泵與風(fēng)機(jī)氣蝕綜述

1、船舶輔機(jī)第3章 離心泵離心泵 Centrifugal Pump一、汽蝕及危害二、汽蝕余量離心泵的汽蝕三、汽蝕特性曲線四、防止汽蝕的措施l汽蝕英文為cavitation，它來(lái)源于拉丁文cavitas，cavitas 是空的意思，故汽蝕現(xiàn)象又稱空蝕現(xiàn)象或空泡現(xiàn)象。汽泡也稱為空泡，空泡聚集的空泡團(tuán)稱為汽穴或空穴。l移動(dòng)汽蝕，它是指單個(gè)瞬態(tài)汽泡和小的空穴，在液體中形成，并隨液體流動(dòng)而增長(zhǎng)、潰滅時(shí)造成的汽蝕。汽泡量多時(shí)形成云霧狀。l固定汽蝕，它是指附著于繞流體固定邊界上的汽穴造成的汽蝕，也稱附著汽蝕。水力機(jī)械中起主要作用的就是這種汽蝕。l旋渦汽蝕，它是指在液體旋渦中心產(chǎn)生的汽泡，旋渦中心處的速度大、壓強(qiáng)

2、低，易使液體氣化發(fā)生汽泡。旋渦汽蝕可能是移動(dòng)型的，也可能是固定型的。l振動(dòng)汽蝕，它是指由于液體中連續(xù)的高振幅、高頻率的壓強(qiáng)波動(dòng)所形成的汽蝕。固壁振動(dòng)時(shí)，在液體中產(chǎn)生壓強(qiáng)脈動(dòng)，振動(dòng)達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，在液體和固壁交界處將產(chǎn)生汽泡而引起振動(dòng)汽蝕。l在流動(dòng)過(guò)程中，如果出在流動(dòng)過(guò)程中，如果出現(xiàn)了局部的壓力降，且現(xiàn)了局部的壓力降，且該處壓力降低到等于或該處壓力降低到等于或低于水溫對(duì)應(yīng)下的汽化低于水溫對(duì)應(yīng)下的汽化壓力時(shí)，則水發(fā)生汽化。壓力時(shí)，則水發(fā)生汽化。隨著工況的變化，汽化隨著工況的變化，汽化先后發(fā)生的部位也不同。先后發(fā)生的部位也不同。一般在小于設(shè)計(jì)工況下一般在小于設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行時(shí)，壓力最低點(diǎn)發(fā)運(yùn)行時(shí)，壓力

3、最低點(diǎn)發(fā)生在靠近前蓋板葉片進(jìn)生在靠近前蓋板葉片進(jìn)口處的工作面上?？谔幍墓ぷ髅嫔?。l開(kāi)始發(fā)生汽化時(shí)，因?yàn)橹挥猩倭科_(kāi)始發(fā)生汽化時(shí)，因?yàn)橹挥猩倭科?，葉輪流道堵塞不嚴(yán)重，對(duì)泵的泡，葉輪流道堵塞不嚴(yán)重，對(duì)泵的正常工作沒(méi)有明顯影響，泵的外部正常工作沒(méi)有明顯影響，泵的外部性能也沒(méi)有明顯變化。這種尚未影性能也沒(méi)有明顯變化。這種尚未影響到泵外部性能時(shí)的汽蝕稱為潛伏響到泵外部性能時(shí)的汽蝕稱為潛伏汽蝕。汽蝕。l泵長(zhǎng)期在潛伏汽蝕工況下丁作時(shí)，泵長(zhǎng)期在潛伏汽蝕工況下丁作時(shí)，泵的材料仍要受到剝蝕，影響它的泵的材料仍要受到剝蝕，影響它的使用壽命。當(dāng)汽化發(fā)展到使用壽命。當(dāng)汽化發(fā)展到定程度定程度時(shí)，汽泡大量聚集，葉輪流道被

