离心泵叶轮的汽蚀破坏及设计优化

郑州电力机械厂杨桂杰刘华威

离心泵叶轮的汽蚀破坏及设计优化

郑州电力机械厂杨桂杰刘华威

由于使用环境所限，水泵发生汽蚀不可能完全避免。本文中，笔者主要讨论离心泵的汽蚀及相关问题。衡量泵性能的主要参数有流量Q、扬程H、转速n、汽蚀余量NPSHr及功率P和效率η。汽蚀对泵的安全稳定运行有着巨大的威胁，因此如何避免泵在运行中出现汽蚀就成为水泵设计和运行中的重点问题。

一、泵汽蚀现象

液体在泵过流部件内流动的过程中，当液体的绝对压力低于当时温度下液体的汽化压力时，液体开始汽化并伴随着液体内溶解的气体的析出形成气泡，气泡随液体流到叶轮流道压力较高处时，气泡周围的高压液体致使气泡急剧地缩小以至破裂。在气泡凝结破裂的同时，液体质点以很高的速度填充空穴，在此瞬间产生很强烈的水击作用，并以很高的冲击频率打击金属表面，冲击应力可达几十个兆帕，冲击频率可达每秒几万次，水泵壁面在冲击力反复作用下致使金属表面因疲劳产生麻点和微小裂纹，继而变成蜂窝状，这种现象即为汽蚀。汽蚀破坏除具有机械力作用外，同时还伴有电解、化学腐蚀等作用，从而造成过流部件的早期破坏。（见图1）

在水泵中产生气泡和气泡破裂使过流部件遭受到破坏的过程就是水泵的汽蚀过程。水泵发生汽蚀后使金属表面产生麻点和微小裂纹并逐渐扩大，削弱了叶片的强度，继之产生破坏，从而对泵的安全运行产生威胁。汽蚀除了对过流部件会产生破坏作用以外，还会产生噪声和振动，并导致泵的性能下降，扬程、效率降低，严重时会使泵中液体中断，不能正常工作。

二、汽蚀对泵性能的影响及危害

1.影响泵的运转特性。当气泡受高压水流挤压，冲向气泡中心时，由于很强的冲击碰撞，产生剧烈的水锤使水泵的工作性能恶化。表现为流量-扬程曲线和效率曲线的降低。在不同比转速的泵内，流量-扬程曲线和效率曲线的降低程度是不一样的。对于低比转速的泵（ns＜105），由于其叶槽流道狭长，宽度较小，当流量增加到开始发生汽蚀的工况点时，气泡迅速占据槽道面积，甚至占据全部槽道，使水流的连续性遭到破坏，引起水流的阻断，水泵的流量-扬程曲线急剧下降，造成水泵的效率随着降低；对于中、高比转速的离心泵和混流泵（ns＞105），由于叶槽较宽，气泡占据叶槽断面的某一部分，因此出现流量-扬程曲线较平坦的下降，效率的下降也较为缓慢，在达到突然断裂工况之前，流量-扬程曲线和效率曲线是逐渐降低的。

2.过流部件发生破坏。由于水锤的打击作用，使泵过流部件的表面产生塑性变形和硬化，产生金属疲劳现象。材料性质变脆，产生剥蚀和裂纹，直接影响到叶轮、导叶等过流零件的强度。长时间作用而形成麻点，进而形成裂隙，直到水泵的叶轮或泵壳被蚀坏，甚至形成断裂现象。在汽蚀过程中还伴有“电蚀”、化学腐蚀等现象。水中含固体颗粒较多时，还伴随着磨蚀的作用。

3.产生振动和噪音。发生汽蚀时，水流互相碰撞和挤压，会产生剧烈的振动，造成泵组零部件的破坏。伴随着强烈的水流冲击，而产生噪声，有时会产生啸叫的噪音，危及泵站中运行操作人员的健康。

三、泵汽蚀的类型

泵汽蚀一般可分为下列几种类型。

1.叶型汽蚀。这是水泵普遍具有的汽蚀现象。是发生在叶片表面的汽蚀，汽蚀破坏区在水泵叶轮的叶片表面上，在正面和背面，称为叶面型汽蚀（图2）。主要是因为水泵安装过高或倒灌高度不够，或流量偏离设计流量过大时产生的汽蚀现象。其空泡形成和溃灭多发生在叶片的正面和背面以及叶片的根部。

图2 叶型汽蚀

离心泵在大流量时，叶面型汽蚀发生在1、4、3几个部位，小流量时，发生在2、4、1几个部位。轴流泵在大流量时叶面型汽蚀发生在叶片的正面，小流量时发生在叶片的背面。

2.间隙汽蚀。水泵在低负荷运行时，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。在离心泵的密封环及叶轮外缘间隙处，亦会引起间隙汽蚀。

3.漩涡汽蚀。漩涡汽蚀是由于进水装置设计不当，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）。

当水泵产生汽蚀时，破坏叶轮，使水泵效率降低和出力不稳。因此在运行时应尽量设法消除汽蚀。

四、优化泵叶轮设计，提高泵抗汽蚀能力

泵汽蚀发生的条件是泵本身的汽蚀性能和吸入装置条件两方面决定的。欲不使泵汽蚀，必须增大装置汽蚀余量NPSHa，减小泵汽蚀余量NPSHr。影响泵汽蚀余量的主要因素是泵叶轮进口的几何形状，如叶轮进口直径Dj，叶片进口安放角β1，叶片进口边的形状、叶片数、叶轮进口流道形状等，因此提高泵的抗汽蚀性能必须从改进泵入口的结构参数入手。

从叶轮的设计上提高泵本身的抗汽蚀性能的主要措施有：取较大的叶轮进口直径Dj，但Dj太大，口环泄漏面积增加，容积效率下降；增加叶轮叶片进口宽度b1，但泵的效率随b1增加而下降；叶片进口边适当向吸入口方向延伸并做成扭曲；修整叶片头部，将叶片头部背面修薄，在接近叶轮前盖板处多修一些，使其接近流线型；叶片进口采用正冲角，一般取3°～10°，过大影响效率，而且采用较小的叶片入口安放角β1，能降低必需汽蚀余量；提高叶轮进口部分的光洁度；采用平衡孔；采用抗汽蚀性能好的材料。材料的强度、硬度、韧性越高，化学稳定性越好，抗汽蚀的性能越强；采用双吸叶轮；在叶轮前加装诱导轮；增加前置泵。

五、预防泵汽蚀的其他措施

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NPSHa大于泵的允许汽蚀余量NPSHr，并留有余量。减小泵的几何吸上高度或增加几何倒灌高度。同时，应充分考虑进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.要有良好的进水装置条件。进水装置内的水流要平稳、均匀，不产生漩涡。泵入口如存在强力涡流，应增加破涡板。泵站的进水流道要设计合理，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.减少进水管路水头损失。尽量缩短进水管路的长度，管道内壁应光滑和适当加大水管的直径，减小管路中的流速，减少弯管和阀门，尽量加大阀门开度等。

4.向汽蚀区注入空气。在水泵进水管内，注入少量空气，也是降低汽蚀磨损的方法之一。

5.调节水泵的运行工况点。在水泵运行过程中，利用调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或降速运行，使工况点向左移动，对于轴流泵可调节叶片安装角，使工况点移到良好的水泵运行工况，可以防止水泵振动产生汽蚀。