1、离心泵的汽蚀原因浅析专 业 轮 机 工 程 届 别 2 0 1 3 学 号 姓 名 指导教师 二一三年五月原创说明1原 创 声 明本人郑重声明：所呈交的论文“离心泵的汽蚀原因浅析”，是本人在导师的指导下开展研究工作所取得的成果。除文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明，本人完全意识到本声明的法律后果，尊重知识产权，并愿为此承担一切法律责任。论文作者(签字)： 日 期：2013 年 5 月 10 日摘要2摘 要离心泵是各类泵中应用最多的产品，水泵的汽蚀一直是离心泵运行中的一个重要问题。
2、本文针对离心泵的汽蚀现象，分析汽蚀产生的原因及危害，探讨如何增强离心泵的抗汽蚀性能，避免汽蚀的发生，提高泵的运行效率。本文最后从离心泵的设计、安装、维护以及监测等角度提出了防范措施。关键词：离心泵 汽蚀 措施 效率Abstract3AbstractCentrifugal pump is used in most of the pump, The centrifugal pump cavitation is an important problem in operation. In this paper, according to the phenomenon of centrifugal pu
3、mp cavitation, The author analyzes cavitation causes, this paper discusses the ways to enhance the anti-cavitation performance of centrifugal pump, avoid cavitation occurred, and improve the operation efficiency of pump. Finally, Paper describes the preventive measures in the centrifugal pump instal
4、lation, maintenance and monitoring.Key words: Centrifugal pump; Cavitation;Measures；Efficiency。目录1目录前言11 离心泵汽蚀现象及危害21.1 离心泵汽蚀现象21.2 汽蚀的危害21.2.1 产生振动和噪音31.2.2 损坏过流部件31.2.3 影响泵的工作性能42 离心泵有关基本概念42.1 汽蚀余量42.1.1 有效汽蚀余量（装置汽蚀余量）52.1.2 必须汽蚀余量52.2 离心泵运行的最小流量72.3 允许吸上真空度7前言23 离心泵汽蚀的原因94 提高离心泵汽蚀性能的措施114.1 提高泵的
5、有效汽蚀余量 NPSHa124.2 减小必须汽蚀余量 NPSHr13结 论17致 谢18参考文献 20前言1前 言无论是在陆地上还是在船舶上，离心泵其因为尺寸小重量轻，转速高价格低廉，对杂质不敏感，易损件较少。往往其使用的数量和范围远远超过其他类型的泵，而汽蚀是离心泵损坏的主要原因。因此对其分析，充分认识汽蚀的原理及产生汽蚀的原因，有效防止离心泵汽蚀，使其运转稳定，延长使用寿命。离心泵汽蚀原因浅析21 离心泵汽蚀现象及危害1.1 离心泵汽蚀现象由于水的物理特性，我们知道，水和汽可以互相转化，转化的条件即温度与压力。一个大气压下的水，当温度上升到 100时就开始汽化。但在高原地区，水在不到 1O
6、0就开始汽化。在离心泵系统中，其液体的流速和压力是变化的，其中叶轮入口处是压力最低的地方，通常称为低压区。当体液在吸口处的压力小于同温度下该液体的饱和蒸汽压力时，液体就会汽化，原溶于液体中的气体也会逸出，会产生许多气泡。气泡随液体进入高压区，其中的蒸汽迅速凝结，气体也会重新融入液体中，从而在许多处形成局部真空。这时周围压力较高的液体会以极大的速度冲向众多的真空中心，使这局部的地方产生了剧烈的，高频率的，高冲击力的水击。如此多次反复，在流道表面极微小的面积上，冲击力形成的压力可高达几百甚至上千兆帕，冲击频率可达每秒几百万次。材料表面在水击压力的作用下，形成疲劳而遭严重破坏，从开始的点蚀到严重的海
