泵汽蝕試驗方法研究

郝詠冰，張 勝，喬金宇，張振坤，史 連，劉 磊，孟令軍

（1.淄博市機電泵類產品質量檢驗研究院，山東淄博 255200；2.淄博市產品質量監督檢驗所，山東淄博 255000）

0 引言

除了流量、揚程和效率外，評價泵的性能的另外一個重要指標就是汽蝕余量。汽蝕余量是指在恒定流量下，泵的第一級揚程下降3%時的必需汽蝕余量，一般是通過試驗得到該參數的精確數值[1]。試驗回路、測量精度和試驗方法都會對泵汽蝕余量產生影響。根據泵的類型和汽蝕余量的大小，選擇不同的試驗方法。

為了對汽蝕試驗的方法進行分析研究，本文只討論在試驗回路和測量精度相同的情況下，試驗方法對泵汽蝕余量的影響。本文從分析汽蝕余量的影響因素入手，找到各種試驗臺位汽蝕試驗的最佳方法。

1 汽蝕余量NPSH定義及其公式推導

汽蝕余量NPSH定義為，相對于NPSH基準面的入口絕對總水頭與汽化壓力水頭的差值[2]。計算式為：

式中：H1為相對于NPSH 基準面的入口絕對總水頭；ZD為NPSH 基準面到計算用基準面的垂直高度值；pb為大氣壓力值；pv為試驗溫度下，液體的汽化壓力值；ρ為液體密度值；g為重力加速度值。

實際試驗過程中，為了計算方便，一般把NPSH基準面當做基準面，這時ZD=0，式（1）可改寫為：

如何對式（2）進行理解，現做如下分析。

相對于NPSH 基準面的入口絕對總水頭H1可通過下式得到：

式中：Z1為要研究的點相對于NPSH基準面的高度；p1為入口測量截面處的表壓力值；v1為入口測量截面處的平均流速。

把式（3）代入式（2），可得：

式（4）就是汽蝕余量的理論計算公式。

2 汽蝕余量NPSH影響因素分析

汽蝕試驗一般是采取保持流量恒定，改變進口壓力，從而改變揚程的方法進行。下面對式（4）進行分析。

影響汽蝕余量的因素很多，現假定流量恒定，則管路中的流速也是恒定的，即/2g不變。pb為大氣壓力值，在試驗過程中可視為不變，則pb/ρg也不變。Z1為要研究的點相對于NPSH 基準面的高度，管路固定后，試驗過程中，Z1值在試驗過程中也不發生變化。pv為試驗溫度下，液體的汽化壓力值，與溫度有關，一般情況下，認定試驗過程中介質的工作溫度是恒定的，則pv/ρg也不變。因此，在保持流量恒定的情況下，可通過改變進口壓力p1的大小來改變NPSH值，從而找到揚程下降3%時的NPSH值[3]。

3 泵的汽蝕試驗方法

在保持流量恒定的條件下，可通過改變入口測量截面處的壓力值來改變NPSH值[4]。改變入口測量截面處的壓力值可通過以下3種方法實現。

3.1 降低水位法

泵的試驗管路安裝固定后不能再動了，要想改變泵入口測量截面處的壓力值，可通過降低入口管路吸入液面的高度的方法實現[5]。該方法在開式試驗系統中比較常用，儲水池與外界大氣相通。基本原理如下所示：

式中：p 為泵入口測量截面處的靜壓力值；pb為大氣壓力值；h為泵入口測量截面中心點至液面的高度。

如果入口管路插入儲水池中，汽蝕試驗過程中，可通過抽取儲水池中的水的方法，使儲水池中的水面高度下降，從而提高泵入口測量截面中心點至液面的高度，從而降低泵入口測量截面處的靜壓力值，如圖1所示。

圖1 降低水位法

3.2 抽真空法

在閉式試驗系統中，泵的吸入管路與汽蝕罐相通，吸入管路插入汽蝕罐液面以下，如圖2 所示。由于閉式試驗系統試驗條件的限制，要想改變泵的入口壓力，只有通過改變汽蝕罐液面上空氣體的壓力實現。可通過在汽蝕罐上端抽真空的方法達到降低汽蝕罐液面上空氣體壓力，從而達到降低泵入口測量截面處的壓力值的目的[6]。

使用抽真空法在抽氣過程中，隨著汽蝕罐上部氣體的真空度降低，氣體變得越來越稀薄，汽蝕罐水中溶解的氣體就會析出，析出的氣體夾帶部分水蒸氣，這樣導致吸入管路中的液體中氣體含量的改變，從而導致測量精度的下降。

圖2 汽蝕罐

3.3 調節入口閥門開度法

另外一種改變泵的入口壓力的方法就是調節入口閥門開度法，如圖3所示。該方法在開式試驗系統中使用最多，具有操作簡單、方便的優點。在試驗過程中，始終保持泵的流量恒定。調節入口閥門開度，由于泵入口管路上的閥門開度變小，從而流經閥門的流速變大，流速變大導致閥門處的阻力變大，進而改變泵入口管路系統阻力，從而使泵入口處的壓力值降低。

調節入口閥門開度法，在調節閥門開度的過程中，由于閥門開度變小，流經閥門的流速變大，導致閥門處的壓力降低，從而在壓力低處會析出氣泡，提前產生汽蝕，最終導致測試精度降低。實踐證明，當NPSH＜5 m 時，隨著額定汽蝕余量值變小，這種影響非常明顯[7]。

圖3 調節入口閥門開度法

3.3 3種方法比較

（1）從適用哪種試驗系統來看，降低水位法和調節入口閥門開度法都是用在開式試驗系統中，而抽空氣法只適用于閉式試驗系統中[8]。

（2）從測試精度來看，降低水位法測試精度最高，抽空氣法次之，調節入口閥門開度法最低。

（3）從測試系統造價來看，抽空氣法用在閉式試驗系統中，和其他兩種試驗測試系統相比造價是最高的。降低水位法由于要把儲水池中的水抽出，所以不可避免會造成試驗液體的浪費。

（4）當NPSH≥5 m 時，開式臺調節入口閥門開度法和閉式臺抽真空法這兩種汽蝕試驗的結果基本一致，精度基本相當。當NPSH＜5 m時，宜采用閉式臺抽真空法。

4 結束語

本文中討論的3 種汽蝕試驗方法是最常用的汽蝕試驗方法。在實際應用過程中，要根據被測試泵的參數，選擇合適的試驗管路系統，運用對應的汽蝕試驗測試方法進行試驗。閉式試驗臺雖然精度高，但是造價也高，只有汽蝕余量很小的泵的試驗才使用。開式試驗臺中的降低水位法雖然精度高，但是實現比較麻煩，會造成資源浪費；調節入口閥門開度法是汽蝕試驗最常用的一種方法，只要NPSH≥5 m，都可使用。汽蝕試驗的3種汽蝕試驗方法，對實際汽蝕試驗過程有一定的現實指導意義。