《泵與風(fēng)機(jī)》之泵的汽蝕

1、1第四章 泵的汽蝕 第一節(jié) 汽蝕現(xiàn)象及其對(duì)泵工作的影響 第二節(jié) 吸上真空高度Hs 第三節(jié) 汽蝕余量h 第四節(jié) 汽蝕相似定律與汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù) 第五節(jié) 提高泵抗汽蝕性能的措施2第一節(jié) 汽蝕現(xiàn)象及其對(duì)泵工作的影響 水的汽化：大氣壓下升溫到100或20 下降壓至2.4kPa。 汽化發(fā)生后，大量的蒸汽及溶解在水中的氣體逸出，形成大量蒸汽、氣體混合物的小汽泡。 氣泡隨同液體從低壓區(qū)流向高壓區(qū)，在高壓作用下迅速凝結(jié)或破裂，瞬間產(chǎn)生局部空穴，周圍的液體以極高的速度沖向原氣泡所占據(jù)的空間，形成沖擊。來不及瞬間全部溶解和凝結(jié)的氣體和蒸汽在沖擊力的作用下又分成更小的汽泡，反復(fù)被高壓水壓縮、凝結(jié)。3第一節(jié) 汽蝕現(xiàn)象及其對(duì)

2、泵工作的影響 如果汽泡破裂發(fā)生在流道附近，就會(huì)在流道表面形成某種強(qiáng)度的高頻沖蝕，水擊壓力可高達(dá)幾百甚至上千MPa，沖擊頻率可高達(dá)每秒幾萬次之多。由于沖擊作用使泵體震動(dòng)并產(chǎn)生噪音，且葉輪局部處在巨大沖擊力的反復(fù)作用下，使材料表面疲勞，從開始點(diǎn)蝕到嚴(yán)重的蜂窩狀空洞，最后甚至把材料壁面蝕穿。通常把這種現(xiàn)象稱為“剝蝕”。另外，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)腐蝕作用。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程，稱為汽蝕現(xiàn)象。 4汽蝕機(jī)理-汽蝕核子理論 液體界面上的縫隙中存在的小氣核或汽核，當(dāng)液體壓力降低，氣核迅速生成為肉眼可見的空泡，空泡在壓力升高的地方

3、破滅，產(chǎn)生水擊。空泡崩潰時(shí)形成的微細(xì)射流是固壁材料受到高壓的原因。 汽蝕噪聲與汽蝕發(fā)展的程度有關(guān)，泵內(nèi)汽蝕初生時(shí)，由于空泡崩潰時(shí)微細(xì)射流的沖擊作用而產(chǎn)生噪聲。隨著汽蝕的發(fā)展，噪聲的分貝數(shù)也逐漸增大，其值在斷裂工況之前達(dá)到最大后很快降低，在斷裂工況時(shí)噪聲下降到最小。一般來說，噪聲最大時(shí)汽蝕對(duì)材料的破壞作用也最強(qiáng)烈。利用這種噪聲特性，用以判斷汽蝕的嚴(yán)重程度。5汽蝕發(fā)生的部位 (a)葉片進(jìn)、出口處 (b)葉輪蓋板附近 (c)間隙汽蝕 (d)入流角度和導(dǎo)向葉片角度不適應(yīng)產(chǎn)生的導(dǎo)向葉片汽蝕 (e)蝸殼泵舌處（連續(xù)大流量） (f)吸入室隔舌（預(yù)旋過大）6 CFD流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算程序模擬的氣泡體積分?jǐn)?shù)最大的位

