第四章 水泵的汽蚀与安装高程确定

本章重点：通过本章的学习，要求学员熟练掌握汽蚀的定义和分类及防治措施、用允许吸上真空高度和允许汽蚀余量计算水泵的安装高度等。掌握汽蚀的作用方式及危害等。了解汽蚀性能参数、汽蚀基本方程和汽蚀相似率及汽蚀比转数等。

 

第一节    水泵的汽蚀及其防治措施

 

有关叶片泵性能的阐述，都以吸水条件符合要求为前提，吸水性能是确定水泵安装高程和进水建筑物设计的依据，而汽蚀是影响水泵安装高程的重要因素。

叶片泵安装高程的确定，是泵站设计中的一个重要内容。水泵的安装高程是确定泵房各部位高程的基准高程。水泵安装得过低会增大泵房土建投资和施工的难度；过高又会引起水泵工作流量和效率的大幅度降低，甚至不能工作。如何结合水泵汽蚀问题，合理地处理水源水位变幅和水泵吸水性能之间的关系是泵站设计中的重要课题。在泵站运行中，也有很多问题出自于水泵的吸水性能。因此，对于叶片泵吸水性能，必须予以高度重视。

一、定义

由于某种原因，使水力机械低压侧的局部压强降低到水流在该温度下的汽化压强（饱和蒸汽压强）以下，引起汽泡（汽穴）的发生、发展及其溃灭，造成过流部件损坏的全过程，就叫

图4—1—1  叶片泵受汽蚀影响性能曲线下降的形式图 （b ）离心泵      （ ）混流泵       （ ）轴流泵

做汽蚀。

二、作用方式

（一）机械剥蚀

在产生汽蚀过程中，由于水流中含有大量汽泡，破坏了水流的正常流动规律，改变了水泵内的过流面积和流动方向，因而叶轮与水流之间能量交换的稳定性遭到破坏，能量损失增加，从而引起水泵的流量和效率的迅速下降，甚至达到断流状态。这种工作性能的变化，对于不同比转数的水泵有着不同的影响。低比转数离心泵叶槽狭长，宽度较小，当汽蚀开始后，汽泡区从叶槽进口部位迅速扩展到叶槽的整个宽度，引起水流断裂，水泵性能曲线呈急剧下降的形状，如图4—1—1 ( )所示。对于中、高比转数的离心泵和混流泵，由于叶轮槽道较宽，当脱流产生时，先在叶槽的某一部分，而不是叶槽的全部截面，只有在脱流区继续发展时，才会布满全部叶槽，在出现断裂状况之前，其性能曲线首先比较缓慢地下降，最后才迅速直线下降，如图4—1—1 (  )所示。对高比转数轴流泵，由于叶片之间相当宽阔，故汽蚀开始后汽蚀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—1 ( )所示。

当离析出的汽泡被水流带到高压区后，由于汽泡周围的水流压强增高，故汽泡四周的水流质点高速地向汽泡中心冲击，水流质点互相撞击，产生强烈的冲击。根据观察资料表明，其产生的冲击频率（3000～4000），并集中作用在微小的金属表面上，瞬时局部压强急剧增加（300～400）。由于叶轮或泵壳的壁面在高压和高频的作用下，引起塑性变形和局部硬化，产生金属疲劳现象，性质变脆，很快会发生裂纹与剥落，以致金属表面呈麻点、坑穴、蜂窝状的孔洞。汽蚀的进一步作用，可使裂纹相互贯穿，直到叶轮或泵壳蚀坏和断裂。这就是汽蚀的机械剥蚀作用。

（二）化学腐蚀

汽泡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，汽泡凝结时的瞬时局部高温可达300～400。

在产生汽泡中，还夹杂有一些活泼气体(如氧气 )及其离子（如氧离子 ）等，借助汽泡凝结时所释放出的热量，对金属起化学腐蚀作用，从而生成氧化亚铁、氧化铁以及它们的混合物四氧化三铁等，大大地降低了金属的强度，加剧了机械剥蚀的作用效果。

（三）电化反应

在高温、高压之下，水流会产生一些带电现象。过流部件因汽蚀产生温度差异，冷热过流部件之间形成热电偶，而产生电位差，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。表面光洁被破坏后，机械剥蚀作用才有效的开始。这样在机械剥蚀、化学腐蚀和电化反应等共同作用下，就更加快了金属损坏速度。

图4—1—2 蚀坏的叶片图 （ ）双吸泵叶片 （ ）轴流泵叶片

另外，当水中泥沙含量较高时，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汽蚀时，有加快金属蚀坏的作用。在汽蚀破坏和凝结时，随着产生的压强瞬时周期性的升高和水流质点彼此间的撞击以及对泵壳、叶轮的打击，将使水泵产生强烈的噪音和振动现象。其振动可引起机组基础或机座的振动。当汽蚀振动的频率与水泵自振频率相互接近时，可能引起共振，从而使其振幅大大增加。