4、汽時(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，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)致泵難以影響到泵的外部特性，導(dǎo)致泵難以維持正常運(yùn)行。綜上所述，汽蝕對(duì)維持正常運(yùn)行。綜上所述，汽蝕對(duì)泵產(chǎn)生了諸多有害的影響。泵產(chǎn)生了諸多有害的影響。l2產(chǎn)生噪聲和振動(dòng)l在汽蝕發(fā)生的過(guò)程中，汽泡潰滅的液體微團(tuán)互相沖擊，會(huì)產(chǎn)生各種頻率范圍的噪音，一般頻率為60025000Hz，也有更高頻的超聲波。汽蝕嚴(yán)重時(shí)，可聽(tīng)到泵內(nèi)有劈劈啪啪的聲音。汽蝕過(guò)程本身是一種反復(fù)沖擊、凝結(jié)的過(guò)程，伴隨著很大的脈動(dòng)力。如果這些脈動(dòng)力的某一頻率與機(jī)組的固有頻率相等，就會(huì)引起機(jī)組的振動(dòng)，機(jī)組的振動(dòng)又將促使更多的

5、氣泡發(fā)生和潰滅，兩者互相激勵(lì)，最后導(dǎo)致機(jī)組的強(qiáng)烈振動(dòng)，稱之為汽蝕共振現(xiàn)象，機(jī)組在這種情況下就應(yīng)該停止工作。l3 影響泵的運(yùn)行性能l當(dāng)泵內(nèi)液體中含有少量汽泡時(shí)，不會(huì)影響到外性能的變化，這種“潛伏”性汽蝕往往不被人們所注意，以致經(jīng)過(guò)一段時(shí)間運(yùn)行才發(fā)現(xiàn)部件的汽蝕損壞；當(dāng)汽泡大量發(fā)生時(shí)，葉輪流危害：產(chǎn)生60025000Hz的噪音和振動(dòng)；流量、揚(yáng)程、效率降低；金屬疲勞破壞；汽泡凝結(jié)放熱引起化學(xué)腐蝕(出口壓力升高使氣泡溶解，所以泵出口液體不會(huì)帶氣泡)。l這種變化還和泵的比轉(zhuǎn)速有關(guān)，圖這種變化還和泵的比轉(zhuǎn)速有關(guān)，圖2-2 2-2 示示出了不同比轉(zhuǎn)速的泵汽蝕時(shí)其性能曲線的出了不同比轉(zhuǎn)速的泵汽蝕時(shí)其性能曲線的變

6、化情況。圖中虛線為汽蝕時(shí)泵的性能曲變化情況。圖中虛線為汽蝕時(shí)泵的性能曲線的偏移變化。對(duì)低比轉(zhuǎn)速的離心泵來(lái)講，線的偏移變化。對(duì)低比轉(zhuǎn)速的離心泵來(lái)講，由于葉片數(shù)較多，葉片寬度較小，流道窄由于葉片數(shù)較多，葉片寬度較小，流道窄而長(zhǎng)，在發(fā)生汽蝕后，大量汽泡很快就布而長(zhǎng)，在發(fā)生汽蝕后，大量汽泡很快就布滿流道，造成斷流，使泵的揚(yáng)程、功率、滿流道，造成斷流，使泵的揚(yáng)程、功率、效率均迅速下降，出現(xiàn)效率均迅速下降，出現(xiàn)“斷裂斷裂”工況；對(duì)工況；對(duì)高比轉(zhuǎn)速的軸流泵，由于葉片數(shù)少，具有高比轉(zhuǎn)速的軸流泵，由于葉片數(shù)少，具有相當(dāng)寬的流道，當(dāng)氣泡發(fā)生后，氣泡不可相當(dāng)寬的流道，當(dāng)氣泡發(fā)生后，氣泡不可能布滿流道，不會(huì)造成斷流，

7、故在軸流泵能布滿流道，不會(huì)造成斷流，故在軸流泵的性能曲線上不會(huì)出現(xiàn)斷裂工況點(diǎn)，但仍的性能曲線上不會(huì)出現(xiàn)斷裂工況點(diǎn)，但仍有有“潛伏潛伏”汽蝕的存在；對(duì)中比轉(zhuǎn)速的混汽蝕的存在；對(duì)中比轉(zhuǎn)速的混流泵，由于其結(jié)構(gòu)上介于離心泵和軸流泵流泵，由于其結(jié)構(gòu)上介于離心泵和軸流泵兩者之間，因而汽蝕對(duì)泵性能的影響也介兩者之間，因而汽蝕對(duì)泵性能的影響也介于兩者之間，在性能曲線上出現(xiàn)比較緩和于兩者之間，在性能曲線上出現(xiàn)比較緩和的的“斷裂斷裂”工況。工況。l當(dāng)泵內(nèi)液體中含有少量汽泡時(shí)，不會(huì)影響到外性能的變化，這種“潛伏”性汽蝕往往不被人們所注意，以致經(jīng)過(guò)一段時(shí)間運(yùn)行才發(fā)現(xiàn)部件的汽蝕損壞；當(dāng)汽泡大量發(fā)生時(shí)，葉輪流道被氣泡嚴(yán)重