4、置。7泵內(nèi)汽蝕的發(fā)生和發(fā)展 1、初生：水在低壓區(qū)剛開始汽化，只有少量汽泡，葉輪流道堵塞不嚴(yán)重，對(duì)泵的正常工作沒有明顯 影響，泵的外部性能也沒有明顯變化。這種尚未影響到泵外部性能時(shí)的汽蝕稱為潛伏汽蝕。 2、發(fā)展：當(dāng)汽化發(fā)展到一定程度時(shí)，汽泡大量聚集，葉輪流道被汽泡嚴(yán)重堵塞，致使汽蝕進(jìn)一步發(fā)展，影響到泵的外部特性，導(dǎo)致泵難以維持正常運(yùn)行。 3、斷裂：揚(yáng)程急劇下降，泵的工作曲線發(fā)生斷裂，不能工作。 隨著泵內(nèi)壓力（NPSH）的下降，A點(diǎn)開始汽蝕，然后泵揚(yáng)程略有下降。B點(diǎn)為斷裂工況的開始點(diǎn)，C點(diǎn)是完全斷裂工況，揚(yáng)程直線下降。斷裂工況臨界點(diǎn)由無汽蝕揚(yáng)程下降(2+K/2)H%來確定。8汽蝕的危害(3種) 噪

5、音和震動(dòng)：氣蝕發(fā)生時(shí)產(chǎn)生噪音和震動(dòng)，泵組的振動(dòng)又會(huì)促使空泡的發(fā)生和潰滅，兩者的相互作用有可能引起汽蝕共振。 材料破壞：葉輪局部在巨大沖擊的反復(fù)作用下，表面出現(xiàn)斑痕及裂紋，甚至呈海棉狀逐漸脫落。 性能下降：液體流量明顯下降，同時(shí)壓頭、效率也大幅度降低，嚴(yán)重時(shí)會(huì)輸不出液體。9汽蝕性能曲線低比轉(zhuǎn)數(shù)泵，流道較窄而長(zhǎng)，一旦發(fā)生汽蝕，氣泡易于充滿整個(gè)流道，使性能曲線突然下降。ns=70的離心式泵汽蝕性能曲線中有明顯的斷裂點(diǎn)。同一轉(zhuǎn)速，泵幾何安裝高度提高，斷裂工況往小流量方向移動(dòng)，即容易發(fā)生汽蝕。比轉(zhuǎn)數(shù)增加，流道寬而短，氣泡發(fā)展至充滿整個(gè)流道需要一定過程，泵性能曲線其斷裂工況比較緩和，沒有明顯的斷裂點(diǎn)。高比

6、轉(zhuǎn)數(shù)的軸流泵，由于葉片數(shù)少且基本上相互不重疊，具有相當(dāng)寬的流道，汽泡發(fā)生后，不可能布滿流道，從而不會(huì)造成斷流，所以在性能曲線上，當(dāng)流量增加時(shí)，就不會(huì)出現(xiàn)斷裂工況點(diǎn)。盡管如此，但仍有潛伏汽蝕的存在，仍需防止。ns=70ns=150軸流泵10第二節(jié) 吸上真空高度wssghgvgPPH220由伯努利方程,得令Hs=(P0-Ps)/g：稱為離心泵的吸上真空度 wsgsShgvHgPPH220即吸上高度Hg為：wgsshHgvgPgvgP22220011允許幾何安裝高度 泵的允許幾何安裝高度Hg應(yīng)低于泵樣本中所給出的允許吸上真空高度Hs 。一般情況下Hs 隨流量qV的增加而降低， Hg的確定應(yīng)該按樣本中

7、最大流量所對(duì)應(yīng)的Hs 來計(jì)算。 為了提高泵的Hg，應(yīng)該盡量減小 和hw。即選用大直徑的吸入管路，短吸入管路和減少如彎頭等增加局部損失的管路附件。wsSghgvHH22允許幾何安裝高度允許幾何安裝高度gvs2212允許吸上真空度 在實(shí)際操作中，不易測(cè)出最低壓強(qiáng)的位置，而往往是測(cè)泵入口處的壓強(qiáng)，然后在考慮一安全量，即為泵入口處允許的最低絕對(duì)壓強(qiáng)，以p1表示。習(xí)慣上常把p1表示為真空度，并以被輸送液體的液柱高度為計(jì)量單位，稱為允許吸上真空度，以HS表示。 HS是指壓強(qiáng)為p1處可允許達(dá)到的最高真空度，表達(dá)式：液柱單位：mgppH1aS式中：p1-泵入口處允許的最低絕對(duì)壓強(qiáng)，Pa； -被輸送流體的密度，

