一种特殊的水泵汽蚀现象
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摘要：通过研究水泵发生汽蚀时的各种成因，揭示水泵产生汔蚀的要害---“汽泡的产生和破裂”。提出了一种少见的水泵汽蚀类型。
关健词：水泵汽蚀
中图分类号：U464文献标识码： A
水泵中为什么会发生汽蚀现象？简单来说，是因为水流中由各种原因产生的气泡在水泵中的压力变化区域(一般在水泵叶轮进口界面处)破裂，水流因惯性以高速冲向气泡中心，在气泡闭合处产生强烈的局部水锤现象。水锤现象产生一段时间后，水泵叶轮表面产生金属疲劳，随着应力不断施加的集中效应，叶片表面出现裂缝和蜂窝状剥落，叶轮逐渐损坏，这种现象就是 “汽蚀”。
水在常温、常压、静止状态下，一般是以液态形状存在的。而在常压、静止状态下，当水温逐渐升高时，在肉眼可见的状况下，60~70℃时，开始产生气泡，即人们俗称的“虾眼水”。水温达到100℃时，水开始汽化，水从液态转变为气态，达到沸腾状态，即人们所说的“水烧开了”。也就是物理学意义上的在常压（1个大气压）下水的汽化温度为100℃，称为常压饱和蒸汽汽化压力，
在仍保持常温的情况下，当大气压力逐渐变小时（低于大气压，即负压状态），水会在不同的温度下产生不同的饱和蒸汽压力值，所以在海拔高度较大的地区(这里的气压比平原地区的饱和气压低)，水温不到100℃时水就达到沸腾状态了。
物理学上我们知道水温和饱和蒸汽压力的变化关系如下表：
水温(℃) 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
饱和蒸汽压力
(米水柱) 0.06 0.09 0.12 0.24 0.47 0.75 1.25 2.02 3.17 4.82 7.14 10.33
为了防止汽蚀现象的产生而损坏水泵，通常要求运行中的水泵要有一定的汽蚀余量，水泵生产厂家一般通过试验给出自家产品在最佳工作点时的汽蚀余量，或是给出一条流量――汽蚀余量曲线值，提供给用户作为重要的产品参数。一般来说汽蚀余量值越小的水泵，吸水性能越好，也就是允许吸上的真空高度比较好。
在设计使用水泵时，人们往往比较注意水泵的流量、扬程、安装高度即汽蚀余量是否符合要求，若符合使用条件，水泵一般不会产生汽蚀现象。
在使用水泵的实际工作中，我们经常看到由于各种原因造成的汽蚀余量不足，从而发生的水泵汽蚀现象。一些小型的水泵站由于水泵安装的位置水源水位变化比较大，当水位下降过多时，会造成水泵吸程过高，汽蚀余量不足，从而发生汽蚀；还有一些泵站由于设计安装不合理，吸水管线过长，管径偏小，虽然水泵安装高度吸水高程不算大，但由于水泵吸水管线过长，管径偏小，水头损失和吸水高程之和超出了水泵汽蚀余量的允许范围，从而发生了水泵汽蚀。总的说来，由于设计、安装、使用方面的原因，水泵汽蚀余量不足造成汽蚀现象的发生，在实际工作中比较常见。
笔者在实际工作中还接触到了一种不常见的水泵汽蚀现象，现分述如下：
某取水泵站取水泵型号DMEGA350―430B(丹麦产品)，设计流量2250 m³/h，扬程36.8米，设计最枯水位与泵轴线高差1.26米，吸水管长2米，直径DN600，出水管DN600，管长40米；DN800.管长230米。泵安装轴线与出口水面的高差为34.34米，实际总高差35.5米。该泵在投入使用后，实际参数与当初设计值发生了一些变化，该泵站的源水下游建成了河床式水库下闸蓄水，水源水面比当初设计最枯值上升了5.9米，水源最枯水位为黄海高程(下同)85.9米，比当初设计值80米，上升了5.9米，其他安装条件都没有改变，水泵安装轴线标高为81.26米，出水口水面高程115.5米，由于水源水最枯水位上升，水泵轴线比水源水面低了5.64米，该泵在使用一段时间后，出呼意料地出现了汽蚀现象，水泵叶轮出现了蜂窝状裂缝和脱落，为了探讨该泵出现汽蚀的原因，我们针对其进行了如下几方面工作：
