孫鳳鳴 馮樹才 許金波

（1.中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011；2.江蘇揚子江船業(yè)集團公司 江陰214500）

引 言

離心泵具有性能范圍大、流量均勻、運轉(zhuǎn)可靠和維護方便等優(yōu)點，因此在船舶系統(tǒng)中的應用最為廣泛。在船舶系統(tǒng)中，運輸高溫流體的管路如鍋爐給水系統(tǒng)也廣泛采用離心泵。根據(jù)離心泵的特性和系統(tǒng)設計特點，其在運行中可能會出現(xiàn)汽蝕現(xiàn)象。汽蝕使離心泵的運輸流體的性能大大下降并影響泵的壽命，甚至會對運輸?shù)牧黧w造成污染，而高溫是離心泵造成汽蝕的一個重要因素。本文將結合實船的鍋爐供水系統(tǒng)布置案例，分析系統(tǒng)高溫管路設計中防止汽蝕的措施。

1 汽蝕產(chǎn)生原因

離心泵吸入口能量平衡關系見圖1。

圖1 離心泵吸入口能量平衡關系

如圖1所示，離心泵吸入口處的能量平衡關系可以表達為［1］：

為滿足正常工作條件，應滿足下面的條件：

離心泵在工作時，葉輪高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力使由吸入管吸入的流體沿葉片流道被甩向葉輪出口，同時在葉輪入口處形成低于大氣壓力的低 壓區(qū)。泵的流速越大，泵入口和葉輪中心之間的壓降越大。如果壓降足夠大，或溫度足夠高，當局部壓力降低到流體的飽和蒸汽壓之下，流體便快速蒸發(fā)。葉輪中心壓力降低時所形成的氣泡隨著流體流向葉片。當氣泡進入的區(qū)域局部壓力高于葉片外的飽和蒸汽壓時，氣泡就會瞬間破裂，對葉片造成損壞。這種氣泡的形成和破裂現(xiàn)象就稱為汽蝕［2］。

2 汽蝕危害

在汽蝕的發(fā)生和發(fā)展過程中，葉輪流道中產(chǎn)生大量氣泡，破壞了流道的線型，充塞葉輪吸入口，使過流斷面減小，流體介質(zhì)連續(xù)性受到破壞，泵的揚程H、流量Q、效率η都急劇下降； 當氣泡在高壓區(qū)潰滅的瞬間，四周的流體質(zhì)點高速沖擊氣泡中心并互相碰撞，使離心泵產(chǎn)生強烈的噪聲和振動，同時高頻沖擊波使過流部件表面受到侵蝕，產(chǎn)生裂紋并剝落，嚴重時泵殼被蝕穿。因為汽蝕現(xiàn)象會影響離心泵的正常工作，影響泵的使用壽命，所以應嚴防泵的汽蝕現(xiàn)象發(fā)生［3-4］。

圖2所示為某型集裝箱船上，由于管路水溫過高引起離心泵汽蝕，從而導致葉輪被打壞。從泵運行調(diào)試到葉輪被打汽蝕破壞，整個過程僅1 h，可見汽蝕對泵的壽命影響非常大。

圖2 離心泵汽蝕損壞實例

3 汽蝕余量的基本關系及計算

3.1 汽蝕余量的基本關系

離心泵發(fā)生汽蝕的條件是由離心泵本身性能和吸入管路布置兩方面決定的，因此研究汽蝕發(fā)生的條件， 應從離心泵本身和吸入管路兩方面來考慮。離心泵汽蝕的基本關系式應當如下：

NPSHa ≤NPSHr —離心泵發(fā)生氣蝕NPSHa =NPSHr —離心泵開始汽蝕NPSHa >NPSHr —離心泵無汽蝕

式中：NPSHa為有效汽蝕余量，越大越不易發(fā)生汽蝕。NPSHr為必需的汽蝕余量，在不考慮變速的情況下， 其只與離心泵本身的結構有關，而與吸入管路無關；又由于其反映液流從泵入口到葉片進口能量降低值， 因此該值越小越不易發(fā)生汽蝕，即抗汽蝕性能越好。