8、kg/m3。13 HS 與泵的類型、結(jié)構(gòu)、輸送操作條件有關(guān)，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定，由制造廠提供，標(biāo)示在泵樣本或說明書中。 實(shí)驗(yàn)條件：大氣壓10.33mH2O，溫度20，清水為介質(zhì)。 當(dāng)操作條件和輸送液體與實(shí)驗(yàn)條件不符時(shí)，須換算：式中：HS-實(shí)驗(yàn)條件下輸送水時(shí)的允許吸上真空度，mH2O；(由泵樣本表或性能圖中查取)HS-操作條件下輸送液體時(shí)的允許吸上真空度，m液柱；Hamb-泵安裝地區(qū)大氣壓，mH2O；10.33-實(shí)驗(yàn)條件下大氣壓強(qiáng)，mH2O；0.24-實(shí)驗(yàn)條件下水的飽和蒸汽壓， mH2O；Hv-實(shí)際溫度下水的飽和蒸汽壓mH2O。換算公式 （4-65）)24. 0()33.10(vambSShHHH14

9、例4-315第三節(jié) 汽蝕余量h 一、有效汽蝕余量ha或NSPHa 表示在泵吸入口，單位重量的液體所具有的超過飽和蒸汽壓力的富裕能量。由上式可知，有效汽蝕余量NSPHa就是吸入液面上的壓力水頭在克服吸水管路裝置中的流動(dòng)損失并把水提高到Hg的高度后，所剩余的超過汽化壓頭的能量。（倒灌時(shí)Hg為“+”）gpgvgphvsSa22wgsShHgvgpgp220wgvahHgpph016 （1）在p0/g、Hg和液體溫度（pv）保持不變的情況下，當(dāng)流量增加時(shí)，由于吸入管路中的流動(dòng)損失hw與流量的平方成正比增加，使ha隨流量增加而減小。當(dāng)流量增加時(shí)，發(fā)生汽蝕的可能性增加。 （2）在非飽和容器中，泵所輸送的液

10、體溫度越高，對(duì)應(yīng)的汽化壓力越大， ha越小，發(fā)生汽蝕的可能性就越大。當(dāng)吸入容器中液面壓力為汽化壓力時(shí)（如凝結(jié)水泵和給水泵），pepv，則wgvahHgpph0wgahHh必須倒灌17 壓力變化過程壓力變化過程 a）泵入口葉輪入口流動(dòng)損失靜壓頭，動(dòng)壓頭基本不變,總壓頭 b）葉輪入口葉輪入口轉(zhuǎn)彎點(diǎn)（壓強(qiáng)最低點(diǎn)）流體流到葉輪轉(zhuǎn)彎點(diǎn)，消耗能量，靜壓頭，動(dòng)壓頭基不變，總壓頭 c）葉輪轉(zhuǎn)彎點(diǎn)葉輪出口葉輪對(duì)流體做功，靜壓頭 動(dòng)壓頭 總壓頭 d）葉輪出口泵出口泵殼流道漸大，動(dòng)壓頭一部分轉(zhuǎn)換為靜壓頭，靜壓頭 流動(dòng)又消耗能量,動(dòng)壓頭 總壓頭必需汽蝕余量hr18 必需汽蝕余量hr,是液體從泵吸入口流至葉輪葉片進(jìn)口壓

11、力最低處K點(diǎn)的壓力降.必需汽蝕余量hr越大,則表示壓力降越大,泵抗汽蝕性能就越差,反之亦然。 必需汽蝕余量hr與吸入管路裝置無關(guān)，只與泵吸入室的結(jié)構(gòu)，液體在葉輪進(jìn)口處的流速等因素有關(guān)。gwgvmhr222020m:考慮絕對(duì)速度因液流轉(zhuǎn)彎而造成的不均勻，以及液流的流動(dòng)阻力損失的壓降系數(shù)，一般情況下為1.01.2。:考慮液體繞流葉片頭部引起的壓降系數(shù)，與沖角、葉片數(shù)葉片頭部形狀有關(guān)，在液體無沖擊流入葉片的情況下為0.30.4?？砂唇?jīng)驗(yàn)公式求得。19有效汽蝕余量ha隨流量增加而下降，流量增加會(huì)導(dǎo)致葉片進(jìn)口前的流速v0、w0增大，從而致使必需汽蝕余量hr將隨流量增加。crahhh如圖，兩曲線交于一點(diǎn)，