7、绵状空洞，甚至蚀穿材料壁面。另外，产生的汽炮中还夹杂着某种活性气体如氧气，它们借助气泡凝结时放出的热量可使局部温度升至 200 300，对金属起化学腐蚀作用。我们把这山东交通学院毕业论文3种汽化产生汽泡,汽泡进入高压区破裂以致材料受到破坏的全部过程称为汽蚀现象。1.2 汽蚀的危害汽蚀对离心泵有诸多影响，长期在断裂工况下运行，不仅影响泵的正常工作，而且谁使离心泵发生损坏。汽蚀的危害主要有以下几个发面：1.2.1 产生振动和噪音当离心泵在运行过程中发生汽蚀时，周围的水的质点会以极大的速度冲向众多的真空中心，互相撞击而产生局部高达几十兆帕的压力，引起频率为 60025000Hz的噪声和振动；冲击金属
8、表面，产生各种频率的噪声，严重时可以听见泵内发出噼噼啪啪的爆炸声，同事引起机组振动，如果机组振动频率与撞击频率相等，则产生更强烈的汽蚀共振。1.2.2 损坏过流部件离心泵发生汽蚀时，汽蚀破灭区的金属因受到高频高压的液击而发生疲劳损坏，水中逸出的氧气等借助蒸汽凝结是的放热，也会对金属产生化学腐蚀。在这样的双重作用下，叶轮外缘的叶片及盖板、蜗壳或者导轮等离心泵汽蚀原因浅析4处会产生麻点和蜂窝状的破坏。1.2.3 影响泵的工作性能离心泵汽蚀时，会时其性能下降。汽蚀刚发生时泵内气泡较少，泵的性能曲线没有明显的变化。随着汽蚀的发展，泵内气泡大量产生，流到被“堵塞”，泵的性能曲线发生迅速下降，出现“断裂”
9、工况，如图 1 表示。由此可知，汽蚀严重威胁着离心泵泵的正常运转，它也是影响泵向高转速发展的主要原因。可见，离心泵汽蚀的危害是严重的。因此我们应该很好的掌握汽蚀发生的原因，以及预防汽蚀发生的措施，防止汽蚀及其危害的发生。 Q H Q 图 1 泵 的 汽 蚀 性 能 曲 线 山东交通学院毕业论文52 离心泵有关基本概念2.1 汽蚀余量所谓汽蚀余量，是指泵吸口处所具有的能头与它的饱和蒸汽压力头之差，用h 表示；英文缩写为NPSH（Net Positive Suction Head）,可以翻译成 “净正吸入能头”。汽蚀余量又有有效汽蚀余量（装置汽蚀余量）和必须汽蚀余量之分。2.1.1 有效汽蚀余量（
10、装置汽蚀余量）有效汽蚀余量 NPSHa 是指泵工作时实际的汽蚀余量，即液体在泵进口处能头超过汽化压力头的富裕能量。它取决于泵的吸入条件和液体的饱和压力 Pv 而与泵无关 。2.1.2 必须汽蚀余量必须汽蚀余量是指泵为避免发生汽蚀所需的汽蚀余量。他取决于液体进泵后压力进一步降低的程度，与泵进口处部分的几何形状及泵的转速和流量有关，而与泵的吸入条件及所吸入的液体的 Pv 值无关。离心泵是否发生汽蚀受到泵本身和吸入装置两个方离心泵汽蚀原因浅析6面的影响,具体表现就是泵必需汽蚀余量 NPSHr 与有效汽蚀余量 NPSHa 二者的关系。其中必须汽蚀余量 NPSHr 表示泵不发生汽蚀, 要求在泵进口处单位
11、重量液体具有超过汽化压力水头的富余能量, 有效汽蚀余量 NPSHa 表示泵进口处液体具有的全部水头减去汽化压力水头净剩的值。当 NPSHaNPSHr 时,离心泵不会发生汽蚀。当 NPSHa=NPSHr 时,离心泵开始发生汽蚀。当 NPSHaNPSHr 时,离心泵严重汽蚀。山东交通学院毕业论文7汽蚀刚发生时 NPSHaNPSHr=NPSHc ； pkpv。此时的汽蚀余量称为临界汽蚀余量 Hc。为确保泵运转时不汽蚀，相对于 Hc 应该留有一个安全量。安全量的大小视系统及泵具体情况而定。一般取NPSH（1.11.3）NPSHc或HHc+K 式中 H允许汽蚀余量；K汽蚀安全裕量。国际标准草案 ISOD
