高速部分流泵汽蚀的成因及防护对策

龙慧斌 孟晶晶

[摘 要]汽蚀是高速部分流泵研究当中目前急需解决的关键性问题之一，本文通过分析发现高速部分流泵进口结构参数、泵前吸水管路系统设计不合理，以及泵过流部件制造材料抗汽蚀性能不强是汽蚀产生的主要原因，提出了一系列具体的汽蚀防护对策，如优化泵进口结构设计参数、合理布置泵吸水管路系统、提高泵制造材料抗汽蚀性能，可为延长高速部分流泵使用寿命、提高其运行效益提供借鉴。

[关键词]部分流泵;汽蚀;成因;防护对策

[中图分类号]TH311 [文献标识码]A

部分流泵又称为切线泵、桑达依泵或巴斯克泵，当其转速超过3600 r/min时，通常又称之为高速泵，其叶轮通常为开式径向直叶片叶轮，蜗壳为环形，属于流量小扬程高的低比转速泵。因部分流泵在小流量高扬程工况运行时，与普通的离心泵相比，具有单级扬程高、运行效率好、结构简单紧凑、维护方便、工作可靠、寿命长、扬程曲线平坦等优点，目前广泛应用于航空航天、石油化工、消防等领域，已成为多级普通离心泵的有力竞争者。但因高速部分流泵转速高，泵内高速流体水力损失大，极易出现汽蚀现象，造成泵运行时振动强、噪声大、性能下降，严重时甚至会导致泵的过流部件穿孔，维修成本增大。因此，开展高速部分流泵汽蚀成因的探究，提出一套行之有效的防护对策就显得尤为重要。

1 高速部分流泵内汽蚀现象及其危害

1.1 泵的汽蚀现象

部分流泵高速运转时，流体压力从入口管至叶片进口处逐渐下降，并在叶片入口附近降至最低，随后由于叶轮对流体做功，压力逐渐回升。当叶片入口附近的流体压力最低值低于相应温度的汽化压力时，流体便会汽化，产生气泡。当气泡流经叶轮高压区时，高压流体使得气泡急剧缩小以至破裂。气泡破裂的同时，周围流体质点以非常高的速度填充空穴，并以非常高的冲击频率击打金属表面，瞬时冲击应力大且冲击频率高，久而久之，泵内过流部件就会严重受损甚至破坏，此过程即为泵的汽蚀现象。

1.2 汽蚀对高速部分流泵的危害

当高速部分流泵发生汽蚀后，随着时间的推移，将对泵的正常运行造成明显的危害，主要表现在以下三个方面：

1.2.1 产生振动和噪声。当汽蚀现象发生在泵内，会因气泡的破裂使得流体与流体之间、流体与过流部件之间发生撞击，这种撞击非常强烈，会产生很大的噪声，严重时还会引起泵的强烈振动，这种振动将会对部分流泵的正常运行产生严重的影响，甚至会导致泵停止运行。

1.2.2 导致泵的性能下降。汽蚀对部分流泵性能的影响不是立刻产生的，在汽蚀发生的初期，部分流泵性能参数并无显著变化，很难被发现。随着时间的推移，汽蚀将会破坏泵的过流部件，另外大量产生的气泡会对泵的过流通道产生一定的阻塞，高速部分流泵的流量、扬程、效率将会受到明显的影响，从泵的性能曲线上看，会发现泵的性能明显下降。

1.2.3 侵蚀破坏泵的过流部件。泵内汽蚀一旦发生，将对过流通道的金属表面产生机械撞击及电化学腐蚀，这对过流部件会产生严重的危害，在汽蚀发生的初期，过流部件的金属表面会出现麻点，随着发生汽蚀时间的延长，过流部件的金属表面损坏得会更严重，最后会导致过流部件穿孔，直至报废。

2 高速部分流泵汽蚀形成的原因

2.1 泵进口结构参数设计不合理

当高速部分流泵前盖板和叶轮两者的进口附近结构参数设计不合理时，泵自身的进口吸入性能将严重变差，导致流体在叶轮进口附近流速较大，流动方向变化较快，流体与流道壁面的撞击较强，流体水力损失较大，压力下降较快，此时泵进口附近易发生汽蚀现象，即泵自身的抗汽蚀能力变差。泵进口结构参数设计不合理的情况一般包括：前盖板进口段的曲率半径较小;叶轮进口直径较小;叶轮轮毂直径选择过大;叶片进口处厚度较大，且叶片进口处未打磨光滑未修圆;叶片入口边宽度较窄且位置过于靠后;叶片进口形状设计不当且叶片数设置偏多;对于某些要求具有高汽蚀性能的部分流泵，叶轮进口前未设置合理的增压装置。