12、交點(diǎn)c為臨界汽蝕狀態(tài)點(diǎn)，此時(shí)的汽蝕余量為臨界汽蝕余量hc。在點(diǎn)c的左側(cè)，是泵的安全工作區(qū)域在點(diǎn)c的右側(cè)，是泵不安全工作區(qū)域rahhrahh20 hc由汽蝕試驗(yàn)求得，為了保證泵不發(fā)生汽蝕，加上一個(gè)安全量，允許汽蝕余量 h為： h=1.11.3 hc或 h=hc+K 通過廠家提供的h，計(jì)算允許幾何安裝高度 回顧： Hs針對(duì)不同外部條件， NPSH針對(duì)相同外部條件，不同型的泵汽蝕性能。0NPSHhgpgpHwvg21汽蝕余量NSPH與吸上真空高度Hs的關(guān)系由得允許吸上真空高度為：gpgvgphvssa22gpgpHsambsasvambshgvgpgpH2222hgvgpgpHsvambscsvam

13、bshgvgpgpH22max,22最小流量 超過汽蝕臨界流量，必定會(huì)發(fā)生汽蝕；小流量下，泵的運(yùn)轉(zhuǎn)也會(huì)發(fā)生不穩(wěn)定，乃至汽蝕。 小流量（額定流量1/3以下），葉輪入口將發(fā)生二次回流，引起泵體和管路的振動(dòng)?；亓髟斐烧嬲倪^流截面積減小，流速v0、w0增大，壓降系數(shù)也升高，因此， hr上升。 另外，小流量下，泵效率低，耗功轉(zhuǎn)化成熱能，引起水溫升高，提高飽和蒸汽壓力，從而提高h(yuǎn)r。泵的安全工作區(qū)域，應(yīng)該在最小流量和最大流量之間。啟動(dòng)時(shí)，給水泵需要開啟旁路，將水循環(huán)回除氧器，保證正常運(yùn)行。23第四節(jié) 汽蝕相似定律與汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù) 汽蝕余量只能反映泵汽蝕性能的好壞，而不能對(duì)不同泵進(jìn)行汽蝕性能的比較，因此需要一

14、個(gè)包括泵的性能參數(shù)及汽蝕性能參數(shù)在內(nèi)的綜合相似特征敷，這個(gè)相似特征數(shù)稱為汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù)c。 nD1直觀的反映了泵葉輪外緣處的圓周速度u，實(shí)際上既反映了泵的能量同時(shí)亦顯示泵的抗汽蝕性能。目前，工程上一般認(rèn)為軸流泵的nD1435,最大不超過480。國(guó)內(nèi)軸流泵與混流泵nD1一般都控制在400500。 泵速升高時(shí)，計(jì)算值偏??；泵速降低時(shí)，計(jì)算值偏大。211mmpprmrpnDnDhh24汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù)c汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù)吸入比轉(zhuǎn)數(shù) hr大，則c小，泵抗汽蝕性能就差。為了提高c值往往使泵的效率有所下降，目前，主要考慮效率的泵：c600800；兼顧汽蝕和效率的泵：c8001200；對(duì)抗汽蝕性能要求高的泵c12001600

