《水泵及水泵站》第四章 汽蚀及安装高程

水泵的汽蚀和安装高程的确定摘要：在水泵管理中，水泵的汽蚀和安装高程是极为重要的组成部分，对水泵的使用有着直接的影响。

因此，要想安全高效的使用水泵就必须要对这两方面进行充分的了解。

关键词：水泵；汽蚀；安装高程水泵的进水条件只有满足了其吸水性能，水泵才能正常工作。

否则，水泵将无法进行正常工作。

所以，分析和研究水泵的汽蚀及其危害，充分了解和掌握水泵的吸水性能及其影响因素，才能正确地使用水泵，这也是水泵知识中不可或缺的组成部分。

1水泵的汽蚀1.1水泵汽蚀的原因从水泵的运作原理上看，泵进口处的水之所以能够不断获得能量，同时流向出口，着力点在于高速旋转的叶轮。

而在这过程中，就会在进口处形成一定的真空值，这个真空值就是进口压强与进水池水面压强的差值。

在压差作用下，就会促使水不断地从进水池经进水管流向水泵的进口。

从理论上看，一个标准大气压等于l0.33 m水柱高，所以水泵的最大吸水高度不会超过l0.33 m。

但是事实上，水流在流动过程中，还必须要克服进水管中的各种水力损头，同时受水泵吸水性能要求的限制，其进口必须要保持一定的能量，此外，大部分地方的大气压都会小于标准大气压，因此，实际中水泵的吸水高度远小于10.33 m，因此会受到一定的限制。

当水泵的实际吸水高度超出了上述限制，或因为其他原因导致泵进口的能量小于要求的值时，泵内就可能会发生汽蚀，进而影响泵的正常运转。

从物理学的角度看，如果在一定压力下，温度升高到一定数值范围内，水将会汽化；或在一定温度下，压力被降到一定数值时，水也同样会汽化。

因此，当水泵在运行时，因为种种原因，会导致泵内局部位置的液体的压力降低，当其到达工作温度下的汽化压力时，就会产生汽化现象，此时水流中就会离析出大量的汽泡，而当这些汽泡随水流流入叶轮中的压力较大的部位时，气泡会有一个被挤压然后破灭，再重新凝结为水的过程。

在这过程中，水体本身会遭到破坏，导致水泵的性能恶化，将会产生振动、噪音和对过流部件材料的破坏，这种现象就是水泵的汽蚀作用。

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 (c )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 (b )所示。

泵的汽蚀一、 汽蚀现象及其危害(1) 汽蚀现象 液体在一定温度下，由于液体的动态作用使泵的进口处的压力低于液体在温度下的汽化压力(即饱和蒸汽压)，液体开始汽化而产生气泡，并随液体流进高压区时，气泡破裂，周围液体迅速填充原气泡空穴，产生局部高速高压打击力。

这种气泡的产生、发展和破裂现象称为汽蚀。

(2) 汽蚀危害性① 由于泵汽蚀时，气泡在高压区连续发生突然破裂，以及伴随的强烈水击，而产生噪声和振动。

② 过流部件点蚀破坏以及在高温和化学下造成的腐蚀破坏，两者可相作用。

③ 泵性能下降。

随着比转速的增加，其下降幅度趋缓。

(3) 汽蚀发生的部位和腐蚀破坏的部位 汽蚀发生的部位是靠近入口边缘叶轮叶片的低压和前盖板，即曲率最大的地方。

轴流式和无前盖板的高比转数叶轮，其叶轮边缘的低压侧和靠近叶梢的空间处对汽蚀敏感。

泵壳的汽蚀部位发生在泵后的低压侧和靠近入口边打压叶片的低压侧。

对应多级泵，汽蚀通常发生在第一级叶轮中。

二、 汽蚀参数1、 汽蚀余量NPSH单位质量液体超出液体汽化压力的富裕能量（以米液柱计）汽蚀余量，其值等于从基准面算起的泵吸入口的总吸入水头（绝对压力，以米液柱计）减去液体的汽化压力（绝对压力，以米液柱计），即：2g2ssvp v p N PSH ggρρ=+-(1-1)式中 s p —— 从基础面算起的泵吸入压力，Pa ；vp —— 液体在该温度下的汽化压力，Pa ；s v —— 泵吸入口介质流速，m/s ； ρ—— 液体密度，kg/m3；基准面按液面以下两种原则取定位置：① ISO 标准，GB 标准规定 基准面为通过叶轮叶片进口边的外端索描绘的圆的中心的水平面。