三、  分类

图4—1—4叶轮叶片背面低压区图 （ ）离心泵        （ ）轴流泵

1.叶面汽蚀

图4—1—3流量大雨设计流量时 叶片正面漩涡区图

 

 

 

 

 

图4—1—6 轴流泵汽蚀发生部位 1—叶片正面 2—叶片背面 3—间隙4—轮彀体表面5—导叶叶面 4—轮毂体表面 5—导叶叶面

 

 

图4—1—5离心泵汽蚀发生部位 1—叶片正面 2、3—叶片背面:4—前盖板 5—间隙

 

 

 

 

 

气蚀的发生部位。如图4—1—2～图4—1—6所示，即使水泵在设计工况下运行时，由于水泵安装过高等原因，而在叶片迸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 的方向发生向前偏离， 角增大，叶片前缘正面发生脱流和漩涡，产生负压，甚至发生汽蚀。当水泵流量小于设计流量时， 减小， 向后偏离，叶片背面产生游涡区，从而加重了叶片背面低压区的汽蚀程度。在上述两种工况所产生的汽蚀现象中，其汽泡的形成和破灭基本上发生在叶片的正、反面，称之为叶片汽蚀。叶片汽蚀是水泵常见的汽蚀现象。

2.间隙汽蚀    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。轴流泵的叶片外缘与泵壳之间很小的间隙内，在叶片正、背两侧很大的压强差作用下，引起极大的回流速度，造成局部压降，引起间隙汽蚀。在泵壳对应叶片外缘部位形成一圈蜂窝麻面汽蚀带。在离心泵的减漏环与叶轮外缘间隙处，亦会引起间隙汽蚀，如图4—1—4～图4—1—5所示。

图4—1—7涡带汽蚀发生部位

3.涡带汽蚀    涡带汽蚀是由于进水建筑物、进水构筑物设计不当，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）。都是不利的（图4—1—7）。

四、危害

1.使水泵的性能变坏。详见三.3。

2.使水泵的过流部件损坏。详见二.（二）。

3.产生噪音和振动，缩短机组的使用寿命详见二.（三）

五、常见原因

1.            安装高程过高；

2.            进流条件不好；

3.            吸水损失过大；

4.            局部压强太低；

5.            局部水温太高；

6.            制造材料低劣；

7.            工艺水平过低。

六、减轻和防治汽蚀的措施

水泵的汽蚀是由水泵本身的汽蚀性能和抽水装置的使用条件来决定的。水泵运行过程中，一定程度的汽蚀往往总是发生。问题在于设法减轻汽蚀的影响。减轻汽蚀的根本措施是提高泵本身的抗汽蚀性能，尽可能减小必需汽蚀余量。但是，对给定的水泵来说，应合理地确定水泵吸入侧管路系统的装置情况和水泵的合理运行。下面从使用角度叙述减轻汽蚀的一些措施。

1.正确地确定水泵安装高程：在设计泵站时，要使装置汽蚀余量大于水泵的允许汽蚀余量，或者水泵进口处的吸上真空度小于水泵的允许吸上真空度。同时，应充分考虑抽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. 要有良好的进水条件：进水建筑物内的水流要平稳、均匀，不产生漩涡。大中型泵站的进水流道要设计得合理，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尽量减少进水管路水头损失：在设计泵站时，应尽量缩短进水管路的长度，减少管路的附件，管道内壁应光滑和适当加大进水管的直径。

 4. 提高汽蚀区的压强：在水泵进水管内，注入少量水或空气，可以缓和汽泡破灭时的冲击，并减小汽蚀区的真空度。但注入量必须控制，否则反而会使水泵工作性能变坏。

将出水管的高压水引入泵的进口，可以提高叶轮进口的压强，从而提高泵的抗汽蚀性能。但减小了水泵的出水量，降低了水泵的效率。

如江都水利枢纽工程第三排灌站，在轴流泵叶片进水端发生汽蚀的部位，采取钻斜孔的办法，提高汽蚀区的压强，可以减轻叶面汽蚀的程度。

5. 降低工作水温：夏季气温较高，可掺井水混合或在引水渠、进水建筑物处加遮热晒措施，以减轻汽蚀现象的危害程度。

6．提高叶轮表面的光洁度：叶轮表面的光洁度影响泵的汽蚀性能，光洁度愈高，其抗汽蚀性能愈好。如果叶轮表面粗糙，使用单位可精细加工，提高其光洁度。

7. 涂环氧树脂：在发生汽蚀的部位涂一层环氧树脂，可以提高叶轮表面的抗汽蚀性能，减轻叶轮表面被汽蚀破坏的程度。此外，多泥沙水源的泵站应留有更多的汽蚀余量。

8.调节水泵的工况点：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，使工况点向左移动，减少[ ]值或增大