離心泵葉輪的汽蝕破壞及設計優化

鄭州電力機械廠楊桂杰劉華威

離心泵葉輪的汽蝕破壞及設計優化

鄭州電力機械廠楊桂杰劉華威

由于使用環境所限，水泵發生汽蝕不可能完全避免。本文中，筆者主要討論離心泵的汽蝕及相關問題。衡量泵性能的主要參數有流量Q、揚程H、轉速n、汽蝕余量NPSHr及功率P和效率η。汽蝕對泵的安全穩定運行有著巨大的威脅，因此如何避免泵在運行中出現汽蝕就成為水泵設計和運行中的重點問題。

一、泵汽蝕現象

液體在泵過流部件內流動的過程中，當液體的絕對壓力低于當時溫度下液體的汽化壓力時，液體開始汽化并伴隨著液體內溶解的氣體的析出形成氣泡，氣泡隨液體流到葉輪流道壓力較高處時，氣泡周圍的高壓液體致使氣泡急劇地縮小以至破裂。在氣泡凝結破裂的同時，液體質點以很高的速度填充空穴，在此瞬間產生很強烈的水擊作用，并以很高的沖擊頻率打擊金屬表面，沖擊應力可達幾十個兆帕，沖擊頻率可達每秒幾萬次，水泵壁面在沖擊力反復作用下致使金屬表面因疲勞產生麻點和微小裂紋，繼而變成蜂窩狀，這種現象即為汽蝕。汽蝕破壞除具有機械力作用外，同時還伴有電解、化學腐蝕等作用，從而造成過流部件的早期破壞。（見圖1）

在水泵中產生氣泡和氣泡破裂使過流部件遭受到破壞的過程就是水泵的汽蝕過程。水泵發生汽蝕后使金屬表面產生麻點和微小裂紋并逐漸擴大，削弱了葉片的強度，繼之產生破壞，從而對泵的安全運行產生威脅。汽蝕除了對過流部件會產生破壞作用以外，還會產生噪聲和振動，并導致泵的性能下降，揚程、效率降低，嚴重時會使泵中液體中斷，不能正常工作。

二、汽蝕對泵性能的影響及危害

1.影響泵的運轉特性。當氣泡受高壓水流擠壓，沖向氣泡中心時，由于很強的沖擊碰撞，產生劇烈的水錘使水泵的工作性能惡化。表現為流量-揚程曲線和效率曲線的降低。在不同比轉速的泵內，流量-揚程曲線和效率曲線的降低程度是不一樣的。對于低比轉速的泵（ns＜105），由于其葉槽流道狹長，寬度較小，當流量增加到開始發生汽蝕的工況點時，氣泡迅速占據槽道面積，甚至占據全部槽道，使水流的連續性遭到破壞，引起水流的阻斷，水泵的流量-揚程曲線急劇下降，造成水泵的效率隨著降低；對于中、高比轉速的離心泵和混流泵（ns＞105），由于葉槽較寬，氣泡占據葉槽斷面的某一部分，因此出現流量-揚程曲線較平坦的下降，效率的下降也較為緩慢，在達到突然斷裂工況之前，流量-揚程曲線和效率曲線是逐漸降低的。

2.過流部件發生破壞。由于水錘的打擊作用，使泵過流部件的表面產生塑性變形和硬化，產生金屬疲勞現象。材料性質變脆，產生剝蝕和裂紋，直接影響到葉輪、導葉等過流零件的強度。長時間作用而形成麻點，進而形成裂隙，直到水泵的葉輪或泵殼被蝕壞，甚至形成斷裂現象。在汽蝕過程中還伴有“電蝕”、化學腐蝕等現象。水中含固體顆粒較多時，還伴隨著磨蝕的作用。

3.產生振動和噪音。發生汽蝕時，水流互相碰撞和擠壓，會產生劇烈的振動，造成泵組零部件的破壞。伴隨著強烈的水流沖擊，而產生噪聲，有時會產生嘯叫的噪音，危及泵站中運行操作人員的健康。

三、泵汽蝕的類型

泵汽蝕一般可分為下列幾種類型。

1.葉型汽蝕。這是水泵普遍具有的汽蝕現象。是發生在葉片表面的汽蝕，汽蝕破壞區在水泵葉輪的葉片表面上，在正面和背面，稱為葉面型汽蝕（圖2）。主要是因為水泵安裝過高或倒灌高度不夠，或流量偏離設計流量過大時產生的汽蝕現象。其空泡形成和潰滅多發生在葉片的正面和背面以及葉片的根部。

