离心泵气蚀现象与允许吸上高度.doc

五、离心泵的气蚀现象与允许吸上高度
(一)离心泵的气蚀现象
由离心泵的工作原理可知，在离心泵叶轮中心(叶片人口)附近形成低压区，这一压强与泵的吸上高度密切相关。如图2-15所示，当贮液池上方压强一定时，若泵吸人口附近压强越低，则吸上高度就越高。但是吸人口的低压是有限制的，这是因为当叶片人口附近的最低压强等于或小于输送温度下液体的饱和蒸气压时，液体将在该处气化并产生气泡，它随同液体从低压区流向高压区；气泡在高压作用下迅速凝结或破裂，此时周围的液体以极高的速度冲向原气泡所占据的空间，在冲击点处产生大的冲击压力，且冲击频率极高；由于冲击作用使泵体震动并产生噪音，且叶轮和泵壳局部处在极大冲击力的反复作用下，使材料表面疲劳，从开始点蚀到形成裂缝，叶轮或泵壳受到破坏，这种现象称为气蚀现象。气蚀发生时，由于产生大量的气泡，占据了液体流道的部分空间，导致泵的流量、压头及效率下降。气蚀严重时，泵不能正常操作。因此，为了使离心泵能正常运转，应避免产生气蚀现象，这就要求叶片人口附近的最低压强必须维持在某一值以上，通常是取输送温度下液体的饱和蒸气压作为最低压强。应予指出，在实际操作中，不易确定泵内最低压强的位置，而往往以实测泵人口处的最低压强为准。

图 2—15离心泵的吸液示意图
(二)离心泵的允许吸上高度
离心泵的允许吸上高度又称为允许安装高度，是指泵的吸人口与吸人贮槽液面间可允许达到的最大垂直距离，以Hg表示。显然，为了避免气蚀现象，泵的安装高度必须受到限制。
在图2—15中，假设离心泵在可允许的安装高度下操作，于贮槽液面0-0’与泵人口处1—1，两截面间列柏努利方程式，可得
        (2—19)
式中    Hg—泵的允许安装高度，m；
Hf,0-1—液体流经吸人管路的压头损失，m；
P1—泵人口处可允许的最小压强，也可写成p1,min，Pa。
若贮槽上方与大气相通，则加即为大气压强]c，上式可表示为
             (2－20 )
为子确定离心泵的允许安装高度，在归产的离心泵标准中，采用两种指标(允许吸上真空度和气蚀余量)来表示泵的抗气蚀性能(即吸上性能)，下面力.Z，j讨论它们的意义和计算方法。
1.离心泵的允许吸上真空度
如前所述，为避免气蚀现象，泵人口处压强户：应为允许的最低绝对压强。但习惯上常把p1表示为真空度，若当地大气压为pa，则泵人口处的最高真空度为(pa—p1)，单位为Pa。若真空度以输送液体的液柱高度来计量，则此真空度称为离心泵的允许吸人真空度，以Hs，来表示，即
                          (2-21)
式中 —离心泵的允许吸上真空度，是指在泵人口处可允许达到的最高真空度，m液柱；
pa—当地大气压强，Pa；
p1—泵吸入口处允许的最低绝对压强，Pa；
—被输送液体的密度，kg／m3。
应予指出，既然是真空度，其单位应是压强的单位，通常以m液柱来表示。在水泵的性能表里一般把它的单位写成m(实际上应为mH20)，这一点应特别注意，免得在计算时产生错误。但是以m液柱表示的也具有静压头的物理概念，因此，可将式2—21代人式2-20，得
       Hg=- (2-22)
上式为离心泵允许吸上高度(即允许安装高度)的计算式，应用时必须已知允许吸上真空度片的数值。值越大，表示该泵在一定操作条件下抗气蚀性能好，安装高度片Hg越高。与泵的结构、流量、被输送液体的物理性质及当地大气压等因素有关，通常由泵的制造工厂实验测定。实验是在大气压为l0mH20(9.81X104pa)下，以20℃的清水为介质进行的。实验值列在泵样本或说明书的性能表上，有时在一些泵的特性曲线上也画出—Q曲线(见图2-16)，表示随流量的变化情况。随Q增大而减小，因此在确定离心泵安装高度时，应使用泵最大流量下的来进行计算。

