第四章 泵的汽蝕

1、第四章第四章 泵的汽蝕泵的汽蝕 高明 山東大學(xué) p水的物理特性：水和汽可以互相轉(zhuǎn)化，而溫度和壓力則是造 成它們轉(zhuǎn)化的條件。 p1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的水，溫度上升到100時(shí)，就開(kāi)始汽化。 但在高海拔地區(qū)呢？ p如果水溫保持不變，壓力降低到某一數(shù)值時(shí)，水同樣也會(huì)發(fā) 生汽化（pv）。 p舉例：水溫為20時(shí)，其相應(yīng)的汽化壓力為2.4kpa。 n泵內(nèi)的水在流動(dòng)過(guò)程中，某一局部地區(qū)的 壓力等于或低于水溫所對(duì)應(yīng)的汽化壓力時(shí)， 水就會(huì)在該處發(fā)生汽化。 n由于汽泡中的氣體和蒸汽來(lái)不及在瞬間全 部溶解和凝結(jié)，因此，在沖擊力的作用下 又分成更小的汽泡，再被高壓水壓縮、凝 結(jié)。如此形成多次反復(fù)。 n如果氣泡的破裂發(fā)生在流

2、道附近，就會(huì)在流道表面形成某種 強(qiáng)度的高頻沖蝕。沖蝕形成的水擊壓力可高達(dá)幾百甚至上千 Mpa，沖擊頻率每秒幾萬(wàn)次。 n流道材料表面在水擊壓力的反復(fù)作用下，形成疲勞而遭到破 壞。從開(kāi)始的點(diǎn)蝕到嚴(yán)重的蜂窩狀空洞，最后甚至把材料壁 面蝕穿。通常把這種破壞現(xiàn)象稱為剝蝕通常把這種破壞現(xiàn)象稱為剝蝕。 n由液體中逸出的氧氣等活性氣體，借助汽泡凝結(jié)時(shí)放出的熱 量，也會(huì)對(duì)金屬起化學(xué)腐蝕（電化學(xué)腐蝕）作用。 n這種汽泡的形成、發(fā)展和破裂以致材料受到破壞的全這種汽泡的形成、發(fā)展和破裂以致材料受到破壞的全 部過(guò)程，稱為汽蝕。部過(guò)程，稱為汽蝕。 汽蝕發(fā)生時(shí)，會(huì)出現(xiàn)噪聲和振動(dòng)。汽泡破裂和高速?zèng)_擊會(huì)引起嚴(yán) 重的噪聲。由于其

3、他來(lái)源的噪聲已相當(dāng)高，一般情況下，往往感 覺(jué)不到汽蝕所產(chǎn)生的噪聲。 汽蝕過(guò)程本身是一種反復(fù)凝結(jié)、沖擊的過(guò)程，伴隨很大的脈動(dòng)力。 如果這些脈動(dòng)力的某一頻率與設(shè)備的自然頻率相等，就會(huì)引起強(qiáng) 烈的振動(dòng)。 汽蝕發(fā)生時(shí)，由于機(jī)械剝蝕與化學(xué)腐蝕的共同作用，致使材料受 到破壞（下圖）。 汽蝕發(fā)展嚴(yán)重時(shí)，大量汽泡的存在會(huì)堵塞流道的截面， 減少流體從葉輪獲得的能量，導(dǎo)致?lián)P程下降，效率也相 應(yīng)降低。 n泵的性能曲線有明顯的變化。這種變化，對(duì)于不同比轉(zhuǎn) 數(shù)的泵情況不同。 ns=70 （1 1）安裝高度對(duì)汽蝕的影響）安裝高度對(duì)汽蝕的影響 n當(dāng)幾何安裝高度為6m時(shí)，出水管閥門的開(kāi)度只能開(kāi)到曲線上 黑點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的流量。如果

4、繼續(xù)開(kāi)大閥門，流量進(jìn)一步有所增加 時(shí)，揚(yáng)程曲線則急劇下降，這表明汽蝕已經(jīng)達(dá)到使水泵不能工 作的嚴(yán)重程度。這一工況，稱為斷裂工況。 n當(dāng)把幾何安裝高度從6m增加到7m時(shí)， 斷裂工況就向流量小的方向偏移，qv H曲線上可以使用的運(yùn)行范圍就變 窄；幾何安裝高度提高到8m時(shí)，斷 裂工況偏向更小的流量，泵的使用范 圍就更窄。 ns=690 ns=70 比轉(zhuǎn)數(shù)的影響比轉(zhuǎn)數(shù)的影響 ns=150 H H H qvqvqv qVH qVHqVH qV qV qV a 離心泵離心泵 b 混流泵混流泵 c 軸流泵軸流泵 不同比轉(zhuǎn)數(shù)泵受汽蝕影響性能曲線下降的形式不同比轉(zhuǎn)數(shù)泵受汽蝕影響性能曲線下降的形式 （2 2）比轉(zhuǎn)

