会导致吸入口处的压力降低，容易引发汽蚀。
2. 流体温度过高：流体温度过高会降低液体的蒸汽压力，使得液体更容易产生气泡，从而引发汽蚀。
3. 吸入管路阻力过大：吸入管路阻力过大会增加泵的吸入口压力损失，降低吸入口压力，容易导致汽蚀。
PART02
汽蚀对泵产生的危害
水泵汽蚀对泵的性能和寿命都有极大的影响，主要表现为以下两方面：
1. 过流部件腐蚀：气泡破灭时产生高频（600～25000HZ）冲击，压力高49Mpa，致使金属表面出现机械剥蚀；以及汽化时放出热量，并有温差电池作用产生水解，产生的氧气使金属氧化，发生化学腐蚀。
2. 泵性能下降：汽蚀会导致泵叶轮内的能量交换受到干扰和破坏，使得泵的外特性曲线下降，严重时甚至会使泵中的液流中断，无法正常工作。
离心泵最易发生汽蚀的部位
1.叶轮曲率最大的前盖板处，靠近叶片进口边缘的低压侧；
2.压出室中蜗壳隔舌和导叶的靠近进口边缘低压侧；
3.无前盖板的高比转数叶轮的叶梢外圆与壳体之间的密封间隙以及叶梢的低压侧；
4.多级泵中第一级叶轮。
PART03
汽蚀余量分类
NPSHa（装置汽蚀余量）
又称有效汽蚀余量，指的是在泵的吸入口处，单位重量液体所具有的超过汽化压力（饱和蒸汽压力）的富余能量。NPSHa越大，说明液体在泵内汽化的可能性越小，抗汽蚀性能越好。
NPSHr（泵汽蚀余量）
又称必需的汽蚀余量或泵进口动压降，指的是液体在泵吸入口的能头对压力最低点处静压能头的富余能头。NPSHr越小，表明泵的抗汽蚀性能越好。
NPSHc（临界汽蚀余量）
是指液体泵在工作过程中能够承受的最大汽蚀程度。临界汽蚀余量取决于多个因素，如泵的结构、设计参数、液体性质等。一般情况下，临界汽蚀余量越大，泵的抗汽蚀能力越强。
[NPSH]（许用汽蚀余量）
为保证离心泵不发生汽蚀现象，泵入口处液体的液柱压强比操作温度下液体饱和蒸汽压高出的最少余量。通常取[NPSH] = (1.1～1.5)NPSHc。
蚀余量有如下关系：
NPSHc ≤ NPSHr ≤ [NPSH] ≤ NPSHa
拓展：
必需汽蚀余量和有效汽蚀余量之间的联系
必需汽蚀余量（NPSHr）是指在特定转速和流量下，泵能安全运行不发生汽蚀的最小汽蚀余量。这个参数是由泵的设计特性决定，与泵的结构、转速、叶轮设计等因素密切相关。NPSHr越低表明泵自身对汽蚀的抵抗能力较强，即需要的系统提供的汽蚀余量较小。（此值和泵结构有关，由泵厂家提供）
有效汽蚀余量（NPSHa），亦称装置汽蚀余量，是指在特定的泵安装条件下，由吸入系统提供的、足以使泵在进口处单位重量液体具有的超过汽化压力水头的富余能量。这个参数是由泵的安装环境、管路配置以及液体的性质等因素决定的，并通过计算得到。NPSHa较高意味着系统提供的汽蚀余量较大，泵发生汽蚀的风险较低。
综上所述，为了防止泵汽蚀，应严格计算并确保NPSHa>NPSHr，以确保泵在各种工况下均能稳定高效地运行。
通常，为了提供一定的安全裕度，会在计算出的NPSHa值基础上增加一个额外的富余能头，即允许汽蚀余量（Δh）。对于小型泵，这个额外的富余能头可以是Δhc（必需汽蚀余量）加上0.3米；对于大型水泵，则可以是Δhc的1.1至1.3倍。
PART04
汽蚀余量计算示例
计算公式
▪一个标准大气压折合水柱10.33m。
▪不同温度下水的饱和蒸汽压如下表所示
实际案例
（案例原文出处：煤化工安全技术）
举例说明1：(液上式布置)
某地大气压为10.3米水柱，输送介质为30℃的水（对应的饱和蒸汽压力为绝对压力0.042MPa，4.2米水柱），泵的铭牌上标注的必须汽蚀余量为2米，已知吸入管路的阻力压头约为2米，求泵的最大安装高度？
解：泵的允许安装高度=液面上方的气压比该温度下液体饱和蒸汽压高出的压头-允许汽蚀余量-吸入管路的阻力压头=10.3-4.2-（2+0.3）-2=1.8米即:该泵的入口管道中心线最多只允许比吸液面高出1.8米，否则运行中将发生汽蚀
举例说明2：（液下式布置）
某电厂所在地大气压为100kPa,除氧器内正常运行水温102℃（对应的水的密度为956.9kg/m3），除氧器内液面上压力保持20kPa，给水泵的必须汽蚀余量为1.5米，已知给水泵的入口管道阻力压头为1.7米，问该给水泵安装时，入口管道最少要比除氧器运行液面低几米？
解：注意：本例中液面上方不是大气压，
液面上方的气压对应水柱=P/（ρg）=（100+20）×1000/（956.9×9.81）=12.78米
该压力（120kPa）和温度（102℃）下水的饱和蒸汽压查表为108.9kPa
饱和蒸汽压对应的水柱=P/(ρg)=108.9×1000/（956.9×9.81）=11.6米