8、“阻塞”，汽蝕破壞了泵內(nèi)液流的連續(xù)性，使泵的揚(yáng)程、功率和效率均會(huì)顯著下降，出現(xiàn)“斷裂”工況。船舶輔機(jī)第3章 離心泵離心泵 Centrifugal Pump一、汽蝕及危害泵在吸入真空度大于允許吸入真空度時(shí)，發(fā)生汽蝕現(xiàn)象。主要發(fā)生在葉輪外緣葉片及蓋板、渦殼或?qū)л喬帲粫?huì)發(fā)生在葉片進(jìn)口處。例如流量大于設(shè)計(jì)流量時(shí)發(fā)生在葉片進(jìn)口靠近前蓋板的葉片正面處(K1)。船舶輔機(jī)第3章 離心泵離心泵 Centrifugal Pump二、汽蝕余量汽蝕余量h：是指泵入口處液體所具有的總水頭與液體汽化時(shí)的壓力頭(pv/g)之差。國(guó)外稱凈正吸上水頭NPSH。船舶輔機(jī)第3章 離心泵離心泵 Centrifugal Pump有效

9、汽蝕余量ha：是泵工作時(shí)實(shí)際具有的汽蝕余量，取決于吸入條件和液體飽和壓力，與泵無(wú)關(guān)。它表示液體在泵進(jìn)口處水頭超過(guò)汽化壓頭的富裕能量。mgpzgvgphvssa22必需汽蝕余量hr：是指泵泵為了避免汽蝕所必需的汽蝕余量。取決于泵進(jìn)口部分的幾何形狀、轉(zhuǎn)速和流量，反映液體進(jìn)泵后壓力進(jìn)一步降低的程度，與吸入條件及所吸液體的pv值無(wú)關(guān)。 hr越小，泵的汽蝕性能越好。船舶輔機(jī)第3章 離心泵離心泵 Centrifugal Pump泵說(shuō)明書給出hr值。由圖可見(jiàn)， hr隨Q的增大而增大，因?yàn)榱髁吭龃螅后w進(jìn)泵后的壓降也增加。hr很難計(jì)算，用汽蝕試驗(yàn)確定：逐步增大吸入真空度，揚(yáng)程或效率下降(2+K/2)%時(shí)的汽蝕

10、余量稱為臨界汽蝕余量hc。hc加上不小于0.3m的余量定為必需汽蝕余量hr。使用時(shí)ha比hr具有大于10%(不小于0.5m)的余量。3 . 0crhhrahh%110(差值不小于0.5m)船舶輔機(jī)第3章 離心泵離心泵 Centrifugal Pump必需汽蝕余量hr和允許吸上真空高度Hs都是表示泵吸入性能好壞的性能參數(shù)，性質(zhì)一樣，只是表示方式不同。gpgvhgpgpgvgphvsasvssa2222asvasahgvgpgpgpgp22ha減小到等于hr時(shí)，吸上真空度達(dá)到Hs。rsvashgvgpgpH22船舶輔機(jī)第3章 離心泵離心泵 Centrifugal Pump有效汽蝕余量ha下降接近h