对于多级泵以第一级叶轮为基准，对于立式双吸泵以上部叶片为基准。

② API610规定 对卧式泵，其基准面是泵轴中心线；对立式管道泵，其基准面是泵吸入口中心线；对其他立式泵，其基准面是基础的顶端。

2、装置汽蚀余量NPSHa有泵装置系统(以液体在额定流量和正常泵输送温度下为准)确定的汽蚀余量，称装置汽蚀余量，也称为有效汽蚀余量或可以汽蚀余量(以米液柱计)，其大小有吸液管路系统的参数和管路中流量索决定，而与泵的结构无关。

离心泵的气蚀与允许安装高度的计算
离心泵的吸入是靠吸入液面与吸入口之间的压差完成的。

吸入管路越高，吸上高度越大，则吸入口处的压力越小。

当吸入口处的压力小于被输送液体的饱和蒸气压时，液体将会发生汽化产生气泡，含有气泡的液体进入泵体后，在旋转叶轮的作用下，进入高压区，气泡在高压作用下，又凝结为液体，由于原气泡位置的空出造成局部真空，使周围液体在高压的作用下，迅速填补原气泡空间，这种冲击频率很高，每秒钟甚至达到上千次，冲击强度达到数百个大气压，这种冲击可能造成叶轮、泵壳体损坏。

这种现象称之为离心泵的气蚀现象，可以看到气蚀的危害是很大的。

要从根本上避免气蚀现象，最好的办法就是限制泵的安装高度。

避免离心泵发生气蚀现象发生的最大高度，称为允许安装高度，也称之为吸上高度。

是指泵的吸入口与吸入面之间最大垂直距离，用符号Hg表示。

式中，Hg为允许安装高度，m；P0为吸入液面压力，Pa；p1为吸入口允许的最低
压力，Pa；u1为吸入口的流速，m/s；ρ被输送液体的密度，kg/m3；为流
体流经吸入管的阻力，m。

离心泵允许安装高度通常用允许气蚀余量来计算。

允许气蚀余量是指离心泵在保证不发生气蚀的前提下，泵吸入口处动压头与静压头之和比被输送液体的饱和蒸气压头高出的最小值，一般用△h表示。

将上式代入伯努利方程可得：
式中：△h为允许气蚀余量，可以由泵的性能表查到，单位为m；p是操作温度下
首先通过表查得50℃的饱和蒸气压为12.34kPa，水的密度为998.1kg/m3，已知p0为100kPa，△h允为2m，为2m，那么
= 4.95m
因此泵的安装高度不应高于4.95m。

《水泵及水泵站》课程设计指导书（适用于农业水利工程专业、水利水电工程专业）目录第一章设计目的和基本要求 (1)1.1课程设计目的 (1)1.2课程设计基本要求 (1)第二章设计任务及安排 (1)2.1设计任务及内容 (1)2.2设计工作进度安排 (1)第三章设计成果及内容要求 (1)3.1课程设计应提交的成果 (1)3.2设计报告应包括的内容 (2)第四章灌溉泵站课程设计资料 (2)4.1基本情况 (2)4.2地质及水文地质 (2)4.3气象 (3)4.4水源 (3)4.5出水池水位 (3)4.6电源 (3)4.7建材 (3)4.8每天开机小时数 (3)第五章灌溉泵站课程设计指导 (3)5.1泵站枢纽总体布置 (3)5.2泵站设计流量计算 (4)5.3泵站设计扬程拟定 (4)5.4机组选型 (5)5.5管径、管材及阀件选择 (5)5.6辅助设备选择 (5)5.7水泵工作点及安装高程确定 (5)5.8泵房结构型式确定 (6)5.9泵房内部布置和尺寸拟定 (6)5.10泵房整体稳定分析 (6)5.11泵站进出水建筑物设计 (6)参考文献 (7)第一章设计目的和基本要求1.1课程设计目的（1）加深对课程基本概念、理论、方法及课程结构体系的理解和融会贯通，培养综合运用所学课程知识解决实际工程技术问题的能力。

（2）了解和掌握泵站工程设计的基本环节、内容、方法、步骤和要求，受到工程设计方法的初步训练和创新意识的培养。

（3）实现对运算、绘图、查阅资料和手册、使用规范和标准、计算机应用等基本技能的训练和求真务实科学素质的培养。

1.2课程设计基本要求（1）能充分理解和正确应用课程设计指导书中提供的基本资料和数据，能对其做进一步的加工和处理，得到设计所需的基本依据。

（2）能按设计任务和内容全面完成各项计算、分析、论述、设计方案、图表显示、结论报告等。

（3）设计的依据充分、数据可靠、方法正确、方案合理、分析得力、结论明确。

水泵的汽蚀余量和安装高度一、气蚀的发生过程：液体汽化时的压力称为汽化压力（饱和蒸汽压力），液体汽化压力的大小和温度有关，温度越高，由于分子运动更剧烈，其汽化压力越大。

