汽蚀现象及其对泵工作的影响.pdf

第五章第五章 泵泵 的的 汽汽 蚀蚀 汽蚀涉及的范围十分广泛，在造船，水利以及水力机械等方面都对汽蚀问题的机理及 防止汽蚀的方法进行了大量的研究，并取得了满意的成果。对水泵而言，汽蚀问题是影响其 向高速化发展的一个突出障碍。 随着科技事业的不断发展， 汽蚀研究仍将是一个重要的课题。 第节第节 汽蚀现象及其对泵工作的影响汽蚀现象及其对泵工作的影响 一、汽蚀现象 水和汽可以互相转化，这是液体所固有的物理特性，而温度和压力则是造成它们转化 的条件。如果使水的某一温度保持不变，逐渐降低液面的绝对压力，当该压力降低到某一数 值时，水同样也会发生汽化，把这个压力称为水在该温度下的汽化压力，用符号 pv表示。 如果在流动过程中， 某一局部地区的压力等于或低于与水温相对应的汽化压力时， 水就在该 处发生汽化。汽化发生后，就有大量的蒸汽及溶解在水中的气体逸出，形成许多蒸汽与气体 混合的小汽泡。当汽泡随同水流从低压区流向高压区时，汽泡在高压的作用下，迅速凝结而 破裂，汽泡破裂的瞬间，产生局部空穴，高压水以极高的速度流向这些原汽泡占有的空间， 成一个冲击力。由于汽泡中的气体和蒸汽来不及在瞬间全部溶解和凝结，因此，在冲击力的 作用下又分成小汽泡，再被高压水压缩、凝结，如此形成多次反复，在流道表面形成极微小 的冲蚀。冲击力形成的压力可高达几百甚至上千 MPa，冲击频率可达每秒几万次。如图 5 l 所示，流道材料表面在水击压力作用下，形成疲劳而遭到严重破坏，从开始的点蚀到严 重的蜂窝状空洞，最后甚至把材料壁面蚀穿，通常把这种破坏现象称为剥蚀。 另外，由液体中逸出的氧气等活性气体，借助汽泡凝结时放出的热量，也会对金属起 化学腐蚀作用。这种汽泡的形成发展和破裂以致材料受到破坏的全部过程，称为汽蚀现象。 二、汽蚀对泵工作的影响 由以上分析可知，在流动过程中，如果出现了局部的压力降，且该处压力降低到等于 或低于水温对应下的汽化压力时，则水发生汽化。随着工况的变化，汽化先后发生的部位也 不同。 一般在小于设计工况下运行时， 压力最低点发生在靠近前盖板叶片进口处的工作面上。 开始发生汽化时，因为只有少量汽泡，叶轮流道堵塞不严重，对泵的正常工作没有明显 影响，泵的外部性能也没有明显变化。这种尚未影响到泵外部性能时的汽蚀称为潜伏汽蚀。 泵长期在潜伏汽蚀工况下丁作时，泵的材料仍要受到剥蚀，影响它的使用寿命。当汽化发展 到定程度时，汽泡大量聚集，叶轮流道被汽泡严重堵塞，致使汽蚀进一步发展，影响到泵 的外部特性，导致泵难以维持正常运行。综上所述，汽蚀对泵产生了诸多有害的影响。 1材料破坏 汽蚀发生时，由于机械剥蚀与化学腐蚀的共同作用，致使材料受到破 坏，图 53 所示为一个受汽蚀破坏的离心泵叶轮示例。 2噪声和振动 汽蚀发生时，不仅使材料受到破坏，而且还会出现噪声和振动。汽泡 破裂和高速冲击会引起严重的噪声。但是，在于厂由于其他来源的噪声已相当高，般情况 下，往往感觉不到汽蚀所产生的噪声。汽蚀过程本身是一种反复凝结、冲击的过程，伴随很 大的脉动力。如果这些脉动力的某一频率与设备的自然频率相等，就会引起强烈的振动。 3性能下降 汽蚀发展严重时，大量汽泡的存在会堵塞流道的截面，减少流体从叶轮 获得的能量，导致扬程下降，效率也相应降低。这时，泵的外部性能有明显的变化。由图 5- 4 可知，ns70 的离心式泵，当几何安装高度为 6m 时，出水管阀门的开度只能开到曲线上 黑点所对应的流量。如果继续开大阀门，流量进一步有所增加时，扬程曲线则急剧下降，这 表明汽蚀已经达到致使水泵不能工作的严重程度。这一工况，称为断裂工况。当把几何安装 高度从 6m增加到 7m时， 断裂工况就向流量小的方向偏， ，可以使用的运行范围就变窄， 几何安装高度提高到 8m时，断裂工况偏向更小的流量，泵的使用范围就更窄。 图 5- 5 为ns150 的双吸离心泵在不 同几何安装高度下发生汽蚀后的性能曲 线，与 ns 70 图 5- 4的离心泵相比，其断 裂工况比较缓和，没有明显的断裂点，其 扬程和效率曲线是逐渐下降的。