第四章葉片式流體機(jī)械的空化理論

第一節(jié)流體機(jī)械的空化與空蝕機(jī)理一、空化與空蝕機(jī)理1.空化現(xiàn)象當(dāng)P<Pv，起先氣化，形成空穴（即氣泡），當(dāng)氣泡到高壓區(qū)則氣泡內(nèi)的蒸汽重新凝合，氣泡潰滅，另外還伴隨著一系列物理、化學(xué)現(xiàn)象，這叫空化。2.空化的發(fā)展及潰滅及空化的類型類型：③漩渦型空化④振動(dòng)型空化：

②固定型空化①游動(dòng)型空化4.空蝕機(jī)理沖擊波模式水射流模式?jīng)_擊波模式水射流模式第一節(jié)流體機(jī)械的空化與空蝕機(jī)理二、空蝕破壞的類型及其對(duì)水泵性能的影響1.空蝕破壞的類型③空腔空化與空蝕④局部空化與空蝕

②間隙空化與空蝕①翼型空化與空蝕間隙空化與空蝕空腔空化與空蝕1）縮短泵的運(yùn)用壽命：粗糙多孔→顯微裂紋→蜂窩狀或海綿狀侵蝕→呈空洞。對(duì)泵運(yùn)行的危害2）產(chǎn)生噪聲和振動(dòng)：若振動(dòng)產(chǎn)生汽泡，汽蝕產(chǎn)生振動(dòng)→相互激勵(lì)→汽蝕共振。3）影響泵的運(yùn)行性能：斷裂工況（汽泡堵塞流道）；潛藏性汽蝕（易被忽視）。那么泵內(nèi)汽蝕的產(chǎn)生與那些因素有關(guān)？又如何防止呢？

一、泵的幾何安裝高度與吸上真空高度

列吸水池液面e-e及泵入口斷面s-s之間的能量方程式有：其次節(jié)泵的安裝高度與汽蝕余量吸水池液面為大氣壓pa時(shí)，令稱為吸上真空高度，則上式變?yōu)椋?/p>

當(dāng)qV=C時(shí)，Hg(Hs)，存在HsmaxpsminpkpV時(shí)，泵內(nèi)起先發(fā)生汽蝕。Hsmax值由制造廠用試驗(yàn)方法確定。為保證泵不發(fā)生汽蝕，把Hsmax減去一個(gè)平安量K，作為允許吸上真空高度而載入泵的產(chǎn)品樣本中，并用[Hs]表示，即：[Hs]=Hsmax―0.3在計(jì)算[Hg]中必需留意以下三點(diǎn)：（1）[Hs](qV)。確定[Hg]時(shí)，必需以泵在運(yùn)行中可能出現(xiàn)的最大流量所對(duì)應(yīng)的[Hs]為準(zhǔn)。（2）[Hs]值是泵制造廠在pa=1.013×105Pa，t=20℃的清水下由試驗(yàn)得出的。當(dāng)運(yùn)用條件變更時(shí)，應(yīng)對(duì)樣本的[Hs]值進(jìn)行修正。大氣壓頭飽和蒸汽壓頭（3）為提高泵的允許幾何安裝高度，應(yīng)盡量削減吸入管路的速度水頭和阻力損失。【例】在海拔500m某地安裝一臺(tái)水泵，其輸水qV=135L/s，輸送水溫t=30℃，該泵樣本上供應(yīng)的允許吸上真空高度[Hs]=5.5m.吸水管內(nèi)徑d=250mm,設(shè)吸入管路總損失∑hs=0.878m。求：[Hg]應(yīng)為多少？

【解】由表查得海拔500m力時(shí)大氣壓強(qiáng)pa=9.51×104Pa，由附錄Ⅳ查得水溫為t=30℃時(shí)的飽和蒸汽壓強(qiáng)pV=4.2365kPa。查表得30℃水的密度=995.6㎏/m3。修正后的吸上真空高度為：