泵的允许安装高度=液面上方的气压比该温度下液体饱和蒸汽压高出的压头 - 允许汽蚀余量 - 吸入管路的阻力压头=12.78-11.6-（1.5+0.3）-1.7= - 2.32米
即:该给水泵的入口管道中心线至少要比吸液面低出2.32米，否则运行中将发生汽蚀。
理解：大气压加上除氧器内部的压力一共给液体提供了12.78米水柱的压头，泵安装在液面下2.32米又提供了2.32米的额外压头，所以泵入口管道中心线处有12.78+2.32=15.1米的动力压头，其中1.7米用于克服从除氧器流动到泵入口的流动阻力，1.5米用于克服从泵入口到叶片压力最低处的压力降，还有11.9米水柱的富余压头比102℃下水的饱和汽压11.6米还高出0.3米，所以不会汽蚀。
举例说明三：计算吸程
1. 查找泵样本中的允许吸上高度：首先，你需要找到泵样本或者手册，查看泵的允许吸上高度（也被称为必需汽蚀余量）。这个值通常是以米为单位给出的。
2. 计算吸程：这个公式可以帮助你确定泵的安装高度是否在许用汽蚀范围内。
吸程计算公式:
吸程=标准大气压(10.33)-汽蚀余量-安全量(0.5)
理解：大气压提供10.3米水柱的动力，其中1.8米水柱用于克服液体从液面到泵入口的静压力，2米用于克服入口管道的流动阻力，还有2米用于让液体从泵入口流动到叶片压力最低处，当前温度下液体压力低于4.2米就会汽化，我们还比他高了0.3米液柱的压力，所以不会汽蚀。
例题：某泵必需汽蚀余量为4.0米，那么吸程Δh就是：Δh =
10.33 - 4.0 - 0.5 = 5.83米
如果你的实际安装高度为6.0米，那么你就需要采取措施降低安装高度，以确保在许用汽蚀范围内。
因此最后，你需要比较你的实际安装高度是否小于或等于吸程。如果实际安装高度大于吸程，那么就存在汽蚀的风险。
请注意，以上计算方法适用于理想情况，实际情况可能会受到许多其他因素的影响，比如液体的性质、温度、压力等。因此，最好咨询专业的工程师或者泵制造商，以确保计算的准确性。
PART04
提高泵汽蚀性能的对策
一、提高泵进液装置有效气蚀余量的措施
（1）将水泵上吸装置改为倒灌装置；
（2）减小水泵吸上装置泵的安装高度；
（3）增加泵前贮液罐中液面的压力，以提高水泵有效气蚀余量。
（4）降低泵入口工质介质温度（当输送工质接近饱和温度时）。
（5）减小泵前管路上的流动损失，例如在要求范围尽量缩短管路，减小管路中的流速，减少弯管和阀门，尽量加大阀门开度等。
二、提高水泵本身抗气蚀性能的措施
（1）改进泵吸入口至叶轮附近的结构计。增大过流面积，增大叶轮盖板进口段的曲率半径，减小液流急剧加速与降压，适当减少叶片进口的厚度，并将叶片进口修圆，使其接近流线形，也可以减少绕流叶片头部的加速与降压，提高叶轮和叶片进口部分表面光洁度以减小阻力损失，将叶片进口边向叶轮进口延伸，使液流提前接受作功，提高压力。
（2）采用双吸叶轮，让液流从叶轮两侧同时进入叶轮，则进口截面增加一倍，进口流速可减少一倍。
（3）采用前置诱导叶轮，使液流在前置诱导轮中提前作功，以提高液流压力。
（4）采用抗气蚀的材料，实践表明，材料的强度、硬度、韧性越高，化学稳定性越好，抗气蚀的性能越强。
（5）设计工况采用稍大的正冲角，以增大叶片进口角，减小叶片进口处的弯曲，减小叶片阻塞，以增大进口面积，改善大流量下的工作条件，以减少流动损失，但正冲角不宜过大，否则影响效率。
三、下降必需汽蚀余量
（1）适当增大叶轮入口直径和增大叶片进口宽度，可降低水泵临界空化裕度。
（2）降低叶轮入口速度和相对速度，减少气泡产生
（3）采用在多级泵叶轮、感应轮和设置感应轮的方法，产生压力轮在同轴装配后共同工作，在此过程中对泵叶轮进料增压的压力，以提高泵的抗气蚀性能。
四、提高过流元件数据的抗空化能力
选择具有较强的抗气蚀水泵材质部件
（1）铸造选择锰、青铜和不锈钢等材质
（2）表面采用聚合物涂层或激光喷涂
五、提高进口设备防气蚀能力
（1）泵进水设备和管道系统的设置与气蚀裕度有着密切的关系，为了满足水泵动态压降的要求，必须规划出优秀的进水设备，尽可能提高泵厂家引进的气蚀裕度。
（2）其次，合理确定泵的吸水率，应充分考虑泵生产厂家在运行过程中可能遇到的各种工况，确定的吸水率应满足在任何工况下的吸水率要求。
（3）此外，还选择了合理的进气管道，尽量减少卧式泵进水管的长度和不必要的管件，适当增加进水管直径，以减少进水口的水力损失，提高水泵入口的空化裕度。
除了上述措施，还可以在泵的运行中选择变量阀、变速、变角度等调理方式，以避免泵的运行状况与计划工况相差太远，从而进一步提高泵的抗汽蚀性能。通过这些综合措施，可以显著提升泵在面对汽蚀问题时的稳定性和效率。
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