水泵空化与空蚀分析研究

中国电力教育　２Ｏ１　Ｏ年管理论丛与技术研究专刊　

水泵空化与空蚀分析研究　

林斌　

（葛洲坝集团第六工程有限责任公司，湖北宜昌４４３００２）　

摘要：空化与空蚀现象是水泵运行中经常出现的问题，一直以来受到广泛的关注。本文分析空化与空蚀形成的原因、　总结对空化性能进行评定的参数，并结合某水泵模型装置性能实验、对模型泵汽蚀实验方法的选取、数据的采集方式以及　

数据处理时的注意问题进行了分析研究。　

关键词：水泵；空化与空蚀；数据采集　

空化与空蚀现象是影响水泵效率和使用寿命的重要　

问题之一，因其微汽泡急剧生长后随液流至高压处突然溃　

灭，对流道壁面产生高达几百个大气压的冲击，造成壁面　

材料剥蚀，汽泡的产生和发展改变了流道内的速度分布，　使泵的效率下降、扬程降低，引起泵振动，产生噪声。长　

时间的汽蚀会严重损伤叶轮等过流部件，因此对水泵空化　

与空蚀现象的理论研究具有重大意义。同时，多年来在空　化与空蚀方面做了大量的工作，但由于其现象的复杂性，　

对其认识还在不断深化之中。由于空化与空蚀现象受到水　

流中含气量、压强分布、来流紊流度、粘性程度以及壁面　

物性等多种因素的影响，因此单从理论分析的角度研究空　化与空蚀问题也是比较片面的，＿１　还必须结合实验方面的　

研究，以便更好地分析研究在具体水泵运行过程中出现的　问题。近年来随着计算机技术的发展，数值模拟技术也开　

始应用于汽蚀问题的研究，如大连理工大学的王智勇利用　ＦＬＵＥＮＴ软件进行了水力空化的数值模拟，　但只是在特　

定的文丘管里面进行水力空化研究，不具有普遍意义。因　

汽蚀现象的复杂程度极高，精确的数值模拟难度还很大。　因此，实验方法是研究汽蚀ｆ可题最行之有效的办法。　

本文对空化空蚀现象理论进行了分析总结，分析其原　

理，了解空化破坏的类型及对性能的影响，总结水泵的空　

化参数。同时结合某水泵模型装置性能实验对模型泵汽蚀　实验方法的选取以及水泵汽蚀性能的判定进行了分析总结，　

希望能为水泵空化与空蚀的研究提供一些经验。　

一　空化与空蚀机理研究　

１．空化与空蚀的产生　

在流动的液体中，当局部区域的压力因某种原因而突　然下降至与该区域液体温度相应的气化压力以下时部分液　

体气化，溶于液体中的气体逸出，形成液流中的气泡（或　

称空泡），这一过程称为空化。空泡随液流进入压力较高的　区域时，失去存在的条件而突然溃灭，原空泡周围的液体　

运动使局部区域的压力骤增。如果液流中不断形成、长大　的空泡在固体壁面附近频频溃灭，壁面就会遭受巨大压力　的反复冲击，从而引起材料的疲劳破损甚至表面剥蚀，这　

就叫空化剥蚀，简称空蚀，又称气蚀。表面的空蚀现象经　

常发生于水泵、水轮机和船舶螺旋桨的叶片表面以及高水　

头泄水建筑物的局部表面上。　运动物体受到空化冲击后表面出现的变形和材料剥蚀　

现象，又称剥蚀或气蚀。空蚀是流体动力学、材料学和物　

理化学的复杂现象。１９０２年，最先在英国驱逐舰“Ｃｏｂｒａ”　号螺旋桨上发现空蚀。接着在水工建筑物和水力机械上也　

看到同样的现象。当时认为桨叶材料的剥落是海水腐蚀造　成的，但是试验证明在蒸馏水中运动的物体也会出现类似　

的剥蚀，因而确认这种现象仅是机械力冲击的结果。据现　

在分析，上述两种因素都起作用。在空化过程中，空泡急　速产生、扩张，又急速溃灭，在液体中形成激波或高速微　

射流。金属材料受到冲击后，表面晶体结构被扭曲，出现　化学不稳定性，使邻近晶粒具有不同的电势。物体表面局　

部点上材料剥落后，出现的新的纯净金属和周围旧金属之　

间构成一对电极而产生腐蚀电流，从而加速电化学腐蚀过　

程。剥蚀区域中材料的机械性能显著恶化，从而导致空蚀　量激烈增加。因为空泡在溃灭过程中能形成电离层，所以　

施加适当的外磁场就能控制空蚀程度。　空蚀的程度以空蚀强度来衡量。空蚀强度常用单位时　间内材料的减重、减容、穿孔数和表面粗糙度变化作为特　征量。空蚀过程分为几个阶段：最初只有材料表面的变形　

