国产水泵水轮机选型中的空化(气蚀)及吸出高度问题.pdf

国产水泵—水轮机选型中的空化（气蚀）及吸出高度问题

高道扬韩佩军
天津市天发重型水电设备制造有限公司

摘要：抽水蓄能机组国产化、本土化的工作在我国研究多年，水泵—水轮机的正确选型不仅是电站规划及初步设
计中最关键的工作，也是抽水蓄能机组设计中最关键的工作，而正确的选型除了考虑模型转轮应有较高的比转速（在
同一容量下水泵—水轮机有较小的直径，发电—电动机有较高的转速，从而降低了机组造价）之外，还应有良好的
空化（气蚀—以下同）性能。本文从理论上和实验上分析论证了水泵—水轮机的空化特点以及相应吸出高度的选取
原则，从而为减少厂房挖深以及延长水泵—水轮机气蚀检修周期提供了依据。
关键字：水轮机空化吸出高度

1水泵——水轮机、转轮的空化特点

1.1水泵工况空化系数及计算
水泵工况下，在抽水蓄能机组下池液面（O点）、泵入口处（S点）、泵进口叶片背面压力最低
处（K点）之间用伯努里能量方程分别建立能量平衡关系，从而找出泵吸入口压力以及水泵空化系
数的计算公式（见图1）。

图1
水泵入口处（S点）的压力：液面（O点）与泵入口处（S点）之间存在以下关系：
22
Z0+P0/γ+Vo/2g=ZS+PS/γ+Vs/2g+∑h0S(1.1)

式中，Z0、Zs分别为下池液面及泵入口处至尾水管底板的高度

P0、Ps分别为下池液面及泵入口处的水压力

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Vo、Vs分别为下池液面及泵入口处的平均流速

∑h0S为下池液面至泵入口处的水力损失

γ：水密度

通常下池液面压力为大气压即P0=Pa，流速为零即V0=0，由（1.1）式，则S点的压力Ps相应的
水柱高（m）为：
2
Ps/γ=Pa/γ-（ZS-Z0）-Vs/2g-∑h0S(1.2)

泵入口处压力与大气压力差（真空度）：
2
Pa/γ-Ps/γ=Hs+Vs/2g+∑h0S(1.3)
正是上述的真空度使水流能以流速Vs克服尾水管的水力阻力而进入水泵入口处。
有效空化余量（装置的空化余量）：有效空化余量定义为水流自下池经尾水管到达泵吸入口处的

所余高于汽化压力能头（Pv/γ）的那部分能量——有效的净正吸入水头（NetPositiveSuctionHead

——简称NPSH），其值记为Δha，则Δha为：
2
Δha=Ps/γ+Vs/2g–Pv/γ(1.4)

式中Δha（NPSH）即为有效空化余量

这里Pv为水流在运行工况温度下的汽化压力
由式(1.1)可得：
22
Ps/γ+Vs/2g=P0/γ+Vo/2g+Z0-Zs-∑hos，在抽水蓄能机组的水泵工况下：P0=Pa，V0=0，Z0-Zs=-HS，

如假定∑h0S≈0，则：
2
Ps/γ+Vs/2g=Pa/γ-Hs(1.5)
将式(1.5)代入式(1.4)则
2
Δha（NPSH）=Ps/γ+Vs/2g–Pv/γ=Pa/γ-HS-Pv/γ(1.6)

国外公司常将Pa/γ（下池液面大气压力换算的水柱高度）记为Hatm(m)，Pv/γ（水泵入口处水

温汽化压力换算的水柱高度）记为tv(m)，因而在∑hos≈0的假定下近似有：

Δha（NPSH）=Hatm-tv-HS(1.7)
由（1.4）式可知，有效空化余量仅与S点的压力、流速及汽化压力有关，即仅与泵工况的吸水
系统（尾水管等吸入系统）及流量有关，而与泵吸入口以后即水泵—水轮机的结构无关，因此有的

文献又称Δha为装置的有效空化余量。
必需的空化余量（泵的空化余量）：水流进入水泵—水轮机转轮后，水泵工况在吸收外加机械能
（由电能转换）之前，由于流道过流面积的收缩、水流在经过叶片头部时，水流急骤转弯，流速加
大（特别是叶片背面）以及由此带来的水力损失等使水流的压力进一步下降，因此泵工况的压力最
低点是在靠近叶片进口背面的K点，K点就是水流首先空化之处。
利用伯努里方程可以建立泵吸入口S点与水流在叶片进口边前（1点）之间的能量平衡关系，
利用相对运动的伯努里方程可以建立1点和K点之间的能量平衡关系，从而可以建立S点和K点之

间的能量平衡关系，并可得：
2
Δha=Ps/γ+Vs/2g-Pv/γ=(Pk-Pv)/γ+ΔP/γ(1.8)

式中Pk为K点水流的压力，Pk/γ为相应的水柱高，Pv为K点的水温下的汽化压力，Pv/γ为相

应的水柱高。

我们定义ΔP/γ的数值为泵必需的空化余量Δhr，因此有：

Δha=(Pk-Pv)/γ+Δhr(1.9)

Δhr的物理意义就是水流进入泵后，在未被叶轮增加能量前，由S点至K点，因流速增加及相
应的水力损失所引起的压头降低值。其数值主要取决于泵吸入口（“1”断面）及叶轮进口的几何形
状及流速，而与尾水管等吸入系统无关，即它主要取决于“水泵—水轮机”的结构，特别是叶片本
身的翼型（由此产生