关于水泵气蚀

水泵气蚀
一般是无法完全避免的，因为离心泵在告诉旋转时，中心部分肯定会产生负压从而使气体分离成小气泡，而排出集液腔也就是叶轮的外周附近压力猛力增加，这样液体就把气泡压破，气泡形成的空穴由液体高速填充。

而接近叶轮外周表面的空穴填充过程就会伤及叶轮表面，除非液体不含任何气体成分也不会在一定负压下挥发。

如果涡壳结构合理，在一定程度上可以延缓气蚀引起的损伤时间。

另外叶轮用比较硬的材料做成也有一定效果。

如果能一定程度降低液体内气体含量就更好了，比如曝气。

气蚀是难以避免的，这是离心泵与生俱来的特性。

但是，我们可以在设计方面考虑。

比如：
1.加大泵的气蚀余量，尽量避免采用自吸的，让液面高于吸口；
2.采用比较好的叶轮，提高抗气蚀性能；
泵内气蚀现象
水泵在运行期间，若由于某种原因使泵内局部压力降低到水的汽化压力(vapor pressure)时，水就会产生汽化而形成气液流。

从水中离析出来的大量气泡随着水流向前运动，到达高压区时受到周围液体的挤压而溃灭，气泡内的气体又重新凝结成水，同时产生很高的水锤压力，使材料的边壁遭受侵蚀和破坏。

通常把这种现象，称为水
泵的气蚀(cavitation)现象。

气蚀过程中，由于泵内含有大量的气泡，叶轮与水流之间的能量转换规律遭到破坏，从而引起水泵性能变坏(流量、扬程和效率迅速下降)，甚至达到断流状态，并伴随有强烈的振动和噪声。

这种性能的变化，对于不同比转数的泵有着不同的特点。

如低比转数的离心泵因叶槽狭长、出口宽度较小，当气蚀发生后，气泡区很容易扩展到叶槽的整个范围，引起水流断裂，水泵性能曲线呈急剧下降形状，如图4-1(a)所示。

对于中、高比转数的离心泵和混流泵，由于叶槽较宽，气泡不容易堵塞通道，只有在脱流区继续发展时，气泡才会布满整个叶槽，因此在性能出现断裂之前，其性能曲线先是比较平缓地下降，然后迅速呈直线下降，如图4-1(b)所示。

对高比转数的轴流泵，由于叶片之间的通道相当宽阔，故气蚀发生后气泡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4-1(c)
所示。

气蚀形成的机理很复杂，有许多种解释。

一般认为，当离析出的气泡被水流带到高压区后，由于气泡周围的水流压力增高，气泡四周的水流质点高速地向气泡中心冲击，水流质点互相撞击，产生强烈的水锤(water hammer)。

根据观察资料表明，其产生的冲击频率每分钟可达几万次，瞬时局部压力可达几十兆帕或几百兆帕。

如此之大的压力，反复作用在微小的金属表面上，将首先引起材料的塑性变形和局部硬化，并产生金属疲劳(metal fatigue)现象，材质变脆，接着会发生裂纹与剥落，以致使金属表面呈蜂窝状的孔洞。

气蚀的进一步作用，可使裂纹相互贯穿，直到叶轮或泵壳蚀坏和断裂，这就是气蚀的机械剥蚀(mechanical denudation)作用。

除了机械剥蚀作用外，在气蚀过程中还伴有化学腐蚀(chemical corrosion)、电化学(electro-chemistry)作用以及水流中所含固体颗粒的磨蚀作用等。

在产生的气泡中，因夹杂有一些活泼的气体(如氧气)，它借助气泡凝结时所释放出来的热量，对金属起化学腐蚀作用。

气泡在进入高压区后，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，气泡凝结时的瞬时局部温度可达300℃左右。

水流在局部高温、高压下，会产生一些
带电现象。

过流部件因气蚀产生温度差异，冷热过流部件之间形成热电偶，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。

表面光洁度破坏后，机械剥蚀作用才有效的开始。

这样，在机械剥蚀、化学腐蚀和电化学等共同作用下，就更加快了材料的破坏速度。

这里需要特别提及的是，当水流中泥沙含量较高时，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气蚀时，则有加快金属材料破坏的作用。

图4-2即为离心泵和轴流泵叶轮被蚀坏的情况。

气蚀发生后，随着产生的压力瞬时周期性的升高和水流质点彼此间的撞击以及对泵壳、叶乾的打击，将使水泵产生强烈的噪声和振动。

其振动可引起机组基础或机座的振动。

当气蚀振动的频率与水泵自振频率相接近时，能引起共振，从而使其振幅大大增加。

水泵在运转时，首先在叶片背面流速最高的部位出现气蚀。

图4-3为水泵在设计工况运行时，由于水泵安装过高而在叶片进出口背
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ω1的方向发生偏离，β1角增大，叶片前缘正面发生脱流和漩涡，产生负压甚至
发生气蚀，如图4-4所示。

当水泵流量小于设计流量时，叶槽进口相对速度ω1偏向相反方向，β1角减小，叶片背面产生漩涡区，从而加重了叶片背面低压
区的气蚀程度
1离心泵气蚀的概念
从本质上看，离心泵气蚀现象是一种流体力学的空化作用，与旋涡有关。