或少量减重，形成空蚀潜伏区；然后单位时间的减重突然　

增大，形成空蚀加速区；过段时间后，单位时间的减重慢　

慢减小，形成空蚀减速区；最后，单位时间的减重基本不变，　形成空蚀稳定区。因为液体和材料的性质不同，上述各个　

阶段中的变化也有差异。　空蚀是空化的后果，但并非所有空化都造成材料的损　

坏，只有不稳定的空化，如不定常流动中出现的空化或封　闭空泡的尾端才会引起空蚀。因此，空蚀往往出现在物体　

的局部区域。空蚀的机理与材料受固体微粒或液滴冲击而　

损坏是不同的。为消除和减轻空蚀损坏，运动部件应在尽　

作者简介：林斌，男，葛洲坝集团第六工程有限责任公司，工程师。

　水泵空化与空蚀分析研究　

可能稳定的条件下运转。消极的办法是在可能发生空蚀的　部位涂上或包上弹性强的材料，或注入气体以吸收空泡溃　

灭所辐射的能量，也可用化学防腐方法来减轻空蚀过程的　

腐蚀作用。　２．水泵的空化参数　

空化与空蚀现象影响水泵的性能，并妨碍运行，主要　表现为：机器的能量特性改变；引起振动及噪声；过流部　

件表面破坏。【４　为了预测和改善水泵的空化与空蚀性能，避　免或减轻空蚀的危害，必须了解影响空化发生及发展的主　

要因素。水泵叶轮进Ｅｌ是空化、空蚀的敏感区，故研究水　

泵转轮进口低压侧的空化特性参数及其表示与计算对保证　

水泵的性能优良意义重大。　水泵进口处的真空度值可用吸入真空度来表示。其值　

已换算到基准面上的液柱高表示。吸入真空度是表示吸入　

压力的一种方法，曾长期当作水泵空化参数。　已知水泵进Ｅｌ法兰处压力为Ｐｓ，如图１所示，则水泵　

进口真空度：　

＝　Ｐｇ一旦Ｐｇ　（１）１，　

可将旦＋　一　＝ＮＰＳＨａ带入得：　Ｐｇ　ｚｇ　ｐｇ　

ＮＰＳＨａ＝　：　十三王一　一　．．　（２）　Ｐｇ　２ｇ　ｐｇ　’　

＝　（３）２　ｇ　ｐｇ　、　ＮＰＳＨａ一１Ｏ—Ｈ　，这样当知水泵进口处真空度值，就　知ＮＰＳＨａ，当汽蚀发生时ＮＰＳＨａ＝ＮＰＳＨｒ　１０～Ｈ　。　

用装置参数表示真空度：　一　利用伯努利方程：　一　＋芝＋像十　一　

＝　＿二　＝　二　＋　＋　王＋△　一　（４）　ｐｇ　Ｐｇ　ｚｇ　用上式计算泵几何吸高度Ｈｓｇ和用ＮＰＳＨａ计算Ｈｓｇ　相同。考虑安全余量：引入许用真空度概念［Ｈｖ］＝Ｈｖ－ｋ或　