12、is 9905：Ha 必须超过 10 Hr，各种情况下不得小于0.5m。2.2 允许吸上真空度H Q NPSHr Q NPSHa Q Q H O 图 2 NPSHa与 NPSHr关 系 Qmax A 离心泵汽蚀原因浅析8泵工作时液体进入泵内在接受运动部件作工前，压力还会进一步降低。当泵吸口处的真空度增高到一定的程度，液体就会因在泵内的最低压力降到其饱和蒸汽压力 Pv 而汽化，泵即不能工作。泵的吸上真空高度的高、低，对于泵是否发生汽蚀是一个重要的因素。有些泵由于吸上高度较大，以至于泵内发生汽蚀，甚至吸上高度过大造成吸不上液体，使泵无法工作。泵工作时允许的最大吸入真空度即称为“允许吸上真空度”，用
13、 Hs 表示。AssgshcH2泵吸上真空高度 Hs，与泵几何安装高度 Hg、泵吸入口流速 cs、吸入管路阻力损失 hAs 及吸入液面压力有关。倘若吸入液面压力不变，吸上真空高度 Hs，随着几何安装高度 Hg、泵进口流速 cs、吸入管路内液体流动阻力的增大而降低。为保证泵的安全运行，需要规定泵的最大吸上真空高度 Hsmax。为使泵运转时不产生气泡，同时又有尽可能大的吸上真空高度，一般规定留有一定的安全裕量 K ，即 KHssmax山东交通学院毕业论文9式中Hs允许吸上真空高度，m。K安全裕量，机械工业部门规定安全裕量K0.30.5 m。允许吸上真空高度Hs也是泵的重要性能参数，用来说明离心泵吸
14、入性能的好坏。泵在安装时的吸上真空高度，不能超过允许吸上真空高度Hs。最大吸上真空高度 Hsmax。由制造厂试验求得，它是发生断裂工况时的吸上真空高度。泵安装时，根据制造厂样本规定的Hs值，计算泵允许几何安装高度Hg。 AsssghgcH2为了获得足够的允许几何安装高度，吸入管路内液体的流速不能太高，吸入管路阻力损失不能太大，管路内产生局部阻力的装置尽可能保持最少3 离心泵汽蚀的原因通常认为，当水的绝对压力低到等于或者低于该液体的饱和蒸汽压力时，就会形成气泡。这些气泡在低压离心泵汽蚀原因浅析10区中增长并形成空腔，当气泡被水流带到高压区时，气泡崩溃，从而在其材料的表面上造成侵蚀。我们把气泡的形
15、成，增长和崩溃以及造成侵蚀的过程称为汽蚀。水的饱和蒸汽压力与水温有关。如果泵内的最低压力高于该温度的饱和蒸汽压力，水就不会在泵内汽化生成汽泡，水泵就不会发生汽蚀。所以，汽蚀是由水的汽化引起的。离心泵的汽蚀原因主要有以下几个方面：1）几何安装高度过高，或倒灌高度过低。由于水泵安装过高，在设计工况下运行，叶片进口背面出现低压区，当低于饱和蒸汽压力时，导致叶片背面发生汽蚀。2）在水泵中，如果吸入系统中某一局部区域的绝对压力等于或低于被吸送液体温度相应的汽化压力，液体便发生汽化，从而发生汽蚀现象，从而造成泵叶轮、叶片表面的损坏。另外，溶解氧析出后对汽蚀区金属部件有氧化腐蚀作用。而汽蚀区液流发生猛烈撞击
16、后，由液流撞击的机械能转化来的热能和汽泡凝结时放出的热能也助长了氧化腐蚀作用。3）所输送的液体温度过高，则对应的饱和压力高，只要泵内最低点处的压力小于或等于该饱和压力，泵的汽蚀就会发生。山东交通学院毕业论文114）运行方式不当。当水泵流量大于设计流量时，叶轮进口相对速度的方向偏离设计方向，共夹角增大，叶片前缘正面发生脱流和漩涡，产生负压，可能出现汽化而引起叶片正面发生汽蚀。当流量小于设计流量时，叶轮进口水流相对速度向相反方向偏离，夹角减小，叶片进口背面产生脱流和漩涡，出现低压区，是导致叶片背面汽蚀的原因之一。5）吸入管直径过小，或者吸入管阻力过大。由于水在吸入管路中有能量的损失，致使水的压力会
17、有所下降，当吸入管直径过小或者吸入管阻力过大，离心泵就容易发生汽蚀。6）吸入滤器堵塞。 由于离心泵长期运转，吸入滤器脏污导致吸口压力降低，离心泵就会发生汽蚀。7）泵安装地点大气压力低。对于凝结水泵汽化，具体原因有很多种。如：泵内零、部件磨损、泵内空气未排尽、凝汽器水位低、循环水管路堵塞等，还要考虑凝结水温、凝结水含氧量等。4 提高离心泵汽蚀性能的措施离心泵的汽蚀不仅影响到泵的本身工作特性、运转可靠性和使用寿命，而且还影响到整个系统运转的可靠离心泵汽蚀原因浅析12性和经济行。根据离心泵汽蚀的理论分析，由于离心泵发生汽蚀的临界点就是 NPSHr=NPSHa,要使离心泵不发生汽蚀, 必须增大 NPS