5、數(shù)對(duì)汽蝕的影響）比轉(zhuǎn)數(shù)對(duì)汽蝕的影響 n當(dāng)nsqvc時(shí)， hrha， 有效汽蝕余量所提供的超 過(guò)汽化壓力的富余能量不 足以克服泵入口部分的壓 力降，此時(shí)，pkpv，泵內(nèi) 發(fā)生汽蝕。qvc右邊為汽蝕 區(qū)，左邊為安全區(qū)。 n泵不發(fā)生汽蝕的條件： hrpv (1) 允許汽蝕余量允許汽蝕余量 h h h ha a = = h hr r = = h hc c h hc c為臨界汽蝕余量，由汽蝕試驗(yàn)求得，為保證泵不發(fā)生汽蝕，為臨界汽蝕余量，由汽蝕試驗(yàn)求得，為保證泵不發(fā)生汽蝕，h hc c 加一安全量，得允許汽蝕余量加一安全量，得允許汽蝕余量 h h ，通常取通常取 h h 為為： h h = = （1.1

6、1.1 1.3) 1.3) h hc c 或或 h h = = h hc c + 0.30.5m + 0.30.5m (2) 汽蝕余量汽蝕余量 h h 和吸上真空高度和吸上真空高度HHs s 的關(guān)系的關(guān)系 g p g v g p h vss a 2 2 a b ms s pp H gg 2 2 abmvs sa ppv Hh ggg 因此：因此： 發(fā)生汽蝕的臨界狀態(tài)為：發(fā)生汽蝕的臨界狀態(tài)為： h ha a = = h hr r = = h hc c 此時(shí)對(duì)應(yīng)的吸上真空高度為此時(shí)對(duì)應(yīng)的吸上真空高度為Hsmax 2 max 2 abmvs sc ppv Hh ggg 均考慮安全量均考慮安全量K：

7、2 2 abmvs s ppv Hh ggg (3) (3)幾何安裝高度的確定幾何安裝高度的確定-h-h法法 求出允許安裝高度：求出允許安裝高度： ev agw pp hHh gg ev gw pp Hhh gg 由有效汽蝕余量：由有效汽蝕余量： 或者寫成：或者寫成： 0gvw HHHhh 2 2 abmvs s ppv Hh ggg 倒灌高度的確定倒灌高度的確定 ev gw pp Hhh gg 當(dāng)時(shí)(泵吸入飽和水)， 允許安裝高度為負(fù)值，此時(shí)泵必需安裝在水面以下，允許安裝高度為負(fù)值，此時(shí)泵必需安裝在水面以下， 即采用倒灌。即采用倒灌。 事實(shí)上，很多情況下事實(shí)上，很多情況下(吸水水面的壓力低或

8、水溫高等吸水水面的壓力低或水溫高等)， 計(jì)算出的計(jì)算出的Hg0，均需要倒灌。均需要倒灌。 特別注意：鍋爐給水泵以及其前置泵、啟動(dòng)給水泵、特別注意：鍋爐給水泵以及其前置泵、啟動(dòng)給水泵、 凝結(jié)水泵、疏水泵等，輸送的都是飽和水，需合理確凝結(jié)水泵、疏水泵等，輸送的都是飽和水，需合理確 定倒灌高度。定倒灌高度。 例：有一單級(jí)單吸離心泵，安裝在海拔高度500m的地方， 吸入管路系統(tǒng)的有關(guān)參數(shù)為：內(nèi)徑d150mm，全長(zhǎng) L8m，管路沿程損失系數(shù)0.03，管路各局部損 失系數(shù)之和=17.5。該泵額定流量為qv=64m3/h，樣 本中給定的允許吸上真空高度為Hs=7m,利用該泵從 大氣壓力下抽送溫度為40的清水