15、；特殊要求泵，c16003000；無因次汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù)3/ 45.62Vrnqch3/ 4Vrnqsh3/ 4260 ()VsrnqKgh25三、汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù)公式的說明汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù)和比轉(zhuǎn)數(shù)一樣，是用最高效率點(diǎn)的n、qV、 hr值計(jì)算的。泵入口部分幾何相似與運(yùn)動(dòng)相似，則c必定相等，泵抗汽蝕性能相同。泵出口部分幾何相似與運(yùn)動(dòng)相似，側(cè)比轉(zhuǎn)數(shù)ns相等。c和ns均相等，即葉輪入口和出口部分都滿足相似要求，泵必定相似。汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù)公式中流量以單吸為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)雙吸葉輪流量應(yīng)以qV/2代入。汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù)c、吸入比轉(zhuǎn)數(shù)s和無因次汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù)Ks三者的性質(zhì)并無差別，物理意義相同，對(duì)于有因次汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù)c，由于各國(guó)使用單位不同需要進(jìn)

16、行換算。26托馬汽蝕系數(shù) 托馬汽蝕系數(shù)大，表示泵的抗汽蝕性能差。 托馬汽蝕系數(shù)將泵的必需汽蝕余量與泵的揚(yáng)程聯(lián)系起來，是它的不足。因?yàn)閾P(yáng)程的高低主要取決于葉輪的出口參數(shù)，而必需汽蝕余量主要取決于葉輪的入口參數(shù)。但由于公式簡(jiǎn)單，歐美國(guó)家應(yīng)用較多。定義式換算式單吸泵雙吸泵27例4-428例4-529第五節(jié) 提高泵抗汽蝕性能的措施一、提高有效汽蝕余量hawgvahHgpph0減小吸入管路的流動(dòng)損失當(dāng)加大吸入管直徑，降低流速，盡量減少?gòu)濐^、閥門等管路附件，并使吸入管長(zhǎng)最短2. 合理確定幾何安裝高度和倒灌高度303.采用誘導(dǎo)輪（類似軸流泵的葉輪）誘導(dǎo)輪葉片為螺旋形，葉片安裝角僅1012，葉片數(shù)目?jī)H23片，

17、而且輪轂直徑小，因此流道寬而長(zhǎng)，流通面積大，抗汽蝕性能好；液體通過誘導(dǎo)輪升壓后流入主葉輪，提高了主葉輪的有效汽蝕余量。對(duì)H-qv性能曲線的影響不大，增壓和預(yù)旋作用相互制約和抵消。c值可達(dá)3000以上。目前國(guó)內(nèi)的凝結(jié)水泵一般都裝有誘導(dǎo)輪。314.采用雙重翼葉輪雙重翼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)致效率下降的問題。所以，雙重翼離心泵不會(huì)降低泵的性能，卻使泵的抗汽蝕性能大為改善。32 近年來，發(fā)展了一種超汽蝕泵。在主葉輪之前裝一個(gè)類似軸流式的超汽蝕葉輪，如圖5-19所示。其葉片采

18、用了薄而尖的超汽蝕翼型，如圖 5-20所示，使其誘發(fā)種固定型的汽泡，覆蓋整個(gè)翼型葉片背面，并擴(kuò)展到后部，與原來葉片的翼型和空穴組成了新的翼型。其優(yōu)點(diǎn)是汽泡保護(hù)了葉片，避免汽蝕并在葉片后部潰滅，因而不損壞葉片。超汽蝕泵5.采用超汽蝕泵336. 設(shè)置前置泵隨著單機(jī)容量的提高，鍋爐給水泵的的水溫和轉(zhuǎn)速也將隨之增加，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。水經(jīng)前置泵升壓后再進(jìn)入給水泵，改善了給水泵的汽蝕性能，同時(shí)除氧器的安裝高度也大為降低。34降低必需汽蝕余量hr的措施降低葉輪入口部分流速適當(dāng)增大葉輪入口直徑D0；增大葉片入口邊寬度b1。增大葉輪入口直徑會(huì)引起吸入口密封環(huán)處泄漏量增大，泵的容積效率降低；另外縮短的流道也使擴(kuò)散帶來的流動(dòng)損失增大。需兼顧效率。入口邊寬度b1過大會(huì)導(dǎo)致前蓋板處圓周速度增