汽蚀对离心泵性能影响的实验研究

(青海民族大学土木与交通工程学院，青海 西宁 810007)

离心泵一般具有大流量、低扬程、高效率、运转可靠和维护方便等优点[1]，在工业生产中广泛应用。据统计，在石油、化工装置中离心泵的使用量占泵总量的70%～80%[2]。但离心泵在长时间的运转后，尤其是在高海拔地区，会出现危害严重的汽蚀现象，造成泵的性能下降，严重时影响泵的效率、寿命，甚至造成离心泵内部部件损坏[3]。为了探究汽蚀对离心泵效率的影响程度及规律，本文在实验室中通过改变进口压力的方法，研究泵发生汽蚀时，泵效率的改变情况。通过实验得出：当离心泵发生汽蚀时，其效率会发生不明显的下降；发生严重汽蚀时，其效率会发生显著下降。泵发生汽蚀时，提高进口压力可以适当减小泵汽蚀所引起的危害。

1 汽蚀现象

汽蚀现象是19世纪末期人们在提高船舶螺旋桨的转速时首次发现的一种现象，从此，开始了对此现象的研究。20世纪20年代，就提出了有明确物理意义的无因次系数[4]。第二次世界大战以后，由于大力发展鱼雷、潜艇等水下武器，对汽蚀现象的基础研究就更为重视[5]。而到了40年代末至50年代，汽蚀核子、汽泡动力学以及汽泡的不稳定性质等思想逐渐兴起，在此期间，还提出了非水液体问题，出现了诱导轮离心泵和超汽蚀泵[6]。直到今日，汽蚀问题仍是一个十分棘手的问题，人们研究发现，当抽送液体的绝对压力降低到当时温度下的液体汽化压力时，液体便在该处开始汽化[7]，产生大量气泡，当气泡经过叶轮内的高压区时，气泡会瞬间被压破。与此同时，液体以很高的速度填充空穴[8]，对叶轮或其他装置造成破坏。当汽蚀现象较轻微时，泵体内会出现振动和噪声[9]；当汽蚀现象较严重时，会造成泵的性能下降，影响泵的效率。

2 实验条件与过程

该实验采用两个型号均为ZP4-2-3D的离心泵进行，其参数见表1，剖面图见图1，实验总装置见图3。在该次实验中，针对单泵、双泵并联、双泵串联分别进行实验。首先通过进口流量阀门使流量达到最大值，作为第一组数据；不断调小进口流量阀门(间接地改变进口压力)，当压力表示数为1.94kPa(17℃下水的饱和蒸气压)时，记录数据并作为泵是否发生汽蚀的判断依据，当进口压力大于1.94kPa时，泵不发生汽蚀，当进口压力小于1.94kPa时，泵开始发生汽蚀，通过观察进口段气泡的多少及大小(见图2)或装置上真空表的数值来观察汽蚀的程度；继续调节进口流量阀门，当压力表示数为零时，记录此时的数据，作为最后一组数据。为了增强实验的说服力，在从汽蚀区和非汽蚀区中各自选出两组数据。最终通过所测得的数据，模拟出单泵、双泵并联、双泵串联三种情况下的进口流量—效率曲线。在泵发生汽蚀的条件下，调节无级变速开关，提高进口压力值，观察流量—效率的变化情况。

表1 离心泵参数情况

图1 离心泵剖面

图2 进口段管道的气泡情况

图3 实验总装置(左边为1号泵、右边为2号泵)

3 实验成果分析

效率是衡量离心泵性能的重要指标之一，其计算公式为

(1)