圖2 葉型汽蝕

離心泵在大流量時，葉面型汽蝕發生在1、4、3幾個部位，小流量時，發生在2、4、1幾個部位。軸流泵在大流量時葉面型汽蝕發生在葉片的正面，小流量時發生在葉片的背面。

2.間隙汽蝕。水泵在低負荷運行時，當水流流經離心泵的回流槽等縫隙時，水流通過突然變窄的間隙，速度增加而壓強下降，也會產生汽蝕。在離心泵的密封環及葉輪外緣間隙處，亦會引起間隙汽蝕。

3.漩渦汽蝕。漩渦汽蝕是由于進水裝置設計不當，造成了水泵進口處水流的紊亂和漩渦，產生了渦帶，把大量的氣體周期性地帶入水泵內。即使在水泵葉片本身不產生葉面汽蝕的情況下，由于渦帶的產生也會在葉片低壓區產生周期性的強度很大的葉面汽蝕。當漩渦的旋轉方向與水泵的旋轉方向相同時，使相對運動削弱，流量減小、揚程降低、效率下降、功率增加（軸流泵）或減少（離心泵），引起超載（軸流泵）或欠載（離心泵）；當漩渦的旋轉方向與水泵的旋轉方向相反時，使相對運動加強，流量增加、揚程增高、效率下降、離心泵的功率增加或軸流泵的功率減少，引起超載（離心泵）或欠載（軸流泵）。

當水泵產生汽蝕時，破壞葉輪，使水泵效率降低和出力不穩。因此在運行時應盡量設法消除汽蝕。

四、優化泵葉輪設計，提高泵抗汽蝕能力

泵汽蝕發生的條件是泵本身的汽蝕性能和吸入裝置條件兩方面決定的。欲不使泵汽蝕，必須增大裝置汽蝕余量NPSHa，減小泵汽蝕余量NPSHr。影響泵汽蝕余量的主要因素是泵葉輪進口的幾何形狀，如葉輪進口直徑Dj，葉片進口安放角β1，葉片進口邊的形狀、葉片數、葉輪進口流道形狀等，因此提高泵的抗汽蝕性能必須從改進泵入口的結構參數入手。

從葉輪的設計上提高泵本身的抗汽蝕性能的主要措施有：取較大的葉輪進口直徑Dj，但Dj太大，口環泄漏面積增加，容積效率下降；增加葉輪葉片進口寬度b1，但泵的效率隨b1增加而下降；葉片進口邊適當向吸入口方向延伸并做成扭曲；修整葉片頭部，將葉片頭部背面修薄，在接近葉輪前蓋板處多修一些，使其接近流線型；葉片進口采用正沖角，一般取3°～10°，過大影響效率，而且采用較小的葉片入口安放角β1，能降低必需汽蝕余量；提高葉輪進口部分的光潔度；采用平衡孔；采用抗汽蝕性能好的材料。材料的強度、硬度、韌性越高，化學穩定性越好，抗汽蝕的性能越強；采用雙吸葉輪；在葉輪前加裝誘導輪；增加前置泵。

五、預防泵汽蝕的其他措施

1.正確地確定水泵安裝高程。在設計泵站時，要使裝置汽蝕余量NPSHa大于泵的允許汽蝕余量NPSHr，并留有余量。減小泵的幾何吸上高度或增加幾何倒灌高度。同時，應充分考慮進水裝置可能遇到的各種工作情況，以便正確地確定安裝高程。

2.要有良好的進水裝置條件。進水裝置內的水流要平穩、均勻，不產生漩渦。泵入口如存在強力渦流，應增加破渦板。泵站的進水流道要設計合理，進入葉輪的水流速度和壓強要接近正常分布，避免產生局部低壓區。

3.減少進水管路水頭損失。盡量縮短進水管路的長度，管道內壁應光滑和適當加大水管的直徑，減小管路中的流速，減少彎管和閥門，盡量加大閥門開度等。

4.向汽蝕區注入空氣。在水泵進水管內，注入少量空氣，也是降低汽蝕磨損的方法之一。

5.調節水泵的運行工況點。在水泵運行過程中，利用調節水泵工況點的方法可以減輕汽蝕，對于離心泵適當減少流量或降速運行，使工況點向左移動，對于軸流泵可調節葉片安裝角，使工況點移到良好的水泵運行工況，可以防止水泵振動產生汽蝕。