18、Ha 和减小 NPSHr。提高离心泵汽蚀性能的措施主要从提高有效汽蚀余量 NPSHa 和必需汽蚀余量 NPSHr 两个方面进行。4.1 提高泵的有效汽蚀余量 NPSHaAsgvAahHpNPS根据有效汽蚀余量的公式，可以从如下五个方面考虑提高泵有效汽蚀余量：1）增加泵前储液罐中液面上的压力 pA 来提高NPSHa。在长距离输油管道中，可要求正压进泵或配备给油泵。2）降低泵的安装高度 Hg，可以显著提高 NPSHa。如果将吸上装置改为倒灌装置，此时的 Hg 为负值。3）减少泵前管路上的个损失 hA-s，可以提高NPSHa。例如采取缩短管路，减小管路中的流速，尽量减少弯管或阀门（减小局部阻力损失）
19、，或尽可能加大吸入管路上阀门的开度等。山东交通学院毕业论文134）通过降低输送液体的温度，使其饱和蒸汽压下降也可达到提高 NPSHa 的目的。5) 在叶轮吸入口前加装诱导轮。诱导轮是与主叶轮同轴安装的一个类似轴流式的叶轮，其叶片是螺旋形的，叶片安装角较小。使液体通过诱导轮生压后流入主叶轮，因而提高了主叶轮的有效汽蚀余量改善了泵的汽蚀性能。4.2 减小必须汽蚀余量 NPSHr另一方面，从离心叶轮机械内流理论出发,深入研究汽蚀机理, 将其应用于抗汽蚀叶轮的研制和开发中, 对叶轮进行最优化设计,从而减小离心泵的必需汽蚀余量NPSHr。因此，根据泵汽蚀基本方程式： 22001rvwNPSHg1压降系数
20、，一般情况下为 1.01.2；2液体绕流叶片头部的压降系数，液体无冲击离心泵汽蚀原因浅析14流入叶片的情况下为 0.30.4；c0、w0分别为在叶片入口处稍前一点截面的液流绝对速度和相对速度。由汽蚀的理论公式可知, 要减小 NPSHr , 必须通过减小 0、w0 、 来实现。而这三者都与叶轮的结构形状有着密切的关系, 叶轮结构的选择将直接影响水泵汽蚀性能, 因此, 采用合理的叶轮结构和形状, 对提高叶轮自身的抗汽蚀性能具有特别重要的意义。根据本文理论分析，通过叶轮的优化设计来提高离心泵的汽蚀性能主要有以下几个方面: 1）适当增大叶轮进口直径 D1。流量不变的情况下, 进口液流的绝对速度和相对速
21、度都是吸入管径的函数, 所以直径 D1 对泵汽蚀特性的影响可以利用方程来深入分析。从防止汽蚀的观点来看, 分析结果表明在改善汽蚀性能上存在最佳的叶轮进口直径。当叶轮进口直径增大到此最佳值时, 进口处的流速减小, 使汽蚀性能得到提高。如果继续增大, 则对于给定流量来说, 进口直径过大了, 在叶轮进口部分所形成的停滞区和反向流将会使汽蚀性能恶化。2）增加叶轮叶片进口宽度 b1。在泵的工况不变的山东交通学院毕业论文15情况下, 可以增大叶片进口边处流道宽度 b1 来增加泵叶轮中液流的实际进口面积。因为增大 b1 会使液流绝对速度的轴面分速度减小, 所以汽蚀性能将得到改善, 而水力效率和容积效率却并不
22、减小3 。3）采用长短叶片形式的叶轮常规离心泵的叶轮叶片出口边节距较大,叶栅稠密度偏小, 出水边处叶片对水流的导流作用减弱, 使水流偏离叶片出水边工作面而产生汽蚀。由于这些原因, 提出了采用长短叶片形式的叶轮来改善离心泵的汽蚀性能。其原则为: 在不致造成叶片间的流道阻塞, 保持良好的导流性能前提下, 利用长短叶片的形式适当增大该出口部位的叶栅稠密度。短叶片的位置根据流线流面优化导流特性决定, 并非一定在两个长叶片的中间位置。由于增加了短叶片,出口部位的节距减小为原来的一半,叶栅稠密度相应增大,叶片对水流的导流能力明显提高,避免了出口液流偏离叶片的现象; 同时叶片出口部位单位面积上的负载大为减轻
23、。因此使叶轮的汽蚀性能得到有效改善。4）叶轮出口宽度适当增加在叶轮的设计过程中, 叶轮出口宽度增加会导致流量增大。如果在计算中控制其它参数, 使流量限制在设计要求中, 则适当增大叶轮出口宽度可使流道中的流速相对减小, 提高泵的汽蚀性离心泵汽蚀原因浅析16能。5) 采用适当的叶片数量流道内的流速大是造成汽蚀的一个主要原因, 为减小叶轮内的相对流动速度 ,就必须加大叶片角, 而叶片角加大后,必然使每个叶片上的载荷加大。为保证叶片作功符合需要, 就必须适当减少叶片数。但过分的减少叶片数, 会造成流道内分层效应 ,使叶轮出口流场畸变, 影响叶轮与蜗壳中的流动效率。因此, 叶片数有个最佳值, 通常为 5