9、。試求： 該泵的允許幾何安裝高度是多少？ 若給出h=3m，則該泵的允許幾何安裝高度又是多少？ （水在40時(shí)的飽和蒸汽壓力Hv=0.752mH2O,海拔500 處的大氣壓為9.7mH2O） 22 4464 1.01/ 3.140.153600 v s q vm s d 22 1.01 0.05 22 9.8 s v m g 2 8 0.0317.50.050.955 0.152 s w vl h dg m 10.330.24 79.7 10.330.240.7525.858 ssambv HHHH m 2 5.858 0.05 0.955 4.853 2 s gsw v HHhm g 解：解：

10、泵入口速度：泵入口速度： 動(dòng)壓頭：動(dòng)壓頭： 阻力損失：阻力損失： 允許吸上真空高度修正：允許吸上真空高度修正： 允許安裝高度：允許安裝高度： 0 9.70.75230.9554.993 gvw HHHhh m n例2：鍋爐給水泵前置泵工作條件如下：除氧器工作壓力 1.066MPa(g), 進(jìn)水溫度172.3（飽和），轉(zhuǎn)速1450r/min， 最大流量qv=690m3/h；吸入管路的有關(guān)參數(shù)為：內(nèi)徑d 350mm，全長(zhǎng)L8m，管路沿程阻力系數(shù)0.05，各局部阻 力系數(shù)之和10.5，求除氧器安裝高度。 n解：從圖上查得最大流量qv=690m3/h下必需汽蝕余 量hr3.9m，取K0.3m，取管路長(zhǎng)

11、度8m r hh +K=3.9+0.3=4.2m 22 44 690 1.992/ 3.14 0.353600 v s q vm s d 22 81.992 0.0510.52.36 20.352 9.81 s w vl hm dg 泵入口速度：泵入口速度： 阻力損失：阻力損失： 0 4.2 2.36-6.56 gvw HHHhhm 允許汽蝕余量：允許汽蝕余量： 允許安裝高度：允許安裝高度： 由于前置泵從除氧器吸入飽和水，由于前置泵從除氧器吸入飽和水，H0Hv 從除氧器水面到前置泵中心倒灌高度最小6.56m?？紤]負(fù) 荷變化速度等因素，除氧器安裝高度應(yīng)更高。 2 2 seabm gsw vpp

12、HHh gg 2 2 s gsw v HHh g 2 2 s gsw v HHh g ev gw pp Hhh gg 0gvw HHHhh gw Hhh 液面壓力液面壓力=大氣壓力大氣壓力 修正修正 允許吸上真空高度允許吸上真空高度 對(duì)飽和水而言對(duì)飽和水而言 n汽蝕相似定律汽蝕相似定律 22 00 12 22 r vw h gg 原型和模型泵進(jìn)口部分幾何相似，工況相似時(shí)，則壓降 系數(shù)相等，即：1p=1m，2p=2m，且1p=2p, 1m=2m 由運(yùn)動(dòng)相似條件得汽蝕相似定律： 2 222 0011 222 0011 () () rppppp rmmmmm hvwuD n hvwuD n 進(jìn)口幾何

13、尺寸相似的泵，在相似工況 下運(yùn)行，汽蝕余量之比等于葉輪進(jìn)口幾何尺寸的平方比和 轉(zhuǎn)速的平方比的乘積。 n對(duì)同一臺(tái)泵而言，由于尺寸相同，當(dāng)轉(zhuǎn)速變化時(shí)，汽蝕余 量隨轉(zhuǎn)速的平方成正比關(guān)系變化，即 。 2 1 1 rppp rmmm hD n hD n n包括泵的性能參數(shù)及汽蝕性能參數(shù)在內(nèi)的綜合相似特 征數(shù)，反應(yīng)汽蝕相似的性能，這個(gè)相似特征數(shù)稱為 ，用符號(hào)c表示 3 4 5.62 v r n q c h 3 4 2 60 v s r n q K g h 3 4 v r n q s h n必需汽蝕余量hr小，汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù)c大，表示泵的 汽蝕性能好。反之，則差。 n汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù)的大小，可以反映泵抗汽蝕性能的好