又因?yàn)椋核?，泵的幾何安裝高度應(yīng)為：二、汽蝕余量泵的幾何安裝高度與吸上真空高度的確定問題只是影響泵工作性能的一個(gè)重要因素。那么，泵內(nèi)汽蝕的產(chǎn)生還與那些因素有關(guān)？又如何防止呢？

泵內(nèi)流體汽蝕現(xiàn)象理論：液體汽化壓強(qiáng)（pV）為初生汽蝕的臨界壓強(qiáng)。稱泵吸入口液流總能頭高于汽化壓強(qiáng)能頭外的富余能頭為汽蝕余量，以符號(hào)NPSH表示。汽蝕余量可分為有效汽蝕余量和必需汽蝕余量。當(dāng)泵內(nèi)剛發(fā)生汽蝕時(shí)，必有：ps>pK=pV。1.有效汽蝕余量1）定義

將泵吸入管路能量方程式：代入上式得：Δha=f吸水管路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，流量，而與泵的結(jié)構(gòu)無關(guān)，故又稱為裝置汽蝕余量；Δha越大，表明該泵防汽蝕的性能越好。2）影響因素，故當(dāng)qVΔha。

而且由于3）倒灌高度在火力發(fā)電廠中,凝結(jié)水泵和給水泵吸入容器液面壓強(qiáng)均為相應(yīng)溫度下的汽化壓強(qiáng)，則下式可改寫為：Δha=－Hg－h(huán)w>0（2-9）即，凝結(jié)水泵和給水泵均應(yīng)采用倒灌高度安裝。只有：-Hg=Hd>0，才有可能使NPSHa>0應(yīng)留意的是：Hg值的正、負(fù)以吸入池液面為基準(zhǔn)，當(dāng)泵軸高于吸水液面時(shí)為正。2.必需汽蝕余量1）定義

利用能量方程可以推得：

Δhr=f(泵吸入室和葉輪進(jìn)口的結(jié)構(gòu)參數(shù),流速大小),即，Δhr只與泵的結(jié)構(gòu)有關(guān)，而與吸入管路無關(guān)，故又稱之為泵的汽蝕余量。2）影響因素在泵的正常工作范圍內(nèi)，由于Δhr具有流動(dòng)損失的屬性，某泵Δhr越小，表明該泵防汽蝕的性能越好。Δhr由泵制造廠通過試驗(yàn)測(cè)出。當(dāng)qVΔhr。汽蝕區(qū)非汽蝕區(qū)泵運(yùn)行中,Δha-qV

和Δhr-qV的變化關(guān)系如圖所示。即Δhr-qVΔha-qVH-qVqVHΔhOqVCC3.對(duì)汽蝕余量Δh的幾點(diǎn)說明即Δhr≥Δha，泵內(nèi)將產(chǎn)生汽蝕。當(dāng)qV

≥qVC時(shí)，因pK≤pV,但流量不能太?。簺_角

hwNPSHr運(yùn)行時(shí)的最大允許流量和最小允許流量。因此，應(yīng)規(guī)定出泵水溫

tpVNPSHa1）泵運(yùn)行中Δha與Δhr的關(guān)系2）臨界汽蝕余量Δhc和允許汽蝕余量[Δh]的關(guān)系Δhr-qVΔha-qV[Δh]-qVH-qV汽蝕區(qū)非汽蝕區(qū)KqVHNPSHOqVCC設(shè)計(jì)點(diǎn)A由圖可知,qVΔha

pK=pV，液體開始汽化。此時(shí)，Δha就是使泵內(nèi)發(fā)生汽蝕的臨界值，即：該值可通過泵汽蝕試驗(yàn)確定。Δha=Δhc=Δhr也有采用：

[Δh]=（1.1～1.3）Δhc

為避免泵內(nèi)汽蝕，常在Δhc的基礎(chǔ)上加上一個(gè)安全余量作為允許汽蝕余量而載入泵的產(chǎn)品樣本中，即：[Δh]=Δhc+0.3m3）[Δh]與[Hg]的關(guān)系在式[Δh]

