第四章葉片式流體機械的空化理論

第一節(jié)流體機械的空化與空蝕機理一、空化與空蝕機理1.空化現(xiàn)象當P<Pv，起先氣化，形成空穴（即氣泡），當氣泡到高壓區(qū)則氣泡內的蒸汽重新凝合，氣泡潰滅，另外還伴隨著一系列物理、化學現(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振動型空化：

②固定型空化①游動型空化4.空蝕機理沖擊波模式水射流模式沖擊波模式水射流模式第一節(jié)流體機械的空化與空蝕機理二、空蝕破壞的類型及其對水泵性能的影響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）縮短泵的運用壽命：粗糙多孔→顯微裂紋→蜂窩狀或海綿狀侵蝕→呈空洞。對泵運行的危害2）產生噪聲和振動：若振動產生汽泡，汽蝕產生振動→相互激勵→汽蝕共振。3）影響泵的運行性能：斷裂工況（汽泡堵塞流道）；潛藏性汽蝕（易被忽視）。那么泵內汽蝕的產生與那些因素有關？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，令稱為吸上真空高度，則上式變?yōu)椋?/p>

當qV=C時，Hg(Hs)，存在HsmaxpsminpkpV時，泵內起先發(fā)生汽蝕。Hsmax值由制造廠用試驗方法確定。為保證泵不發(fā)生汽蝕，把Hsmax減去一個平安量K，作為允許吸上真空高度而載入泵的產品樣本中，并用[Hs]表示，即：[Hs]=Hsmax―0.3在計算[Hg]中必需留意以下三點：（1）[Hs](qV)。確定[Hg]時，必需以泵在運行中可能出現(xiàn)的最大流量所對應的[Hs]為準。（2）[Hs]值是泵制造廠在pa=1.013×105Pa，t=20℃的清水下由試驗得出的。當運用條件變更時，應對樣本的[Hs]值進行修正。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某地安裝一臺水泵，其輸水qV=135L/s，輸送水溫t=30℃，該泵樣本上供應的允許吸上真空高度[Hs]=5.5m.吸水管內徑d=250mm,設吸入管路總損失∑hs=0.878m。求：[Hg]應為多少？

【解】由表查得海拔500m力時大氣壓強pa=9.51×104Pa，由附錄Ⅳ查得水溫為t=30℃時的飽和蒸汽壓強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：

又因為：所以，泵的幾何安裝高度應為：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重要因素。那么，泵內汽蝕的產生還與那些因素有關？又如何防止呢？

泵內流體汽蝕現(xiàn)象理論：液體汽化壓強（pV）為初生汽蝕的臨界壓強。稱泵吸入口液流總能頭高于汽化壓強能頭外的富余能頭為汽蝕余量，以符號NPSH表示。汽蝕余量可分為有效汽蝕余量和必需汽蝕余量。當泵內剛發(fā)生汽蝕時，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)結構參數(shù)，流量，而與泵的結構無關，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qVΔha。

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

利用能量方程可以推得：

Δhr=f(泵吸入室和葉輪進口的結構參數(shù),流速大小),即，Δhr只與泵的結構有關，而與吸入管路無關，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，由于Δhr具有流動損失的屬性，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測出。當qVΔhr。汽蝕區(qū)非汽蝕區(qū)泵運行中,Δha-qV

和Δhr-qV的變化關系如圖所示。即Δhr-qVΔha-qVH-qVqVHΔhOqVCC3.對汽蝕余量Δh的幾點說明即Δhr≥Δha，泵內將產生汽蝕。當qV

≥qVC時，因pK≤pV,但流量不能太?。簺_角

hwNPSHr運行時的最大允許流量和最小允許流量。因此，應規(guī)定出泵水溫

tpVNPSHa1）泵運行中Δha與Δhr的關系2）臨界汽蝕余量Δhc和允許汽蝕余量[Δh]的關系Δhr-qVΔha-qV[Δh]-qVH-qV汽蝕區(qū)非汽蝕區(qū)KqVHNPSHOqVCC設計點A由圖可知,qVΔha

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

[Δh]=（1.1～1.3）Δhc

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

Δha，可得到計算泵允許幾何安裝高度的另一表達式：

中。用

[Hg]

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

【例】有一單吸單級離心泵，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℃的水相對應的飽和蒸汽壓強為pV=7374Pa，于是由式可得：計算結果[Hg]為負值,故該泵的葉輪進口中心應在容器液面以下2.65m。

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

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

2.汽蝕比轉速

1）問題的提出：必需汽蝕余量只能反映某一臺泵汽蝕性能的好壞，而不能對不同泵進行汽蝕性能的比較，因此須要一個包括設計參數(shù)在內的綜合性汽蝕相像特征數(shù)，并稱之為汽蝕比轉速，其構造方法和泵的比轉速的推導過程類似。目前,國內習慣使用的有量綱的汽蝕比轉速用符號c表示，其表達式如下：式中，Δhr、qV和n的單位分別為：m、m3/s和r/min。

2）對汽蝕比轉速的幾點說明（1）c值依m(xù)ax值確定。

c值越大，泵抗汽蝕性能越好。

（2）c值是一個綜合性汽蝕相像特征數(shù),同H值無關。若兩臺泵入口通流部分幾何和運行工況相像，則c值相等，表示兩臺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)關系。（4）對于雙吸葉輪，應以其qV/2代入c值的表達式中。（5）汽蝕比轉速的大致范圍如下：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．多級泵首級葉輪接受雙吸式多級泵首級葉輪接受雙吸式，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？如國產125MW和300MW汽輪發(fā)電機組的給水泵首級葉輪均接受雙吸式。

2．加裝誘導輪其加壓和強制預旋w0Δhr；其軸向流道寬而長，汽泡后，只能沿其外緣運動，因p潰滅，限制汽泡,不致使堵塞整個流道。在安裝誘導輪之后，c值可由80010003000。目前國產火力電廠大型凝合水泵一般都裝有誘導輪。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

對給水泵和凝合水泵實行Hd。確定Hg或Hd時，應留有較大余量，以防止在非正常工況時產生汽蝕現(xiàn)象。單機容量鍋爐給水泵的t和n泵入口Δha除氧器的Hd,安裝困難且不經濟。為此，國內外對大容量的鍋爐給水泵，廣泛接受在其前設置低速前置泵的方法。給水經前置泵升壓，相當于pe/gΔha。（1）規(guī)定首級葉輪的汽蝕壽命。為了避開因汽蝕而發(fā)生泵的重大損壞事故，火力發(fā)電廠應規(guī)定首級葉輪的汽蝕壽命，到時予以更換。（2）泵應在規(guī)定轉速下運行，不得超速。因為當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)上的閥門調整流量。否則，將導致吸入管路的hwΔha。三、運行中防止汽蝕的措施（4）泵在運行時若發(fā)生汽蝕，可以設法減小流量，或降低轉速。受到運用和安裝條件的限制不能完全避開發(fā)生汽蝕的泵，應接受抗汽蝕性能好的材料制成葉輪，或將這類材料噴涂在泵殼、葉輪的流道表面上，以便延長葉輪的運用壽命。四、首級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的鉻不銹鋼，目前國外認為滿意