［Ｈｖ］＝Ｈｖ／（１．１～１．３）　这样用许用真空度可求得许用安装高度：　

善　卜　十丝一　…一　（５）　

过去，泵样本一般给的是［Ｈｖ］，是换算到标准状态下，　

但若水泵现场条件和标准状态不同，则需将【Ｈｖ】或换算到　

现场条件下的【Ｉ－Ｉｖ］　，然后用ｆＨｖ］　代替［Ｈｖ］，求几何安　装高度：　

ＩＮ　］　＝Ｄ＇－￣Ｖ］～１０．３３＋　＋０．２４一　（６）　

二　空化与空蚀实验研究　

１．实验方法研究　

本文结合某水泵模型装置性能实验研究水泵空化与　空蚀实验方法。水泵的空化与空蚀问题采用必需汽蚀余量　

ＮＰＳＨ，作为性能参数。必需汽蚀余量只与水泵的结构、叶　

轮部分的形状等因素有关，而与装置和液体种类无关。　通　

常ＮＰＳＨ￣值由制造厂家提供。　图１水泵吸入真空度示意图　

有效汽蚀余量（＾　）是指水泵进１７１处液体所具有　

的超过当时温度下汽化压力的富余能量，通常由下式计算：　

ＮＰＳＨ　＝』　一ｈ　—ｈ一　，１、　Ｐｇ　９ｇ　、　，　

式中：　——大气压强（ｍＨ２０）；　ｐｇ　

——试验水温下水的饱和蒸汽压强（ｍＨ　０）；　Ｐｇ　

——＿真空表测点的真空度（ｍＨ　０），　

——泵叶轮中心至真空表进水口高程差　

（ｍＨ２０）。　由式（７）可见：有效汽蚀余量的大小只与作用与液面　上的大气压力、水泵安装高度，水泵装置进水部分的水力　

损失及当时温度的汽化压力水头等因素有关，而与水泵本　身的因素无关。【５　

一台水泵是否发生空化与空蚀是由水泵本身条件与装　置条件共同决定的。＾　与＾　ｓ＝　随Ｑ的变化关系如　

图２。由图可看出：随着流量的增加，泵的必需汽蚀余量增　

加，而有效汽蚀余量则减小。在两曲线交点Ｋ的左边，表　示装置的有效汽蚀余量大于泵的必需汽蚀余量，水泵不会　

发生空化与空蚀；Ｋ的右边，表示装置的有效汽蚀余量小　

于泵的必需汽蚀余量，水泵将发生汽蚀，Ｋ点称之为临界　汽蚀余量。删　

由上述分析可知，临界汽蚀余量在评价水泵空化与空　

蚀性能中起着决定性的作用，在Ｋ点时ＮＰＳＨ　＝ＮＰＳＨ　在允许范围以内，ＮＰＳＨ　越小，则要求装置提供的　

ＮＰＳＨ　小，泵抗汽蚀性能就越好。因此本次汽蚀试验采　

用能量法，通过系统回路内抽真空采集不同真空度时的各　参数值，由式（７）计算对应的有效汽蚀余量，根据效率下　

降１％确定临界汽蚀余量。从而验证泵临界汽蚀余量是否　

小于规定的必需汽蚀余量，且临界汽蚀余量越小，水泵的　汽蚀性能越好。　

２．数据采集问题及分析　前已述及汽蚀实验方法，采用等扬程实验，理论上在　

抽真空的过程中测得的扬程应基本保持不变，但实验过程　中无论在哪一扬程下，当真空度增加到一定程度时，采集　

的扬程都会增大，这就增加了实验误差。　分析扬程增大的原因主要是采用了连续抽真空的方式，　

即真空泵工作一段时间后停止，待数据稳定后采集，然后　

继续开启真空泵抽气。随着抽气量的增加，会有部分液体　

汽化形成气泡，并在下次抽真空的过程被抽出，且真空度　水泵空化与空蚀分析研究　

Ｈ　Ｑ　

聒并仝蚀　图２　ＮＰＳＨｒ￣ＮＰＳＨ．　随０的变化　

越大，则生成的气泡就会越快越多。若实验时间较长，则　

可能会有大量的气泡生成并排出，使得尾水箱内液体减少，　

水位降低，而压力箱的水位始终保持不变，因此会有扬程　

变大的情况出现。　鉴于上述问题的出现，本实验又采用“逐次抽真空的　

方式”。即真空泵每工作一次，完成数据采集之后再进行下　

一次抽真空，通过控制真空泵的工作时间调节真空度的大　小。实验表明无论在哪种工况下，采用这种方式进行汽蚀　

实验时采集的扬程基本保持不变，实验效果较好。　

３．数据处理问题及分析　前已述及实验是在给定某一扬程不变的情况下进行的，　理论上抽真空的过程中流量应和同扬程下能量实验测得的　

流量值基本一致。但在实验过程中发现随着真空度的增加，　

采集的流量偏大的现象。　分析流量增大的原因主要由真空过程中流道内为气水　

混合物这一特殊性以及电磁流量计的原理所引起的。查阅　

了该电磁流量计工作原理的有关资料发现，目前的电磁流　

量计都是利用法拉第电磁感应定律制成的一种测量导电液　体体积流量的仪器，当液体中含有成泡状流的微小气泡仍　

可正常工作，但测得的是含气泡体积的混合体积流量。　当　

汽蚀实验抽真空时，水中含有大量的气泡，因此采集的流　量偏大，这可在数据处理过程中进行修正，本实验在叶片　角度为０。时选定六个代表性扬程，采集汽蚀实验的流量，　

并与同扬程下能量实验的流量分析比较如表１（Ｑ　，Ｑ　分　

别代表能量实验流量和汽蚀实验流量）。　由表１可以看出，在任一扬程下能量流量Ｑ　和汽蚀流　

量Ｑ，都满足一定的比例关系，即Ｋ值都在０．９８５与０．９９０　之间。其他几个叶片角度采集的数据与能量实验流量数据　表１能量实验与汽蚀实验流量比较　、＼、　流量　扬程（Ｈ）、＼　Ｑ　（Ｌ／ｓ）　Ｑ２（Ｌ／ｓ）　Ｋ＝Ｑ１／Ｑ２　

５．６ｍ　２８７．８　２９１．０　０．９８９　ｌ５．０ｍ　３００．２　３０４．２　０．９８７　４．０ｍ　３１４．１　３１７．３　０．９９０　３．５ｍ　３３１．３　３３６．７　０．９８４　：２．５ｍ　３６４．４　３６８．８　０．９８８　：２．０ｍ　３８８．５　３９３．２　０．９８８