Δha，可得到計(jì)算泵允許幾何安裝高度的另一表達(dá)式：

中。用

[Hg]

Hg,上式與意義。比較，兩者具有相同的實(shí)用所不同是：運(yùn)用上式不須要進(jìn)行修正，只要把運(yùn)用地點(diǎn)條件下的參數(shù)值干脆代入即可。

【例】有一單吸單級(jí)離心泵，流量qV=68m3/h，Δhc=2m，從封閉容器中抽送溫度為40℃清水，容器中液面壓強(qiáng)為8.829kPa，吸入管路阻力為0.5m，試求該泵的允許幾何安裝高度是多少？已知水在40℃時(shí)的密度為992㎏/m3。

【解】[Δh]=Δhc+0.3=2+0.3=2.3（m）

查附錄Ⅳ得40℃的水相對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽壓強(qiáng)為pV=7374Pa，于是由式可得：計(jì)算結(jié)果[Hg]為負(fù)值,故該泵的葉輪進(jìn)口中心應(yīng)在容器液面以下2.65m。

三、汽蝕相像定律及汽蝕比轉(zhuǎn)速1.汽蝕相像定律問題的提出：對(duì)幾何相像的泵，在相像的運(yùn)行工況下，其必需汽蝕余量如何換算？由于Δhr具有泵入口流動(dòng)損失的屬性，并正比于流量的平方，則汽蝕相似定律為：

實(shí)踐表明：由于尺寸效應(yīng)以及轉(zhuǎn)速效應(yīng)的影響，會(huì)引起必需汽蝕余量的換算誤差，資料舉薦換算時(shí)的轉(zhuǎn)速差在±25%的范圍內(nèi)為宜。那么，轉(zhuǎn)速凹凸對(duì)必需汽蝕余量換算誤差的影響如何呢？1、當(dāng)n時(shí),qV進(jìn)口處反向流主流p，游離氣體析出，Δhr的試驗(yàn)值>換算值，則換算值偏于擔(dān)憂全。2、當(dāng)n時(shí)，進(jìn)口處流速增大且分布勻整，液體泵進(jìn)口低壓區(qū)的時(shí)間，汽泡發(fā)生，Δhr的試驗(yàn)值<換算值，則換算值偏于平安。對(duì)同一臺(tái)泵，即D1m=D1p，則可將汽蝕相似定律改寫為：（2-16）即：轉(zhuǎn)速提高，NPSHr將成平方增加。因此，泵的抗汽蝕性能將大大下降，故泵在實(shí)際運(yùn)行中不得超速。

2.汽蝕比轉(zhuǎn)速

1）問題的提出：必需汽蝕余量只能反映某一臺(tái)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，因此須要一個(gè)包括設(shè)計(jì)參數(shù)在內(nèi)的綜合性汽蝕相像特征數(shù)，并稱之為汽蝕比轉(zhuǎn)速，其構(gòu)造方法和泵的比轉(zhuǎn)速的推導(dǎo)過程類似。目前,國(guó)內(nèi)習(xí)慣使用的有量綱的汽蝕比轉(zhuǎn)速用符號(hào)c表示，其表達(dá)式如下：式中，Δhr、qV和n的單位分別為：m、m3/s和r/min。

2）對(duì)汽蝕比轉(zhuǎn)速的幾點(diǎn)說明（1）c值依m(xù)ax值確定。

c值越大，泵抗汽蝕性能越好。

（2）c值是一個(gè)綜合性汽蝕相像特征數(shù),同H值無關(guān)。若兩臺(tái)泵入口通流部分幾何和運(yùn)行工況相像，則c值相等，表示兩臺(tái)泵具有相同的抗汽蝕性能。（3）要提高泵的抗汽蝕性能，只需探討泵入口通流部分的幾何參數(shù)關(guān)系。（4）對(duì)于雙吸葉輪，應(yīng)以其qV/2代入c值的表達(dá)式中。（5）汽蝕比轉(zhuǎn)速的大致范圍如下：第三節(jié)提高泵抗汽蝕性能的措施