2.2 泵吸水管路系统设计不合理

当高速部分流泵的吸水管路系统设计不当时，泵前吸水管路的水力特性变差，导致流体在进入泵前阻力损失过大，压力不足，为泵内进口附近发生汽蚀提供了条件。泵吸水管路系统设计不合理的情形一般包括：泵前贮液罐液面压力不足;部分流泵作为吸上装置泵时的安装高度过大;吸水管路管径较小、管程较长、安装的弯头及阀门等管件较多，导致吸入管路阻力损失过大。

2.3 泵制造材料抗汽蚀性能不强

当采用一般的金属材料如铸铁制造高速部分流泵时，因泵的过流部件材质强度、硬度、韧性及化学稳定性不好，一旦泵内发生汽蚀，过流部件金属表面在高强度、高频次的机械撞击及电化学腐蚀作用下，时间一长，过流部件表面会出现麻点甚至穿孔，严重缩短泵的使用寿命。

3 高速部分流泵汽蚀的防护对策

3.1 优化泵进口结构设计参数

适当增大叶轮前盖板进口段圆弧曲率半径，减小后盖板曲率半径，使流体在叶轮进口部分转弯处缓慢流过，减缓流体急剧加速及降压;适当减小轮毂直径，加大叶轮进口直径和叶片进口边宽度，以此增大过流面积，减小叶轮进口流体流速，减少水力损失，减小流体压降;适当减小叶片入口厚度，对叶片入口修圆，减小叶片进口对流体的冲击，减小叶片入口排挤，增大过流面积，减小绕流叶片头部的加速及压降;对叶轮和叶片进口部分打磨，提高其表面光洁度，减少水力损失;将叶片入口边向前适当延伸，使流体提前接受做功，提高其压力;适当增大叶片进口角，采用正冲角设计，减小叶片入口处弯曲，减小叶片进口阻塞，增大进口过流面积，降低流速，减少流动损失;适当减少叶片数，减少叶片入口排挤，并选用扭曲叶型以适合流体入流方向，减少水力损失;采用长短叶片结构形式的叶轮，增加叶轮出口叶栅稠密度，提高叶片的导流作用，避免出口液流脱流，减少能量损失;在叶轮入口前加裝增压装置，如采用诱导轮、增压泵及引射加压装置，以提高叶轮入口前流体压力，避免汽蚀发生。

3.2 合理布置泵吸水管路系统

提高泵吸水管路系统抗汽蚀性能，关键在于提高泵入口前流体压力，其主要措施有：适当增加泵前贮液罐液面压力;选用吸入性能良好的喇叭管用作管路进水口，适当加大吸水管路的管径，减小管中流体流速，尽量缩短管程，减少弯头阀门等管件，避免用吸水管路阀门调节流量，及时清除入口过滤器杂物以免堵塞，以此减小泵前管路上的流动阻力损失;减小部分流泵作为吸上装置泵时的安装高度，有效减小泵的吸上真空度;将泵前管路系统由上吸装置改成倒灌装置，使吸液池液面高出泵安装位置一定高度;当输送流体接近饱和温度时，可适当降低泵入口液流温度。

3.3 提高泵制造材料抗汽蚀性能

当高速部分流泵内汽蚀不可避免时，一方面可采用抗汽蚀性能强的材料如不锈钢、合金铸铁及高镍合金等来制造泵的过流部件，实践表明，材料的强度越高、硬度越大、韧性越强、化学稳定性越好、抗汽蚀性能越好，所以抗汽蚀材料可有效减缓汽蚀对过流部件的损伤;另一方面，可对采用一般材料如铸铁、铸钢来制造的过流部件进行表面防护处理，如化学涂层、表面化学热处理及合金粉末喷焊等表面防护技术，以便提高过流部件表面的抗汽蚀、抗磨损性能。抗汽蚀材料及金属表面防护技术的使用，可有效减缓汽蚀对过流部件的侵蚀，延长泵的使用寿命。

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