3.2 有效氣蝕余量計算

由上式可以看出，有效汽蝕余量主要與以下因素有關：

（1）泵的安裝高度ZS；

在實船管路布置中，也會盡可能地考慮縮短吸入管，以便減少管路的沿程阻力損失此數(shù)值在流體體流速確定的情況下變化不大。對于開敞的系統(tǒng)中，pa一般都取大氣壓力值?？梢钥闯觯篘PSHa主要受到液體性質(zhì)pv、ρ以及泵吸入高度ZS的影響，而液體的性質(zhì)pv和ρ與液體的溫度相關，故影響NPSHa的為輸送液體的溫度和離心泵的吸入高度ZS。

4 實例計算

現(xiàn)以某型集裝箱船的鍋爐熱井至鍋爐給水泵系統(tǒng)為例進行分析。該船配備的鍋爐給水泵排量為6.85 m3/h×1.2 bar（120 Pa）， 鍋爐給水泵的 NPSHr為3 m。從熱井單元至鍋爐給水泵之間的管路為通徑DN40（48×4），管路中設有2個截止閥和1個鹽度檢查裝置。熱井單元布置在機艙內(nèi)距基線15160 mm處、鍋爐給水泵布置在機艙內(nèi)距基線9976 mm處。鍋爐的供水溫度設定在80℃左右，具體布置參見圖3。

圖3 某型集裝箱船的鍋爐給水管路布置

根據(jù)放樣設計提供的相關計算數(shù)據(jù)，該段管路的沿程阻力損失約為∑hi= 4.9 m。此時的熱井內(nèi)水位位置高于離心泵的布置高度，可考慮為倒灌形式，ZS= 5.2 m。

根據(jù)查閱淡水的相關參數(shù)表可知，80℃時水的飽和蒸汽壓力為：pv= 0.47359×105Pa，大氣壓力為pa=1.01325×105Pa［6］。

由此便計算鍋爐給水系統(tǒng)的NPSHa如下：

此時的NPSHa（6.21 m）>NPSHr （3 m），鍋爐給水泵不會出現(xiàn)汽蝕現(xiàn)象。

而在實船安裝布置后，某次試驗操作造成熱井中的水溫加熱至95℃（設計值為80℃），泵發(fā)生氣蝕而造成損壞。此溫度下水的飽和蒸汽壓力為pv= 0.84525×105Pa。計算可得此工況下鍋爐給水管路中的NPSHa如下：

此時的NPSHa（2.41 m）

針對此案例，根據(jù)80℃、85℃、90℃、95℃每一檔的溫度的飽和蒸汽計算離心泵的有效汽蝕余量，以及溫度每升高5℃NPSHa的變化值ΔNPSHa如表1所示。

由表1可以看出，當溫度加熱到90℃時泵的汽蝕余量還是相對安全。但隨著溫度升高，泵的汽蝕余量下降速度也更快。從80℃升至85℃時，泵的有效汽蝕余量只減少了0.77 m；而從90℃升至95℃時，泵的有效汽蝕余量卻減少了1.48 m。可見，溫度是影響管路氣蝕余量的較重要因素。

反之亦然，如果該離心泵要滿足在95℃水溫下正常工作，必須將熱井單元的高度抬高至少0.6 m。

5 結 語

離心泵在船舶中的應用極其廣泛，而汽蝕的發(fā)生對離心泵的危害巨大。根據(jù)以上的理論以及實際案例分析，可以得出離心泵內(nèi)輸送高溫水的管路中水溫的升高對于管路汽蝕余量的影響是比較大的一個因素。所以在設計中遇到離心泵用于高溫水管路時，應認真核算離心泵的汽蝕余量是否滿足要求。如有特定的輸送溫度要求，一定要在設計中提前考慮，保證足夠的吸入靜壓。