泵在運(yùn)行中汽蝕與否，是由泵本身的汽蝕性能和吸入裝置的特性共同確定的。因此，解決泵汽蝕問題可從如下四個(gè)方面入手：一、降低必需汽蝕余量以提高泵抗汽蝕性能的措施四、首級(jí)葉輪采用抗汽蝕性能好的材料二、提高有效汽蝕余量以防止泵汽蝕的措施三、運(yùn)行中防止汽蝕的措施。一、降低必需汽蝕余量以提高泵抗汽蝕性能的措施1．多級(jí)泵首級(jí)葉輪接受雙吸式多級(jí)泵首級(jí)葉輪接受雙吸式，在qV、n和c相同的狀況下，其必需汽蝕余量變?yōu)閱挝~輪的必需汽蝕余量的0.63倍？如國(guó)產(chǎn)125MW和300MW汽輪發(fā)電機(jī)組的給水泵首級(jí)葉輪均接受雙吸式。

2．加裝誘導(dǎo)輪其加壓和強(qiáng)制預(yù)旋w0Δhr；其軸向流道寬而長(zhǎng)，汽泡后，只能沿其外緣運(yùn)動(dòng)，因p潰滅，限制汽泡,不致使堵塞整個(gè)流道。在安裝誘導(dǎo)輪之后，c值可由80010003000。目前國(guó)產(chǎn)火力電廠大型凝合水泵一般都裝有誘導(dǎo)輪。盡可能地削減吸入管路的附件，合理地加大吸入管道的d，盡量縮短吸入管道L。1、削減吸入管路的阻力損失

3、設(shè)置前置泵

二、提高有效汽蝕余量以防止泵汽蝕的措施

2、合理的選擇泵的幾何安裝高度Hg

對(duì)給水泵和凝合水泵實(shí)行Hd。確定Hg或Hd時(shí)，應(yīng)留有較大余量，以防止在非正常工況時(shí)產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象。單機(jī)容量鍋爐給水泵的t和n泵入口Δha除氧器的Hd,安裝困難且不經(jīng)濟(jì)。為此，國(guó)內(nèi)外對(duì)大容量的鍋爐給水泵，廣泛接受在其前設(shè)置低速前置泵的方法。給水經(jīng)前置泵升壓，相當(dāng)于pe/gΔha。（1）規(guī)定首級(jí)葉輪的汽蝕壽命。為了避開因汽蝕而發(fā)生泵的重大損壞事故，火力發(fā)電廠應(yīng)規(guī)定首級(jí)葉輪的汽蝕壽命，到時(shí)予以更換。（2）泵應(yīng)在規(guī)定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，不得超速。因?yàn)楫?dāng)n泵的Δhr，則泵的抗汽蝕性能將顯著降低。（3）不允許用泵的吸入系統(tǒng)上的閥門調(diào)整流量。否則，將導(dǎo)致吸入管路的hwΔha。三、運(yùn)行中防止汽蝕的措施（4）泵在運(yùn)行時(shí)若發(fā)生汽蝕，可以設(shè)法減小流量，或降低轉(zhuǎn)速。受到運(yùn)用和安裝條件的限制不能完全避開發(fā)生汽蝕的泵，應(yīng)接受抗汽蝕性能好的材料制成葉輪，或?qū)⑦@類材料噴涂在泵殼、葉輪的流道表面上，以便延長(zhǎng)葉輪的運(yùn)用壽命。四、首級(jí)葉輪接受抗汽蝕性能好的材料如高壓給水泵廣泛采用各種等級(jí)的鉻不銹鋼，目前國(guó)外認(rèn)為滿意