（一）现场实测：净高差29.3米，，（即时水源水位86.2米与出水口水面高差），总扬程32米（吸水管压力表与出水管压力表读数差）流量计读数2280m³/h
（二）1.按水泵生产厂家提供的，流量Q，扬程H，等数值求出流量―扬程方程：
方法：将厂家提供的在高效区段内的二个工作点 (Q1.H1)，(Q2.H2)代入方程：H=Hx-SQ2求得HX和S从而得出流量―扬程方程：H=52.93-3.19×10-6Q²
Q――管道流量
H――扬程
HX――虚扬程
S――阻力系数
2.求管道特性方程：
方法：用h= SQ²=（h局部+h沿程）Q²求阻力系数S
h――管道水头损失
h局部――管道局部水头损失
h沿程――管道沿程水头损失
S=（h局部+h沿程）
当Q取2268m³/h经计算：
h局部=1.5（米水柱）
h沿程=0.99（米水柱） 则
h=SQ²=（1.5+0.99）Q²=2.48Q²
得S=4.84×10-7
所求的管道方程为：
H=Z+4.84×10-7 Q²
其中：H――水泵扬程
Z――地形高差
Q――水泵流量
3.联立水泵流量―扬程方程和管道特性方程，求水泵在地形高差为29.3米时的理论工作点，
H=52.93-3.19×10-6Q²①
H=29.3+4.84×10-7 Q²②
解这组方程得理论工作点； H=32.4米，Q=2536m³/h
（三）用容积法校核水泵流量：
经查阅有关图纸资料及现场测量，储水构筑物的清水池及集水井有效容积内的总平面为6718O。当关闭水池所有出水阀门，开动取水泵后，测得水位每小时上升0.367米，则此时的水泵流量为2465m³/h。
用上述三种方法得出的扬程相差不大，而流量各不相同，我们认为流量计读数2280m³/h，比用容积法得出的流量2465m³/h小了8%，这是由于流量计安装后没有经过校核之故；用数学解析法得出的数值2536m³/h比容积法得出的流量2465m³/h大小3%。这是因为①水泵此时工作点已超出水泵高效工作区段；②此时水流中应裹带着产生的气泡（产生气泡的原因将在后面细述），所以实际流量应比计算流量偏小。综上所述，笔者认为，用容积法计算出来的水泵流量是比较可信的。
下面分析当水泵流量为2465m³/h的情况：
水泵进口直径DN500，此时水流速为3.39m/s。而查《给排水设计手册》中的钢管及铸铁管DN500的水力计算表没有流速＞3m/s的数值，而从《水力学》我们得知，管中流速＞3m/s时，属于激流范围，激流水流会产生气泡，使水流形成水夹气现象，目前理论上对水夹气的激流研究较少，还没有权威理论可参考，管中若没有气泡时，流速已达到3.39m/s，当夹带气泡时，流速应该还要大些，还应看到水源水面比水泵轴线高时会产生一定的正压值，此值能抵消一部分产生气泡的能量，但实际情况产生气泡的能量大于正压产生的能量，所以该水泵运行时，进口端水流夹带有大量气泡，这些气泡进入水泵叶轮界面后会立即破裂，这样就形成了水泵汽蚀现象，其特点是此时水泵吸水端液位水面比水泵安装轴线高，不存在水泵汽蚀余量不足的问题，但由于水泵工作点不在设计范围内，产生了严重的汽蚀现象
笔者在城市供水工作已工作了近三十年，也接触了一些各种类型的水泵，但碰到此类的情况还是头一次，只能其称为一种特殊的水泵汽蚀现象。
从本案例中，我们知道在水泵使用过程中，由于实际扬程与使用扬程偏差10%左右，水泵不但会效率下降，还可能造成汽蚀现象，损坏水泵叶轮。所以，我们在设计使用水泵时要仔细核对使用的条件，至于像本例中由于外部因素改变了使用条件，我们可用切削叶轮的方法，使水泵适应新的使用条件，这样不但可以避免出现水泵汽蚀现象，还可以提高水泵效率，从而提高经济效益。