戴鹏飞
中铁工程设计咨询集团有限公司 北京 100071
摘要：本文探讨了空调水系统中水泵汽蚀现象，以实际工程为例介绍了某工程水泵产生汽蚀现象的原因，对该问题提出改进方案，并进行总结。
关键词：空调水系统，水泵，汽蚀，汽蚀余量
引言：空调水系统设计的优劣直接影响到工程的建设投资、后期运行效果及运行费用。水泵是空调水系统的心脏，设计不当可能造成水泵损毁、改造投资巨大和能源浪费等各种问题，因此在设计的初始阶段应进行详细的水力计算，选用合适的水泵至关重要；水系统管道路由的设计应保证顺畅，阻力损失小，开式冷却水系统系统合理设置吸水水池液面的高度，防止水泵汽蚀现象的发生。
1.水泵产生汽蚀的过程
当叶轮入口最低压力等于当时水温下的饱和蒸气压力时，在该处的液体开始汽化形成汽泡，汽泡随水流到叶轮内的高压区时，由于水的压力上升，此时汽泡又凝结成水，原来汽泡占据的空间由于体积突然收缩而形成空洞，周围的水以很高的速度冲向空洞，在该处产生巨大的水力冲击，此时，质点的动能变为变形能，由于液体的变形很小，所以压强很高，瞬时压力可达数千大气压。由于水不断的从叶轮入口处流过，汽泡连续不断的产生和凝结，因此这种水力冲击以很高的频率发生，当这种高频率冲击发生在叶轮金属表面时，将使金属表面发生疲劳破坏而剥落，这就是汽蚀现象的主要破坏机理和发生过程。汽蚀发生时，一般伴有高频冲击引起的噪音和振动，泵的流量减少，扬程和效率都显著降低，严重时甚至完全不上水，所以，应避免泵发生汽蚀。
水泵发生汽蚀现象的因素主要有：（1）泵进口的结构参数，叶轮吸入口的形状、叶片入口边宽度及叶片进口边的位置和前盖板形状等，可用汽蚀余量来衡量。（2）泵的操作条件，泵的流量、扬程及转速等。（3）泵的安装位置，泵的吸入管路水力损失及安装高度。（4）环境因素，泵安装地点的大气压力以及输送液体的温度等。
2.水泵的汽蚀余量
离心水泵的吸水性能通常只用允许吸上真空高度
来衡量的，
值越大，说明泵的吸水性能越好，或者说抗汽蚀性能越好。但是对于有些轴流泵、热水锅炉给水泵等，其安装高度通常是负值，叶轮常常安装在最低水面下，对于这类泵常采用“汽蚀余量”这个名称来衡量它们的吸水性能。
在水泵吸液池面和水泵吸入口处列能量方程得：
即实际汽蚀余量就是液体自吸液池经吸水管到达泵吸入口，所剩下的总水头距发生汽化的水头尚剩余的水头值。汽蚀余量是流体进入泵之后流速增大和水力损失引起的，而产生水力损失的主要因素是泵吸入室与叶轮进口的几何形状和流速，这与泵的结构有关，而与吸水管系统和液体性质无关。泵的汽蚀余量越小，说明其抗汽蚀能力越强。
3.水泵的安装高度
泵房内的地坪标高取决于泵的安装高度，正确计算泵的最大允许安装高度，使泵既能安全供水，又能节省土建造价，具有很重要的意义。将式1-2代入式1-1得：
由此可见水泵的安装高度与液面压强、被输送流体汽化压强、吸液管路的水头损失及水泵的汽蚀余量有关。吸液管阻力越大，水泵的汽蚀余量要求越大，水泵的允许吸升高度就越小。
4.工程实例
对某工程设计对水泵的汽蚀现象进行分析，并提出可行的改造方案。
某工程地下泵站按照图1-1的原设计图纸施工完毕，空调冷却水系统在地下室设有冷却水循环水池，冷却水循环水池中间设有隔水墙，在一侧设有6根DN400的水管从冷却水循环水池吸水至冷却水泵，经现场测量冷却水循环水池的液面高度1.8m。在冷却水泵调试时出现很高噪音、泵体振动等现象，水泵出口不能达到所需扬程，经超声波流量计测量水泵出口流量很小，不满足设计要求。排除其他故障后确定该水泵出现汽蚀。
图1-1 原设计平面图
（1）问题分析