式中N——泵的功率；

Q1——进口流量；

102——功率换算系数；

η——泵的效率；

H——扬程。

通过式(1)计算得出进口流量与效率的关系曲线。

正常情况下时，进口流量与泵效率呈抛物线关系(见图4～图6)，即：随着进口流量的不断增大，泵的效率先增大，达到最大值后，随着流量的增大而减小。从图5中可以看出，在双泵并联的条件下，正常情况时进口流量—效率关系曲线在1号、2号泵上表现相似。从图6中可以看出，在双泵串联的条件下，正常情况时进口流量—效率关系曲线在1号、2号泵上表现相差较大，从图中可以看出，1号泵的最大效率远远高于2号泵的最大效率。当离心泵发生汽蚀时，三种情况下，泵的进口流量—效率曲线变化趋势相似，都是随着汽蚀的发生泵的效率开始下降，但随着汽蚀的不断增大，当达到严重汽蚀区时，泵的效率发生急剧下降，此时的进口流量—效率曲线出现陡坡。从图5、图6中可以看出，当泵发生汽蚀时，不管是双泵并联还是双泵串联，此时的1号、2号泵进口流量—效率曲线近似重合，从而可以得出：在双泵并联或双泵串联时，由进口流量的变化而引起的汽蚀对泵效率的影响在1号、2号泵上表现相似。

图4 单泵进口流量与效率的关系

图5 双泵并联进口流量与效率的关系

图6 双泵串联进口流量与效率的关系

图7 进口流量与效率关系对比图(单泵、1号)

图8 进口流量与效率关系对比图(单泵、2号)

不管泵的使用方式如何，其效率都会随着进口流量的增大先增大，达到峰值后再降低(见图7～图8)。分析图7可知，随着进口流量的增加，红线首先达到峰值，随后是绿线达到峰值，蓝线最后达到峰值。针对单泵与双泵、串联时的1号泵而言，其效率达到峰值时，进口流量的排序为Q并>Q串>Q单。从图8中可以观察出，随着进口流量的不断增加，红线首先达到峰值，继而是绿线，最后达到峰值的是蓝线，针对单泵与双泵并联、串联时的2号泵而言，其效率达到峰值时，进口流量的关系为Q并>Q串>Q单。从图中还可以看出，在汽蚀区时，双泵并联和双泵串联的1号和2号泵的进口流量—效率曲线的变化程度与单泵的近似，其效率值都低于单泵的效率值。

综上所述得出以下结论：

a.在不同情况下，泵发生汽蚀时，泵的效率开始下降，随着泵汽蚀的不断增大，达到严重汽蚀区时，泵的效率明显下降，流量—效率曲线中出现陡坡。

b.汽蚀条件下，不管是双泵并联还是双泵串联，其1号、2号泵的流量—效率曲线相似。

c.在泵发生汽蚀的情况下，采用单泵时泵所达到的效率要高于采用双泵并联或双泵串联时泵所达到的效率。

4 采取的措施和效果

从上面分析可知，随着进口压力的不断减小，泵的汽蚀程度越来越大，泵的效率也不断降低。为了进一步探究汽蚀对泵效率的影响关系，该实验在1号、2号泵上分别安装了一个无级变速开关，在离心泵处于汽蚀的条件下，通过调节无级变速开关，运用改变转速的方法来提高离心泵的进口压力，研究此时离心泵的流量—效率关系曲线。通过对数据的分析绘制相关曲线(见图9～图11)。

图10 双泵并联汽蚀效率与调整效率的关系

图11 双泵串联汽蚀效率与调整效率的关系

从图中可以看出，不管泵的使用方式如何，泵调整后的效率都高于泵发生汽蚀时的效率，由此可以得出：当泵发生汽蚀时，适当提高离心泵的进口压力，可以有力地提升泵的效率，但在不同的汽蚀区，提高的程度也有所不同。当泵处于汽蚀区时，适当增大离心泵的进口压力，效率有所提高，但提高得不明显，可以近似地等于汽蚀效率；当泵处于严重汽蚀区时，

适当提高泵的进口压力，泵的效率有明显的提高。可见，提高泵的进口压力，可以适当减小泵汽蚀对泵效率所带来的危害，在严重汽蚀区时表现更为突出。

5 结 论

此次实验通过改变进口压力，间接改变进口流量，模拟出不同情况下泵效率的变化情况。通过流量—效率曲线，最终得出：当泵进口压力小于当地温度下输送液体的饱和蒸汽压时，泵开始发生汽蚀，且泵效率也开始降低，但表现不明显；随着汽蚀的不断增大，当达到严重汽蚀区时，泵的效率发生明显下降，机器发出嗡嗡噪声；当泵发生汽蚀时，提高泵的进口压力，可适当减小由泵汽蚀对泵性能所带来的危害。