离心泵汽蚀余量计算公式推导与分析

张琴 张慢来 谢丽芳 张善彪 黄天成

摘  要 离心泵是过程流体机械课程讲授的最主要装置之一，其中，汽蚀余量的概念及表示方法是比较难掌握的知识点，学生很容易混淆教材中的三个汽蚀余量计算公式。推导有效汽蚀余量和必需汽蚀余量的定义式和计算式，阐明五个公式的物理意义，并分析不发生汽蚀的条件，梳理和归纳知识点，方便学生准确理解和应用。

关键词 过程流体机械;离心泵;有效汽蚀余量;必需汽蚀余量

1 前言

过程流体機械是过程装备与控制工程专业三大专业核心课程之一，离心泵是该课程讲授的主要内容之一，离心泵的气蚀余量是离心泵授课体系中非常重要的一个知识点。但是，教材关于汽蚀余量的介绍篇幅较少，通过分析历届学生的作业、考试及答疑等情况，课程组发现学生对汽蚀余量不同概念的理解和计算公式的应用存在较大问题，有必要对汽蚀余量的来龙去脉进行详细介绍，达到使学生熟练掌握相关公式、准确计算的目的。

实验表明，流体流经离心泵叶轮时，在叶轮叶片进口不远处的K点，压力pK最低（如图1所示）。若低于输送流体温度对应的饱和蒸汽压pv时，流体会汽化，产生气泡。气泡流经叶轮叶道内压力较大处时，气泡凝结放热，形成空穴，周围液体冲向空穴，造成高频撞击，导致金属叶轮表面因冲击疲劳而剥裂。另一方面，气泡内氧气借助凝结时放出的大量热量，形成热电偶，发生电解，导致金属叶轮发生电化学腐蚀，加剧了机械剥裂[1-2]。上述现象称为汽蚀，离心泵发生汽蚀，会产生严重的后果[3]。因此，保证pK>pv，是离心泵不汽蚀的直接条件。在实际工程中，除了比较两者压力关系外，更直接的方法是比较汽蚀余量之间的关系。

2 有效气蚀余量和必需汽蚀余量定义式

表示吸入罐液面上的静压能头（）在克服吸入管路中的流动损失（ΔHA-S），并把液体提高到有效高度（Hg）后，所剩余的超过汽化压力的能头（），这便是为了避免发生汽蚀而富余的能量，故称为有效汽蚀余量，英文为Net Positive Suction Head Available，简写为NPSHa。由于这四项皆与泵吸入装置有关，因此又称为泵吸入装置的汽蚀余量。富余能量越多，即NPSHa越大，越不易汽蚀。

ΔHS-K为流体从泵入口法兰到压力最低点的流动损失，能量损失越小，则剩余的能量就越大，越不易汽蚀。为K点的速度能头，K点速度越小，则K点压力越大，pK越大于pv，越不易汽蚀。可见，ΔHS-K和两者对汽蚀的影响方向是一致的，因此将两者之和称为必需汽蚀余量，英文为Net

Positive Suction Head Required，简写为NPSHr。由于ΔHS-K和皆与泵本身有关，因此又称为泵本身的汽蚀余量。某泵NPSHr越小，表明该泵防汽蚀性能越好，越不易汽蚀。

3 有效汽蚀余量计算式

6 总结

本文给出有效汽蚀余量和必需汽蚀余量的定义式，并推导了三个计算式。其中，有效汽蚀余量又称为泵吸入装置的汽蚀余量（NPSHa，Net Positive Suction Head Avai-lable），表示吸入罐液面上的静压能头在克服吸入管路中的流动损失、并把液体提高到有效高度后所剩余的超过汽化压力的能头，是为了避免发生汽蚀而富余的能量。NPSHa越大，泵越不易发生汽蚀，有定义式：

计算式：

必需汽蚀余量又称为泵本身的汽蚀余量（NPSHr，Net Positive Suction Head Required），表示流体从泵入口法兰处到压力最低点的流动损失与压力最低点的速度能头之和。NPSHr越小，泵越不易发生汽蚀，有定义式：

参考文献

[1]姜培正.过程流体机械[M].北京：化学工业出版社，2001.

[2]余华明，陈礼.流体力学及流体机械[M].上海：上海交通大学出版社，2013.

[3]张琴，冯定，张慢来，等.空穴影响离心泵工作特性的CFD分析[J].石油机械，2015（6）：61-65.

[4]刘沛清，赵芸可.伯努利方程对流体力学理论建立的历史贡献[J].力学与实践，2020（2）：258-264.