11、r但未降到很低時(shí)，汽蝕已經(jīng)發(fā)生但尚未明顯影響到泵性能的狀態(tài)稱為潛伏汽蝕。三、汽蝕特性曲線圖中畫斜線部分為不穩(wěn)定汽蝕，最容易破壞部件。垂直線斷裂工況，K為斷裂點(diǎn)，斷裂工況形成汽、水兩相區(qū)，振動(dòng)和噪音不強(qiáng)烈，破壞不明顯，稱為穩(wěn)定汽蝕。吸高zs3zs2 zs1 ，可見(jiàn)吸高越大， ha越小，斷裂工況越向小流量方向移動(dòng)，不發(fā)生汽蝕的流量范圍越小。船舶輔機(jī)第3章 離心泵離心泵 Centrifugal Pump中、低ns的泵葉片流道窄長(zhǎng)，氣泡容易布滿流道，揚(yáng)程、效率急劇下降，特性曲線有明顯斷裂點(diǎn)。低ns的泵發(fā)生汽蝕后很容易斷流。高ns的泵葉片流道短寬，達(dá)到斷裂點(diǎn)之前有較長(zhǎng)的一段揚(yáng)程和效率逐漸下降的部分。船舶

12、輔機(jī)第3章 離心泵離心泵 Centrifugal Pump四、防止汽蝕的措施容易發(fā)生汽蝕的泵(ha小)：1. 輸送高溫液體的泵：鍋爐給水泵、熱水循環(huán)泵2. 流注吸高顯著降低的泵：貨油泵3. 吸入液面真空度較大的泵：凝水泵預(yù)防措施：() 提高h(yuǎn)a；減小hr；用抗汽蝕材料制造葉輪，提高光潔度管理中的措施：() 降低溫度；減小吸高或增加流注高度；減小吸入阻力(清洗濾器)； 關(guān)小排出閥(不能關(guān)小吸入閥)或降低轉(zhuǎn)速減小流量。2.2.42.2.4離心泵的安裝高度離心泵的安裝高度汽蝕現(xiàn)象是有害的，必須加以避免。從上面的分析可知，泵的安裝高度 不能太高，以保證葉輪中各處壓強(qiáng)高于被輸送液體的飽和蒸汽壓 。我國(guó)的

13、離心泵規(guī)格中采用下述兩種指標(biāo)來(lái)表示泵的吸上性能，下面簡(jiǎn)述其意義，并說(shuō)明如何利用該指標(biāo)來(lái)確定泵的 不致與發(fā)生汽蝕現(xiàn)象。 gHvpgH （2）最大安裝高度 、最大允許安裝高度 與實(shí)際要安裝的高度 時(shí)發(fā)生汽蝕現(xiàn)象，此時(shí)的安裝高度最大g,maxHgHgHkvpp20vKg,max(0 1)(1 K)g2gffppuHHHgC()NPSH2K(1 K)2gfuH=C()NPSH由泵的廠家提供，故g,maxH可以計(jì)算。 g,maxHgH為安全起見(jiàn)，通常是將減去一定量作為安裝高度的上限，稱為最大允許安裝高度0g(0 1)r()0.5vfppHHNPSHgg r()NPSHr()0.5NPSHC()NPSHg

14、Hg,maxHgHgH允許(0)fKH01fh，r()0.5NPSHh 稱為必需汽蝕余量，。對(duì)照解題指南P182式（11-18）可知：=（稱為允許汽蝕余量） 吸入管路應(yīng)短（靠近液源）而直（少拐彎）； b. 吸入管路應(yīng)省去不必要的管件，調(diào)節(jié)閥應(yīng)裝在排出管路上；c. 吸入管徑大于排出管徑。C()NPSHr()NPSH（3）臨界汽蝕余量與必需汽蝕余量221 minv1Kc(1 K)()22fppuuNPSHHgggg，c()NPSHgHvq1peH1 minp，c()NPSHrc()()NPSHNPSHr()NPSH可通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，不是改變發(fā)生汽蝕，而是設(shè)法在泵的不變的條件下逐次降低（例如關(guān)小吸入管

15、路中的閥），當(dāng)泵內(nèi)剛較正常值下降3%作為發(fā)生汽蝕的標(biāo)志）時(shí)測(cè)取由上式計(jì)算，+安全余量，列在泵的好發(fā)生汽蝕（以泵 性能表上。gg0.5 1HH（） 為安全，實(shí)際安裝高度注意： 允許汽蝕余量的校正。 hh泵性能表上列出的值也是按值應(yīng)按下輸送20oC的清水測(cè)定出來(lái)的，當(dāng)輸送其它液體時(shí)，式校正。hh式中 h輸送其它液體時(shí)的允許汽蝕余量，m； 校正系數(shù)，為輸送溫度下液體的密度與飽和蒸汽 壓的函數(shù)，其值小于1。r()NPSHvqvrg()qNPSHH，gH與有關(guān)，因此在確定時(shí)必須使用過(guò)程可能達(dá)到的最大流量進(jìn)行計(jì)算。 (0 1)gfHH，(0 1)fH，應(yīng)盡可能使。措施： 值可由有關(guān)手冊(cè)查得，但通常1，hh