24、6 片。6）采用双吸式叶轮。此时单侧流量减小一半，从而使 0 减小，如果汽蚀比转速 c、转数和流量相同时，采用双吸式叶轮，NPSHr 相当于单级叶轮的 0.63 倍。因而提高了离心泵的抗汽蚀性能。如国产 125MW 和 300MW机组的给水泵，首级叶轮都采用双吸式叶轮。7）降低零件表面的粗糙度。研究表明，材料表面的不平、裂纹等缺陷，都是液流容易产生漩涡的因素，也就更加容易诱发更多的空泡是材料更快的被汽蚀破坏。所以，材料表面越光滑，材料强度、韧性、硬度越高，化学稳定性越好，则材料的抗汽蚀性能越好。古当材料选定后，可采用液体抛光的方法，对液流流道表面进行打磨抛光，这是非常好的措施之一。山东交通学院
25、毕业论文17另外采用抗汽蚀材料，增加叶轮的机械强度，提高泵的汽蚀实性能。离心泵汽蚀的危害是严重的。因此我们应该很好的掌握泵的其实性能，正确地选择确定水泵安装高程，以及泵的合理运行流量，防止汽蚀及其危害的发生。结论18结 论综上所述，离心泵为了尽量避免汽蚀的发生，应该遵循以下原则：尽量在离心泵安装过程中，泵的安装高度低于泵的允许吸上高度；吸入管路应该短而且直，管件尽量少，吸入管的直径不应小于吸入口的直径；变径处不应有气体存积。致谢19致 谢时光匆匆如流水，转眼便是大学毕业时节，春梦秋云，聚散真容易。离校日期已日趋临近，毕业论文的的完成也随之进入了尾声。从开始进入课题到论文的顺利完成，一直都离不开
26、老师、同学、朋友给我热情的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意! 本学位论文是在我的指导老师老师的亲切关怀与细心指导下完成的。从课题的选择到论文的最终完成，王老师始终都给予了细心的指导和不懈的支持。王老师宅心仁厚，闲静少言，不慕荣利，对学生认真负责，在他的身上，可以感受到一个学者的严谨和务实，这些都让我获益菲浅，并且将终生受用无穷。毕竟“经师易得，人师难求” ，希望借此机会向表示最衷心的感谢！最后要感谢的是我的父母，他们不仅培养了我对中国传统文化的浓厚的兴趣，让我在漫长的人生旅途中使心灵有了虔敬的归依，而且也为我能够顺利的完成毕业论文提供了巨大的支持与帮助。在未来的日子里，我会更加努力的学习和工作，
27、不辜负父母对我的殷殷期望！我一定会好好孝敬和报答他们！参考文献20参考文献1 薛华成.管理信息系统.北京:清华大学出版社,1993.2 霍斯尼 R K 著.李庆龙译.谷物科学与工艺学原理.北京:中国食品出版社,1989.3 徐滨士,欧忠文,马世宁等.纳米表面工程.中国机械工程,2000,11(6):707-712.4 Kuehnlw M R, Peeken H, Troeder C et al. The Toroidal Drive. Mechanical Engineering, 1981, 103 (2):32-39.5 惠梦君,吴德海,柳葆凯等.奥氏体贝氏体球铁的发展.全国铸造学会奥氏体
28、贝氏体球铁专业学术会议,武汉,1986.6 张楠.专利题名.中国,专利文献种类,专利号.2002.7现代泵技术手册宇航出版社 关醒凡著8叶片泵原理及水利设计机械工业出版社查森著9离心式渣浆泵选型手册石家庄杂质泵研究所 致谢2110杂质泵技术石家庄杂质泵研究所11 何 川、郭立君泵与风机M第四版中国电力出版社，2008：94108.12 郑春梅.水泵的汽蚀原理及危害J.林业科技情报, 2009 Vo141 No13 张靖改善离心泵汽蚀性能的措施及进展J科技创新导报，2007，NO.35.14 弗亚卡列林. 离心泵和轴流泵的汽蚀现象M . 北京: 机械工业出版社, 1985. 15 王洪旗水泵的吸人管路改造与汽蚀J应用能源技术，2009 年第 3 期.
