水泵故障：离心泵液压故障之气穴及其特征

水泵液压故障

由于温度、流体流速和流体体积流速等因素的变化，导致蜗壳或通向泵的管道中的压力变化，从而导致液压故障。

气穴

气穴是指在流动流体中形成蒸汽气泡，流体压力低于其蒸汽压力。本质上，气蚀是由于吸入压力降低、吸入温度升高或流速高于泵的设计值而产生的。泵的设计者试图考虑泵并非总是以最高效率运行的事实，并试图考虑系统的工作范围。离心泵通常在其最佳效率点（BEP）的85%至110%范围内舒适运行。然而，许多泵被迫在该范围之外运行。因此，设计人员竭尽全力确保汽蚀气泡不会在泵中破裂，而是在远离叶轮叶片的主管道系统中破裂。

泵和管道系统中产生气穴的原因有几个，如：高体积流量；系统中流体量大幅减少，导致流体温度异常升高；由于泵吸入侧的条件改变，吸入压力降低；加热吸入系统中的流体，从而在泵进口处产生更高的流体蒸汽压力；泵内的流量不稳定，通常发生在流量远低于泵的最佳效率点（BEP）流量时；接近零的流量导致泵壳中的流体快速加热，并快速导致系统气阻；并联运行的泵内流体分布不良；大容量运行的超大泵；用高蒸气压泵送温水；还假设在流体和与流体接触的泵的振动部件之间形成空腔；高百分比的泄漏流可能导致叶轮孔眼处的温度升高，从而可能导致局部闪蒸。

当净正吸入压头 (NPSH) （实际 NPSH - 所需 NPSH）较小时，可能是由于设计限制，并且正常泵吸入压力会因泵吸入压力的增加而降低，因此高流量气蚀会更频繁地发生吸入管道压力损失的量，或当泵运行时远远高于其正常或额定流量。

所需净正吸入压头（NPSHR）是避免气穴所需的净正吸入压头量。它独立于系统特性，并且无论泵安装在哪个系统中都保持不变。过度气穴可能导致“气阻”，即由于流体的极端蒸发，或泵在零或接近零的流速下长时间运行，泵内的流体大部分变成蒸汽的现象。

从这种现象中恢复需要停止泵并允许液体重新进入泵。

发生在叶轮进口叶片低压或可见表面上的气蚀损坏伴随着四个症状：

a）侵蚀-高压区域内的空腔塌陷会对塌陷表面施加巨大的局部应力，导致泵表面损坏。由于坍塌蒸汽气泡的水击作用，侵蚀迹象将出现点蚀。发生损坏的原因是，当空腔坍塌时，释放的液体射流以局部声速撞击泵表面，导致局部高表面压力，可能高于材料的极限强度。研究发现，随着流体体积的增加，空化损伤率迅速增加。当容量从无冲击流量的100%提高到120%时，侵蚀率增加4倍。（无冲击流动点是压头与容量曲线上的一个点，通常为BEP流量的1.1至1.3倍。）如果流体容量持续增加，且压头降低，超过无冲击流动点，则NPSHA将不可避免地小于NPSHR。

b)噪音–腔体在较高压力下坍塌的声音是尖锐的爆裂声。气穴产生的噪音水平是气穴严重程度的衡量标准。噪音可在泵吸入口内部和周围发现。如果噼啪声似乎是随机的，并伴有高强度的敲击声，则表明吸入再循环中存在气穴。但是，如果NPSHA大于NPSHR，这并不表示泵的性能降低。

实际上有三种主要的气穴类型，根据空化起始位置和汽泡内爆位置进行分类，每种类型都伴随着其自身的声辐射范围。片状气穴是第一种类型，当泵在低吸入压力下接近其设计流量运行时，会在叶片表面形成空腔。它在2 kHz至40 kHz范围内产生低振幅的宽带噪声。当泵在低吸入压力下远离其设计流量运行时，第二种类型的云状气穴在空腔板下游形成空腔。这是气穴中声音最大的一种。它通常出现在高频率，如20 kHz至40 kHz，并发出熟悉的“泵送砾石”声音。当泵在极低流量和入口回流状态下运行时，第三种类型的涡流气穴是一种高度不稳定的气穴形式。尽管这是一种气泡坍塌现象，就像前两种现象一样，但破坏性较小，因为蒸汽气泡的坍塌发生在远离固体表面的地方。这类气穴的特点是伴随着典型气穴声的随机噪声爆发。当NPSHA非常接近3%水头衰减线且泵同时在回流状态下运行时，涡流空化会在1Hz至4Hz范围内产生低频节拍。这被称为气穴浪涌。

c） 振动–气穴引起的泵振动具有高振幅和低频的特点，通常出现在0到10 Hz的范围内。

d） 泵送效率降低–叶轮周围通道中产生的蒸汽气泡阻碍被泵送流体的流动，从而导致输出降低。泵效率下降是发生气穴的更可靠迹象，因为在气穴发展到泵效率低的程度之前，噪声并不显著。在某些情况下，已经发现泵的效率可能会在气蚀开始前的瞬间略有提高。这可能是由于在流体分离开始时，在空腔开始内爆之前，摩擦力减小。

可使用吸力计或压力计检测气穴，以帮助确定制造商的NPSHA是否等于或小于NPSHR，或通过捕获与气穴损坏相关的声辐射的麦克风检测气穴。由于气蚀是一种常见现象，因此设计了纠正程序以避免或控制损坏。其中一些纠正程序包括：用更耐气蚀的材料（如不锈钢）更换泵中的叶轮；降低泵的流量，使NPSHR等于或小于NPSHA；通过重新设计叶轮的几何结构或表面光洁度，完全重新设计或改变叶轮的设计，以减少损失、改善流动特性或增加流动入口面积，从而降低叶轮入口速度；对泵排放进行节流，以减少泵流量，并可能将泵运行恢复到NPSHA的允许范围内；在泵的吸入侧放置诱导轮，以在流体到达叶轮之前增加泵中的压力；允许少量空气进入泵吸入口将降低与气穴相关的噪音，尽管它不常用于离心泵；