此工程水泵发生汽蚀的主要原因有：1. 冷却水循环水池液面高度过低，仅为1.8m，吸水液面压强过低。2.冷却水循环水池内6根D426x7的吸水管的管中心距0.9m，管间净距只有0.47m，距离过小导致吸水口处发生湍流，吸入空气，水泵更易发生汽蚀。3.冷却水泵吸水主干管的流速较高，按照设计流量6624m3/h，吸水主干管的管径为D920x8，计算得流速达3.77m/s，而且水泵的吸水支管（见图1-1）不顺畅，弯头较多，设有过滤器，阻力损失较大。
根据图1-1可知最不利吸水管管段包括DN900弯头1个，DN450弯头2个，三通1个，大小头1个。查《动力管道设计手册》[1]得最不利吸水管的管件当量长度如表1-1：
管件的当量总长度为302m。
从水池到水泵b1-4的最不利吸水管管段包括以下几段，如表1-2：
水泵吸水管段的阻力损失过大，也是导致水泵汽蚀的原因之一。
（2）水泵安装高度计算
在此工程中，查《流体力学泵与风机》[2]得在海拔高度为0m的情况下，
=10.33m，查《实用供热空调设计手册》[3]在冷却水平均温度29℃时，
=4m。此吸水管路的水头损失较高，
经计算为3.7m。本工程选用的水泵汽蚀余量
为7m。由公式1-3得，
10.33-4-7-3.7=-4.4m，考虑0.5m的安全余量，
-4.4-0.5=-4.9m。冷却水循环水池的液面应该高于水泵吸入口处4.9m才能保证不发生汽蚀。而本工程实际的液面为1.8m，会发生汽蚀。
（3）改造设计
由于工程已经施工完毕，冷却水循环水池的高度仅2.5m。在现有条件下，提出如下几种修改方案：
方案一：废弃冷却水循环水池，增设一冷却水箱置于高处，达到水泵不发生汽蚀的吸水高度。方案二：利用现有条件，通过提高水池液面，减小吸水管路阻力损失来防止汽蚀的发生。
由于地下室没有足够空间安装水箱，且改造投资较大，方案一不可行。现场实施方案二，具体措施如下：
1.尽量提高冷却水循环水池的液面高度，增加吸水液面压强。
2.因原设计吸水干管流速过高，达3.77m/s，为减小吸水管路的阻力损失 
，可通过降低流速，减少局部阻力损失的来实现。故将原有吸水主干管作为水泵b2-1～b2-3及b3-1～b3-3的干管，直接伸到水池中吸水（见图1-5），其流量为2241m3/h，流速为0.98m/s，水池的原有冷却水进水管延长至水池对面。新增一根D1220x10的管道作为b1-1～b1-4的吸水干管，其流量为5400m3/h，流速1.33m/s。
3.将水池内的吸水管增加至8根，且相邻吸水管一长一短布置，防止吸水管的相互干扰，并在吸水口处加加设防涡流钢板以减少因涡流导致的吸水管吸水不畅、吸入气体。
4.取消水泵吸水支管上的过滤器使吸水管路阻力损失尽量小。改造方案见图1-3、4、5。
由式1-4、式1-5、式1-6，计算改造后吸水管的总阻力损失为：
由公式1-3得， 
，考虑0.5m的安全余量， 
所有循环水池的液面应提高至2.2m，可确保不发生汽蚀。通过增加水池液面高度，减少吸水管路阻力损失，避免吸水口吸入空气的改造措施，经计算可满足水泵正常运行的条件。
图1-4 改造设计剖面图
5.结论
该地下泵房经过上述改造后，水泵可正常使用，汽蚀现象消失，达到运行要求。从该工程实践中可以得到以下几点结论：
（1）在水泵设计时，应进行详细的水力计算，合理配置水泵流量和扬程，选择汽蚀余量较小的水泵，避免发生汽蚀。
（2）水泵的吸水管路应尽量短，管路应顺畅，减少吸水阻力。
（3）吸水液面的高度应足够高，保证水泵的汽蚀余量满足要求。
参考文献：
[1] 动力管道设计手册 机械工业出版社，2006
[2] 周谟仁主编 流体力学泵与风机 中国建筑工业出版社1998.
[3] 陆耀庆主编 实用供热空调设计手册 中国建筑工业出版社，2001
论文作者:戴鹏飞
论文发表刊物:《建筑模拟》2019年第9期
论文发表时间:2019/5/9
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