液体温度对离心泵汽蚀余量的影响分析

孙凤鸣 冯树才 许金波

（1.中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011；2.江苏扬子江船业集团公司 江阴214500）

引 言

离心泵具有性能范围大、流量均匀、运转可靠和维护方便等优点，因此在船舶系统中的应用最为广泛。在船舶系统中，运输高温流体的管路如锅炉给水系统也广泛采用离心泵。根据离心泵的特性和系统设计特点，其在运行中可能会出现汽蚀现象。汽蚀使离心泵的运输流体的性能大大下降并影响泵的寿命，甚至会对运输的流体造成污染，而高温是离心泵造成汽蚀的一个重要因素。本文将结合实船的锅炉供水系统布置案例，分析系统高温管路设计中防止汽蚀的措施。

1 汽蚀产生原因

离心泵吸入口能量平衡关系见图1。

图1 离心泵吸入口能量平衡关系

如图1所示，离心泵吸入口处的能量平衡关系可以表达为［1］：

为满足正常工作条件，应满足下面的条件：

离心泵在工作时，叶轮高速旋转产生的离心力使由吸入管吸入的流体沿叶片流道被甩向叶轮出口，同时在叶轮入口处形成低于大气压力的低 压区。泵的流速越大，泵入口和叶轮中心之间的压降越大。如果压降足够大，或温度足够高，当局部压力降低到流体的饱和蒸汽压之下，流体便快速蒸发。叶轮中心压力降低时所形成的气泡随着流体流向叶片。当气泡进入的区域局部压力高于叶片外的饱和蒸汽压时，气泡就会瞬间破裂，对叶片造成损坏。这种气泡的形成和破裂现象就称为汽蚀［2］。

2 汽蚀危害

在汽蚀的发生和发展过程中，叶轮流道中产生大量气泡，破坏了流道的线型，充塞叶轮吸入口，使过流断面减小，流体介质连续性受到破坏，泵的扬程H、流量Q、效率η都急剧下降； 当气泡在高压区溃灭的瞬间，四周的流体质点高速冲击气泡中心并互相碰撞，使离心泵产生强烈的噪声和振动，同时高频冲击波使过流部件表面受到侵蚀，产生裂纹并剥落，严重时泵壳被蚀穿。因为汽蚀现象会影响离心泵的正常工作，影响泵的使用寿命，所以应严防泵的汽蚀现象发生［3-4］。

图2所示为某型集装箱船上，由于管路水温过高引起离心泵汽蚀，从而导致叶轮被打坏。从泵运行调试到叶轮被打汽蚀破坏，整个过程仅1 h，可见汽蚀对泵的寿命影响非常大。

图2 离心泵汽蚀损坏实例

3 汽蚀余量的基本关系及计算

3.1 汽蚀余量的基本关系

离心泵发生汽蚀的条件是由离心泵本身性能和吸入管路布置两方面决定的，因此研究汽蚀发生的条件， 应从离心泵本身和吸入管路两方面来考虑。离心泵汽蚀的基本关系式应当如下：

NPSHa ≤NPSHr —离心泵发生气蚀NPSHa =NPSHr —离心泵开始汽蚀NPSHa >NPSHr —离心泵无汽蚀

式中：NPSHa为有效汽蚀余量，越大越不易发生汽蚀。NPSHr为必需的汽蚀余量，在不考虑变速的情况下， 其只与离心泵本身的结构有关，而与吸入管路无关；又由于其反映液流从泵入口到叶片进口能量降低值， 因此该值越小越不易发生汽蚀，即抗汽蚀性能越好。

3.2 有效气蚀余量计算

由上式可以看出，有效汽蚀余量主要与以下因素有关：

（1）泵的安装高度ZS；

在实船管路布置中，也会尽可能地考虑缩短吸入管，以便减少管路的沿程阻力损失此数值在流体体流速确定的情况下变化不大。对于开敞的系统中，pa一般都取大气压力值。可以看出：NPSHa主要受到液体性质pv、ρ以及泵吸入高度ZS的影响，而液体的性质pv和ρ与液体的温度相关，故影响NPSHa的为输送液体的温度和离心泵的吸入高度ZS。

4 实例计算

现以某型集装箱船的锅炉热井至锅炉给水泵系统为例进行分析。该船配备的锅炉给水泵排量为6.85 m3/h×1.2 bar（120 Pa）， 锅炉给水泵的 NPSHr为3 m。从热井单元至锅炉给水泵之间的管路为通径DN40（48×4），管路中设有2个截止阀和1个盐度检查装置。热井单元布置在机舱内距基线15160 mm处、锅炉给水泵布置在机舱内距基线9976 mm处。锅炉的供水温度设定在80℃左右，具体布置参见图3。

图3 某型集装箱船的锅炉给水管路布置

根据放样设计提供的相关计算数据，该段管路的沿程阻力损失约为∑hi= 4.9 m。此时的热井内水位位置高于离心泵的布置高度，可考虑为倒灌形式，ZS= 5.2 m。

根据查阅淡水的相关参数表可知，80℃时水的饱和蒸汽压力为：pv= 0.47359×105Pa，大气压力为pa=1.01325×105Pa［6］。

由此便计算锅炉给水系统的NPSHa如下：

此时的NPSHa（6.21 m）>NPSHr （3 m），锅炉给水泵不会出现汽蚀现象。

而在实船安装布置后，某次试验操作造成热井中的水温加热至95℃（设计值为80℃），泵发生气蚀而造成损坏。此温度下水的饱和蒸汽压力为pv= 0.84525×105Pa。计算可得此工况下锅炉给水管路中的NPSHa如下：

此时的NPSHa（2.41 m）

针对此案例，根据80℃、85℃、90℃、95℃每一档的温度的饱和蒸汽计算离心泵的有效汽蚀余量，以及温度每升高5℃NPSHa的变化值ΔNPSHa如表1所示。

由表1可以看出，当温度加热到90℃时泵的汽蚀余量还是相对安全。但随着温度升高，泵的汽蚀余量下降速度也更快。从80℃升至85℃时，泵的有效汽蚀余量只减少了0.77 m；而从90℃升至95℃时，泵的有效汽蚀余量却减少了1.48 m。可见，温度是影响管路气蚀余量的较重要因素。

反之亦然，如果该离心泵要满足在95℃水温下正常工作，必须将热井单元的高度抬高至少0.6 m。

5 结 语

离心泵在船舶中的应用极其广泛，而汽蚀的发生对离心泵的危害巨大。根据以上的理论以及实际案例分析，可以得出离心泵内输送高温水的管路中水温的升高对于管路汽蚀余量的影响是比较大的一个因素。所以在设计中遇到离心泵用于高温水管路时，应认真核算离心泵的汽蚀余量是否满足要求。如有特定的输送温度要求，一定要在设计中提前考虑，保证足够的吸入静压。