图2-16  Hs—Q及—Q关系曲线示意图
若输送其它液体，且操作条件与上述的实验条件不符时，可按下式对水泵性能表上的值进行换算。
     (2-23)
式中  H—操作条件下输送液体时的允许吸上真空度，m液柱;
—实验条件下输送水时的允许吸上真空度，即在水泵性能表上查得的数值，mH20；
Ha—泵安装地区的大气压强，mH20，其值随海拔高度不同而异，可参阅表2-1；
pv－操作温度下液体的饱和蒸气压，Pa；
10－实验条件下大气压强，mH20；
0.24－20℃下水的饱和蒸气压，mH20；
1000－实验温度下水的密度，kg／m3；
—操作温度下液体的密度，kg／m3。
若将式2-22中的换以，便可求得在操作条件下，输送液体时泵的允许安装高度。
表2-1  不同海拔高度的大气压强
海拔高度，m
0   100  200 300 400 500 600 700 800 100 1500 2000 2500
大气压强，mH20
10.3310.2  10.09 9.95 9.85 9.74 9.6  9.5  9.39 9.19 8.64  8.15 7.62
2.气蚀余量
由以上讨论可知，离心泵的允许吸上真空度随输送液体的性质和温度以及泵安装地区的大气压强而变，使用时不太方便。通常采用另一个抗气蚀性能的参数，即允许气蚀余量，以h表示。其值可在离心油泵的性能表中查得。
允许气蚀余量的定义为：为防止气蚀现象发生，在离心泵人口处液体的静压头与动压头之和必须大于液体在操作温度下的饱和蒸气压头某一最小值，即 
   + -                 (2-24)
式中  pv—操作温度下液体饱和蒸气压：Pa；
—离心泵的允许气蚀余量，m。
式2-24即为气蚀余量的定义式。式中p1为离心泵人口处允许的最低压强。
前已指出，泵内发生气蚀的临界条件是叶轮入口附近(截面k—k，)最低压强等于液体的饱和蒸气压pv，此时泵入口处(截面1—1，)压强必等于某确定的最低值p1。若在截面1—1，和截面k—k，间列柏努利方程式，可得
    + =        (2-25)
比较式2-24和2-25可得    .
=                              (2-26)
由上式可以看出，当流量一定且流体流动进入阻力平方区时，气蚀余量仅与泵的结构和尺寸有关，是泵抗气蚀性能参数。   
将式2-24代人式2—19，并鼙理得
   Hg=---                  (2-27)
式中的p。为吸人槽内液面上方的压强，单位为Pa若贮槽为敞口，则p。=pa。
式2-27为离心泵允许吸上高度的另一计算式。
离心泵的允许气蚀余量值也是由生产泵的工厂通过实验测定的，并将其值列于泵的性能表上。有一些离心油泵的特性曲线图上，有时也绘出与Q的变化关系曲线，如图2—16中—Q曲线所示。由图可见，随Q增大而增大。因此计算允许安装高度时应取高流量下的值。应当说明，泵性能表所列的值也是按输送20℃的清水测定出来的，当输送其它液体时应乘以校正系数予以校正。但因一般校正系数小于1，故把它作为外加的安全因数，不再校正。
根据泵性能表上所列的是允许吸上真空度Hs，抑或是允许气蚀余量，相应地选用式2—22或式2-27以计算离心泵的允许吸上高度。通常为安全起见，离心泵的实际吸上高度，即  实际安装高度应比允许吸上高度小0.5～lm。
[例2-4]  用3B33型水泵从一敞口水槽中将水送到它处，槽内液面恒定。输水量为45—55m3/h，在最大流量下吸人管路的压头损失为lm，液体在吸人管路的动压头可忽略。试计算：(1)输送20℃水时泵的安装高度；(2)输送65℃水时泵的安装高度。
泵安装地区的大气压为9.8lXl04Pa。
解：由附录二十三查得3B33型水泵的部分性能列于下表：
例2-4附表
流量Q
m3／h 
压头H 
m
转速n
r／min
允许吸上真空度Hs
m
30
45
55 
35.6
32.6
28.8
2900
7.0
5.0
3.0               
(1)    输送20℃水时泵的安装高度  根据式2-22计算泵的允许安装高度，即
Hg=--
由题意知，= lm，
从该泵的性能表可看出，随流量增加而下降，因此，在确定泵的安装高度时，应以最大输送量所对应的值为依据，以便保证离心泵能正常运转，而不发生气蚀现象，故取=3m。
由于输送20℃的清水，且泵安装地区的大气压为9.81X104pa，与泵实测的实验条件相符，故不必换算，即Hs==3m。故
Hg=3—1=2m
为安全起见，泵的实际安装高度应该小于2m。
(2)输送65℃水时泵的安装高度  此时不能直接采用泵性能表中的值计算泵的允许安装高度，需按式2-23对进行换算，即
Hs = .
其中  =3m    Ha=9.81x104Pa10m
由附录七查出65℃水的饱和蒸气压pv=2.554X104pa及密度980.5kg／m3，则
Hs ==0.65m
将式2-22中的换以Hs，以计算泵的允许安装高度，得
Hg= Hs -=0.65-1=-0.35m
Hg为负值，表示泵应安装在水面以下，至少比贮槽水面低0.35m。
[例2-5]  用离心油泵从贮罐向反应器输送液态异丁烷。贮罐内异丁烷液面恒定。其上方绝对压强为6.65kgf／cm2。泵位于贮罐液面以下1.5m处，吸人管路的全部压头损失为1.6m。异丁烷在输送条件下的密度为530kg／m3，饱和蒸气压为6.5kgf／cm2。在泵的性能表上查得，输送流量下泵的允许气蚀余量为3.5m。试确定该泵能否正常操作。
解：根据已知条件考虑泵能否正常操作，就应该核算泵的安装高度是否合适，即能否避免气蚀现象。可先用式2-27计算允许安装高度，以便和实际安装高度进行比较。
Hg=---    
式中 p0=6.65x9.807x104pa   pv=6.5x9.807x104Pa
=1.6m          h=3.5m
故  Hg= =-2.27m
已知泵的实际安装高度为-1.5m，大于上面的计算结果，说明泵的安装位置太高，在输送过程中会发生气蚀现象，使泵不能正常操作。由以上两例可看出，当液体的输送温度较高或沸点较低时，由于液体的饱和蒸气压较高，就要特别注意泵的安装高度。若泵的允许安装高度较低，可采用下列措施：
(1)尽量减小吸人管路的压头损失，可采用较大的吸人管径，缩短吸人管的长度，减少拐弯，并省去不必要的管件和阀门等。
(2)    把泵安装在贮罐液面以下，使液体利用位差自动灌人泵体内。