16、h，則按計(jì)算的允許安裝高度允許gH允許gH,故為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，h也可不校正，而把它作為外加的安全因數(shù)。SHgH（4）由允許吸上高度 （真空度）求安裝高度Hgpa1100p1pa , p1 有一定真空度，有一定真空度，真空度越高，吸力越大真空度越高，吸力越大, Hg 越大。越大。 當(dāng)當(dāng)p1 小于一定值后小于一定值后(p1pv, pv 為環(huán)境溫度下液體的飽和為環(huán)境溫度下液體的飽和蒸汽壓蒸汽壓)，將發(fā)生氣蝕現(xiàn)象。，將發(fā)生氣蝕現(xiàn)象。 pv100 =760mmHg, p pv v 40=55.32mmHg=55.32mmHg為避免發(fā)生氣蝕現(xiàn)象，應(yīng)限制為避免發(fā)生氣蝕現(xiàn)象，應(yīng)限制p p1 1不能太低，不能太低，

17、或或H Hg g不能太大，即泵的安裝高度不能太高。不能太大，即泵的安裝高度不能太高。安裝高度安裝高度Hg的計(jì)算方法一般有兩種：的計(jì)算方法一般有兩種：v允許吸上真空高度法；允許吸上真空高度法；v氣蝕余量法。氣蝕余量法。允許吸上真空高度允許吸上真空高度H Hs s泵入口處壓力泵入口處壓力p1所允許的最大真空度。所允許的最大真空度。 mH2OOmHHgpsa233.10Hs與泵的結(jié)構(gòu)、液體的物化特性等因素有關(guān)。與泵的結(jié)構(gòu)、液體的物化特性等因素有關(guān)。一般，一般， Hs 57 mH2O.gppsaH1（2-82-8）式中式中 p pa a大氣壓，大氣壓，N/mN/m2 2 被輸送液體密度，被輸送液體密度

18、，kg/mkg/m3 3Hgp01100如何用允許吸上真空高度確定泵的安裝高度？如何用允許吸上真空高度確定泵的安裝高度？H Hg g 泵的安裝高度；泵的安裝高度；u u2 2/2g/2g 進(jìn)口管動(dòng)能；進(jìn)口管動(dòng)能；HHf f 進(jìn)口管阻力進(jìn)口管阻力; ;H Hs s 允許吸上真空高度，由泵的生產(chǎn)廠家給出。允許吸上真空高度，由泵的生產(chǎn)廠家給出。提高提高Hg的方法的方法 取截面取截面0-0，1-1，并以截面，并以截面0-0為基準(zhǔn)面，在兩截為基準(zhǔn)面，在兩截面間柏努利方程，可得面間柏努利方程，可得fgusgHHH221若貯槽為敞口，則若貯槽為敞口，則p p0 0為大氣壓為大氣壓p pa a，則有，則有fg

19、ugHgppH21021（2-92-9）（2-102-10） 泵制造廠只能給出泵制造廠只能給出H Hs s值，而不能直接給出值，而不能直接給出H Hg g值。值。因?yàn)槊颗_(tái)泵使用條件不同，吸入管路的布置情況也因?yàn)槊颗_(tái)泵使用條件不同，吸入管路的布置情況也各異，有不同的各異，有不同的u u2 2/2g/2g 和和HHf f 值，所以，只能由使值，所以，只能由使用單位根據(jù)吸入管路具體的布置情況，由計(jì)算確定用單位根據(jù)吸入管路具體的布置情況，由計(jì)算確定H Hg g。問(wèn)題問(wèn)題：泵制造廠能直接給出泵的安裝高度嗎？：泵制造廠能直接給出泵的安裝高度嗎？Hs=Hs(Ha10)(Hv0.24) (2-11)式中式中 Hs操作條件下輸送水時(shí)允許吸上真空高度，操作條件下輸