14、壞。但是，提高c值往往使泵的效率有所下降。 n目前汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù)的大致范圍如下： 3 4 5.62 v r n q c h n（l）汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù)和比轉(zhuǎn)數(shù)一樣，用最高效率點(diǎn)的n，qv，hr值計(jì)算。 因此一般指最高效率點(diǎn)的汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù)。 n（2）凡入口幾何相似的泵，在相似工況下運(yùn)行時(shí)，汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù)必然相 等。與比轉(zhuǎn)數(shù)ns不同的是，只要求進(jìn)口部分幾何形狀和流動(dòng)相似。即使 出口部分不相似，在相似工況下運(yùn)行時(shí)，其汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù)仍相等。 n（3）汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù)公式中流量是以單吸為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)雙吸葉輪流量應(yīng)以 qv/2代入。 n（4）汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù)c、吸入比轉(zhuǎn)數(shù)S和無(wú)因次汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù)Ks三者的性質(zhì)并 無(wú)差別，物理意義相同。對(duì)于有因次汽

15、蝕比轉(zhuǎn)數(shù)C，由于各國(guó)使用單位 不同需進(jìn)行換算。 n（5）比轉(zhuǎn)數(shù)強(qiáng)調(diào)葉輪出口滿足相似，比轉(zhuǎn)數(shù)相等，泵不一定相似 n 汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù)強(qiáng)調(diào)葉輪進(jìn)口滿足相似，汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù)相等，泵不一定相似 n比轉(zhuǎn)數(shù)和汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù)都相等，則泵是相似的。 n例：某鍋爐給水泵型號(hào)為DG500-240,雙吸 進(jìn)口,從除氧器吸入溫度為154的飽和水,水 泵倒灌高度為25m,設(shè)吸入管路阻力損失3m, 該泵汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù)C=950,轉(zhuǎn)速為6000r/min, 問(wèn):該泵安裝高度是否合適? 解：解： 3 4 5.62 v r n q c h 則：則： 允許汽蝕余量： 3 4 5.625.62 6000500/2/3600 hr=9.354m c9

16、50 hr=19.7m v n q h=hr+k=19.7+0.3=20m 0 20 323 gvw HHHhhm 允許安裝高度： 由于水泵倒灌高度為25m，大于要求的23m，所以安裝高度合適 n提高泵本身得抗汽蝕性能，降低必需汽蝕余量 n合理確定吸入裝置，提高有效汽蝕余量 n加強(qiáng)運(yùn)行管理，使有效汽蝕余量大于必需汽蝕余 量 （1）降低葉輪入口部分流速 （2）采用雙吸式葉輪 （3）增加葉輪前蓋板轉(zhuǎn)彎處的曲率半徑 （4）葉片進(jìn)口邊適當(dāng)加長(zhǎng)，及將葉片進(jìn)口邊向吸入 方向延伸，并作成扭曲形 （5）首級(jí)葉輪采用抗汽蝕性能好的材料 （6）選擇適當(dāng)?shù)娜~片數(shù)和沖角 （1）減少吸入管路流動(dòng)損失 加大吸入管直徑，減

17、少管路附件（彎頭、閥門等）， 使吸入管長(zhǎng)最短。 （2）合理確定幾何安裝高度，必要時(shí)采取倒灌 ev agw pp hHh gg 主葉輪前裝誘導(dǎo)輪，使液體通過(guò)誘導(dǎo)輪升壓后流入主葉輪，提高 主葉輪的有效汽蝕余量，改善了泵的汽蝕性能。 誘導(dǎo)輪是一個(gè)類似軸流式的葉輪，螺旋形葉片，葉片安裝角小， 取l0120，葉片數(shù)僅23片，輪轂直徑較小，因此流道寬而長(zhǎng)， 本身具有良好的抗汽蝕性能。裝設(shè)誘導(dǎo)輪之后，c值可達(dá)3000以 上。 軸向尺寸增加，誘導(dǎo)輪與主葉輪配合不好，效率會(huì)下降。 目前國(guó)內(nèi)的凝結(jié)水泵一般都裝有誘導(dǎo)輪。 n采用雙重翼葉輪 雙重冀葉輪由前置葉輪和后置離心葉輪組成，前置葉輪有23個(gè) 葉片、呈斜流形，與誘導(dǎo)輪相比，其主要優(yōu)點(diǎn)是軸向尺寸小，結(jié) 構(gòu)簡(jiǎn)單，且不存在誘導(dǎo)輪與主葉輪配合不好，而導(dǎo)致效率下降的 問(wèn)題。雙重冀離心泵不會(huì)降低泵的性能，卻使泵的抗汽蝕性能大 為改善。 n設(shè)置前置泵設(shè)置前置泵 隨著單機(jī)容量的提高，鍋爐給水泵的水溫和轉(zhuǎn)速也隨之增加，則要求 泵入口有更大的有效汽蝕余量。為此，除氧器的倒灌高度隨之增加。