20℃清水的汽化压力为233.8Pa,而100℃水的汽化压力为101296Pa(一个大气压)。

可见，一定温度下的压力是促成液体汽化的外界因素。

液体在一定温度下，降低压力至该温度下的汽化压力时，液体便产生气泡，把这种产生气泡的现象称为气蚀。

气蚀时产生的气泡，流动到高压处时，其体积减小以至破灭。

这种压力上升，气泡消失在液体中的现象称为气蚀的溃灭。

为保证泵不汽蚀，泵叶轮进口处单位重量的液体所必须具有的超过汽化压力的富余能量。

浅释如下：当离心泵的吸入高度过大和液体温度较高时，以致使吸入口压强小于或等于液体饱和蒸汽压，则液体会在泵进口处沸腾汽化，在泵壳内形成一个充满蒸汽的空间，随着泵旋转，气泡进入高压区，由于压差的作用，气泡受压破裂而重新凝结，在凝结的一瞬间，质点互相撞击，产生了很高的局部压力，如果这些气泡在金属表面附近破裂而凝结，则液体质点就象无数小弹头一样，连续击打在金属表面，使金属表面产生裂纹，甚至局部产生剥落现象，使叶轮表面呈蜂窝状，同时气泡中的某些活泼气体如氧气等进入到金属表面的裂纹中，借助气泡凝结时放出的热量，使金属受到化学腐蚀作用，上述现象即为汽蚀。

汽蚀现象产生时，泵将产生噪音和振动，使泵的扬程、流量、效率的性能急剧下降，同时加速了材料的损坏，缩短了机件的使用寿命，因此，必须限制泵的吸入高度，防止液体大量汽化，以免发生汽蚀现象。

一台泵在运转中发生了气蚀，但在完全相同的条件下换上另一台泵可能就不会发生气蚀，这说明是否发生气蚀和泵本身的抗气蚀性能有关。

反之，同一台泵在某一条件下（如吸上高度7米）使用发生气蚀，改变使用条件（如吸上高度5米）则不会发生气蚀，这说明是否发生气蚀还与使用条件有关。

这就是泵汽蚀余量或必需气蚀余量NPSHr（又称必需的净正压头）和装置气蚀余量或有效气蚀余量NPSHa（又称有效的净正压头）.二、泵安装高度的计算：泵之所以吸上液体，是因为叶轮旋转在叶轮进口造成真空，吸入液面的压力P0把液体压入泵的结果。

浅析水泵安装高程复核作者：傅捷来源：《科技视界》 2014年第15期傅捷（江苏省秦淮河水利工程管理处，江苏南京 210022）【摘要】水泵安装高程是泵站设计建造时关键因素之一，它直接关系到厂房挖深，泵站投资和水泵机组安全稳定运行。

因此要想安全高效的使用水泵就必须要对水泵的汽蚀情况与安装高程进行充分的了解。

【关键词】水泵；汽蚀；安装高程1 水泵汽蚀情况分析汽蚀是由液体汽化引起的。

溶解于液体中的气体在局部区域形成汽泡或汽穴，当四周压力升高时，汽泡被周围的压力压破，液流因惯性以极高的速度向中心挤压，对设备造成水力冲击，这种汽泡的产生、溃裂以及对过流表面产生的作用称为汽蚀。

叶片泵在工作时就会发生一定的汽蚀现象。

根据研究资料显示，汽蚀产生的水锤冲击频率很高，每分钟可达几万次，并集中作用在微小的金属表面上，瞬时局部压力可达几十至几百兆帕。

当叶轮或泵壳的壁面受到如此大的压力时，会引起塑性变形和局部硬化，并产生金属疲劳现象，从而对叶轮与泵壳等部件产生巨大的破坏性，很快会发生裂纹与剥落，以致金属表面呈蜂窝状的孔洞。

汽蚀的进一步作用，可使裂纹相互贯穿，直到叶轮或泵壳断裂。

当水泵发生汽蚀现象时，除了对水泵产生物理损坏外，大量汽泡破坏液流的连续性，阻塞流道，增大阻力，使泵的性能曲线变坏，即流量-扬程曲线和流量-效率曲线都发生下降。

根据1994年对江苏45座大中型泵站共500多台水泵的的汽蚀破坏状况的专题调研，大部分泵站水泵叶片都发生了不同程度的汽蚀现象，其中汽蚀面积最大的为皂河泵站，达到0.37m2，汽蚀深度最深的为江都四站，达到20mm。

在调研的45座大中型泵站中，发生Ⅲ级以上较严重汽蚀的泵站比例占65.7%。

２水泵安装高程确定水泵装置允许吸上真空高度是为保证叶片泵内部压力最低点不产生或仅产生微弱的对水泵工作无危害的汽蚀时，在叶片泵进口处允许的最大真空度。

水泵汽蚀余量是指叶片泵在进口处，单位重量的水所具有的大于汽化压力的剩余能量，其大小换算到叶片泵基准面上，以mH2O表示。