離心泵汽蝕余量計算公式推導與分析

張琴 張慢來 謝麗芳 張善彪 黃天成

摘? 要 離心泵是過程流體機械課程講授的最主要裝置之一，其中，汽蝕余量的概念及表示方法是比較難掌握的知識點，學生很容易混淆教材中的三個汽蝕余量計算公式。推導有效汽蝕余量和必需汽蝕余量的定義式和計算式，闡明五個公式的物理意義，并分析不發(fā)生汽蝕的條件，梳理和歸納知識點，方便學生準確理解和應用。

關鍵詞 過程流體機械;離心泵;有效汽蝕余量;必需汽蝕余量

1 前言

過程流體機械是過程裝備與控制工程專業(yè)三大專業(yè)核心課程之一，離心泵是該課程講授的主要內容之一，離心泵的氣蝕余量是離心泵授課體系中非常重要的一個知識點。但是，教材關于汽蝕余量的介紹篇幅較少，通過分析歷屆學生的作業(yè)、考試及答疑等情況，課程組發(fā)現(xiàn)學生對汽蝕余量不同概念的理解和計算公式的應用存在較大問題，有必要對汽蝕余量的來龍去脈進行詳細介紹，達到使學生熟練掌握相關公式、準確計算的目的。

實驗表明，流體流經離心泵葉輪時，在葉輪葉片進口不遠處的K點，壓力pK最低（如圖1所示）。若低于輸送流體溫度對應的飽和蒸汽壓pv時，流體會汽化，產生氣泡。氣泡流經葉輪葉道內壓力較大處時，氣泡凝結放熱，形成空穴，周圍液體沖向空穴，造成高頻撞擊，導致金屬葉輪表面因沖擊疲勞而剝裂。另一方面，氣泡內氧氣借助凝結時放出的大量熱量，形成熱電偶，發(fā)生電解，導致金屬葉輪發(fā)生電化學腐蝕，加劇了機械剝裂[1-2]。上述現(xiàn)象稱為汽蝕，離心泵發(fā)生汽蝕，會產生嚴重的后果[3]。因此，保證pK>pv，是離心泵不汽蝕的直接條件。在實際工程中，除了比較兩者壓力關系外，更直接的方法是比較汽蝕余量之間的關系。

2 有效氣蝕余量和必需汽蝕余量定義式

表示吸入罐液面上的靜壓能頭（）在克服吸入管路中的流動損失（ΔHA-S），并把液體提高到有效高度（Hg）后，所剩余的超過汽化壓力的能頭（），這便是為了避免發(fā)生汽蝕而富余的能量，故稱為有效汽蝕余量，英文為Net Positive Suction Head Available，簡寫為NPSHa。由于這四項皆與泵吸入裝置有關，因此又稱為泵吸入裝置的汽蝕余量。富余能量越多，即NPSHa越大，越不易汽蝕。

ΔHS-K為流體從泵入口法蘭到壓力最低點的流動損失，能量損失越小，則剩余的能量就越大，越不易汽蝕。為K點的速度能頭，K點速度越小，則K點壓力越大，pK越大于pv，越不易汽蝕?？梢姡S-K和兩者對汽蝕的影響方向是一致的，因此將兩者之和稱為必需汽蝕余量，英文為Net

Positive Suction Head Required，簡寫為NPSHr。由于ΔHS-K和皆與泵本身有關，因此又稱為泵本身的汽蝕余量。某泵NPSHr越小，表明該泵防汽蝕性能越好，越不易汽蝕。

3 有效汽蝕余量計算式

6 總結

本文給出有效汽蝕余量和必需汽蝕余量的定義式，并推導了三個計算式。其中，有效汽蝕余量又稱為泵吸入裝置的汽蝕余量（NPSHa，Net Positive Suction Head Avai-lable），表示吸入罐液面上的靜壓能頭在克服吸入管路中的流動損失、并把液體提高到有效高度后所剩余的超過汽化壓力的能頭，是為了避免發(fā)生汽蝕而富余的能量。NPSHa越大，泵越不易發(fā)生汽蝕，有定義式：

計算式：

必需汽蝕余量又稱為泵本身的汽蝕余量（NPSHr，Net Positive Suction Head Required），表示流體從泵入口法蘭處到壓力最低點的流動損失與壓力最低點的速度能頭之和。NPSHr越小，泵越不易發(fā)生汽蝕，有定義式：

參考文獻

[1]姜培正.過程流體機械[M].北京：化學工業(yè)出版社，2001.

[2]余華明，陳禮.流體力學及流體機械[M].上海：上海交通大學出版社，2013.

[3]張琴，馮定，張慢來，等.空穴影響離心泵工作特性的CFD分析[J].石油機械，2015（6）：61-65.

[4]劉沛清，趙蕓可.伯努利方程對流體力學理論建立的歷史貢獻[J].力學與實踐，2020（2）：258-264.