它是指流体在运动过程中压力降至其临界压力(一般为饱和蒸汽压)之下时，局部地方的流体发生汽化，产生微小空泡团。

该空泡团发育增大至一定程度后，在外部因素的影响(气体溶解、蒸汽凝结等)下溃灭而消失，在局部地方引发水锤作用，其应力可达到数千个大气压。

显然这种作用具有破坏性，从宏观结果上看，气蚀现象使得流道表面受到浸蚀破坏(一种持续的高频打击破坏)，引发振动，产生噪音；在严重时出现断裂流动，形成流道阻塞，造成水泵性能的下降。

从上述表述可知，气蚀现象是由于流场中出现的最小绝对压力引起，哪里的绝对压力小，哪里就容易发生气蚀。

因而，控制最小绝对压力即可控制空化作用，有效地减少气蚀现象的发生。

水泵是一种给流体增加能量的机器。

流体经叶轮向外流出，其压力一般而言是增加的，因而在水泵中流体出现最小压力的地方只能是叶轮叶片进口处附近。

这样一来，确保流体在叶轮叶片进口处具有足够的绝对压力，便成为避免水泵发生气蚀的关键。

2水泵的气蚀余量NPSH
由于叶轮机械中流体运动的复杂性，很难从理论上计算出流场中何处可能出现气蚀，再加上气蚀现象不仅仅取决于流体的流动特性，还取决于流体本身的热力学性质，所以，更难于从理论上提出气蚀发生的判据。

因此，在实践中往往是采用经验加实验的办法来提出气蚀
判据。

水泵的气蚀余量概念即是其中的重要判据之一，它既具有一定的理论意义，又是产品验收的标准之一。

水泵气蚀余量有两个概念：其一是与安装方式有关，称有效的气蚀余量NPSHA，它是指水流经吸入管路到达泵吸入口后所余的高出临界压力能头的那部分能量，是可利用的气蚀余量，属于“用户参数”；其二是与泵结本身有关，称必需的气蚀余量NPSHR，它是流体由泵吸入口至压力最低处的压力降低值，是临界的气蚀余量，属于“厂方参数”。

要确保水泵在运行中不气蚀，必须在安装上保证
NPSHA≥K×NPSHR，(K为安全裕量)，而后者由制造厂所保证。

从这个意义上看，降低水泵气蚀余量的意义在于保证水泵的绝对提水高度，满足使用要求。

3NPSHR的分析
显然，NPSHR的大小取决与泵吸入口出流体运动的能量损失。

由于流程较短，这种损失主要体现为流动局部损失。

有如下几方面的因素：
(1)泵吸入口到叶轮进口流道收缩，流速增加而产生的压力损失以及流体运动自轴向变为径向，转弯处流场不均匀而产生压力损失；
(2)流速变化引起的流动损失，体现为压力降低；
(3)流体绕流叶片进口缘产生的能量损失；
(4)叶片厚度排挤作用使得进口速度增加而产生压力损失；
(5)非设计工况下运行流体在叶片前缘产生的冲击损失；
(6)叶轮铸造质量不佳、流道表面不平所致流动粘性损失。

在上面几方面的因素之中，难以完全避免的是前两项；而后几项则可以通过改进设计及制造质量来使之减少。

这就要求设计者在设计时应力求使得从泵进口到叶轮进口这一段流道尽可能地合乎流体运
动之流线，以减少这一段流动的压力损失；而对一台现有的产品泵来说，分析其气蚀性能亦应当从分析其进口流道的流动损失着手。

4某离心泵的气蚀分析
现在对前面所提到的离心泵的气蚀问题作些定性分析。

该泵的气蚀余量偏大，其原因可以认为是由于泵吸入口处存在的过大的压力损失所引起的。

但该泵在小流量时气蚀余量大，这与通常检测结果不一样，可能与设计和制造有关。

小流量时的气蚀余量增加，可认为是在小流量时液流入口角增加，使得叶片入口正冲角过大，从而脱流过大，产生了很大的压力损失；而大流量时气蚀余量增加，更主要的则是由于流速增加使得损失增加所致。

从设计和制造两方面来看，除去间隙气蚀的原因外，叶片进口安放角偏小(设计偏小或铸造时偏小)，叶片入口厚度大，叶片表面铸造质量不佳可能是该型号泵气蚀余量大的主要原因。

5改进措施
对本例泵来说，可以采取以下一些适当措施来减少气蚀发生的可能性：
(1)若有可能的话，可将叶片进口边前移，即在进口边处粘结上一块，使得流体及早接触叶片获得能量，避免出现低于临界压力的情
况发生。

(2)清理叶轮入口流道，尽量使其光滑平坦，提高进口光洁度，减少流动阻力，降低压力损失。

(3)打磨叶片头部，削尖，以减少进口冲击损失，降低进口冲角的敏感性。

(4)如果间隙气蚀严重，可采用在叶轮上打平衡孔的办法来减少泄漏流速，以减轻气蚀程度。