从 s690 的轴流式泵汽蚀后的性能曲线图上几乎看 不出汽蚀发生时的断裂工况点。 由试验可知，ns 425 时，在性能 曲线上没有明显的汽蚀断裂点。其原因是在低比 转数的离心泵中，由于叶片宽度小，流道窄且长， 在发生汽蚀后，大量汽泡很快就布满流道，影响流 体的正常流动，造成断流，致使扬程、效率急剧下 降。在比转数大的离心泵中，叶片宽度大，流道宽 且短，因此汽泡发生后，并不立即布满流道，因而 对性能曲线上断裂工况点的影响就比较缓和。在高比转数的轴流泵中，由于叶片数少，具有 相当宽的流道，汽泡发生 后，不可能布满流道，从 而不会造成断流，所以在 性能曲线上，当流量增加 时，就不会出现断裂工况 点。尽管如此，但仍有潜 伏汽蚀的存在， 仍需防止。 第二节第二节 吸上真空高度吸上真空高度 Hs 当增加泵的几何安装高度时，会在更小的流量下发生汽蚀，如图 54 所示。对某一台 水泵来说， 尽管其性能可以满足使用要求， 但是如果几何安装高度不合适， 由于汽蚀的原因， 会限制流量的增力，从而导致性能达不到设计要求。因此，确定泵的几伺安装高度是保证泵 在设计工况下工作时不发生汽蚀的重要条件。 中小型卧式离心泵的几何安装高度如图 57 所示。 立式离心泵的几何安装高度是指第一 级工作叶轮进口边的中心线至吸水池液面的垂直距离。对于大型泵则应按 叶轮人口边最高 点采决定几何安装高度。 在泵样本中，有一项性能指标，叫作允许吸上 真空高度，用符号[Hs]表示， 这项性能指标和泵的几 何安装高度有关。几何安装高度就是根据这一数值 计算确定的。 允许吸上真空高度[Hs]和几何安装高度之间的 关系可通过图 5- 7 进行讨论。流体在旋转叶轮中受 离心力的作用被甩出叶轮，这时在叶轮人口处就形 成了真空，于是水池中液体就在液面压力作用下经 吸水管路进入泵内。 取吸水池液面为基准面，列出水面 ee 和泵入 门 ss 断面的伯诺利方程式 当液面压力就是大气压力时，pepamb,则有 从上式可知，泵的几何安装高度 Hg与液面压力、入口压力、入口平均速度以及吸入管 路中的流动损失有关。几何安装高度总是小于 10m的。 上式中的前两项之差称为吸上真空高度，用 Hs表示。 在发生断裂工况时的 Hs，称为最大吸上真空高度或临界吸上真空高度，用符号 Hsmax 表示。最大吸上真空高度 Hsmax是由试验确定的。为保证泵不发生汽蚀，允许吸上真空高度 通常取为 用允许吸上真空高度计算允许几何安装高度[Hg] [Hg]与允许吸上真空高度[Hs]之间的关系式指出 1泵的允许几何安装高度[Hg]应从泵样本中所给出的允许吸上真空高度[Hs]中减去泵吸 入口的速度水头和吸入管路的流动损失。一般情况下，[Hg]随流量的增加而降低，所以应按 样本中最大流量所对应的[Hs]来计算。 2为了提高泵允许的几何安装高度，应该尽量减小速度水头和吸入管路的流动损失。 为了减小速度水头，在同一流量下，可以选用直径稍大的吸入管路；为了减小流动损失除了 选用直径稍大的吸入管以外， 吸人管段应尽可能的短， 并尽量减少如弯头等增加局部损失的 管路附件。 通常，在泵样本中所给出的[Hs]值是已换算成常态（大气压力为 101.3103,水温为 20 ℃） 下的数值， 当使用条件与常态不同时， 应将样本中所给出的[Hs]值换算为使用条件下[Hs]’ 其换算公式为 泵制造厂只能给出[Hs]值，而不能直接给出[Hg]值，因为每台泵由于使用地区不同、水 温不同，吸人管路的布置情况也各异。因此，只能由用户根据具体条件进行计算确定[Hg]。 安装地点的海拔越高，大气压力就越低，允许吸上真空高度就越小。输送水的温度越 高时， 所对应的汽化压力就越高， 水就越容易汽化。 这时， 泵的允许吸上真空高度也就越小。 不同海拔时的大气压力和不同水温时的饱和蒸汽压头值如表 51 和表 52 所示。 第三节第三节 汽蚀余量△汽蚀余量△h 引入另一个表示泵汽蚀性能的参数，称为汽蚀余量，用符号△h 表示，或用 NPSH 表示 NetPositiveSuctionHead。汽蚀余量又分为有效汽蚀余量△ha或[NPSH] a和必需汽蚀余 量△hr或[NPSH] r。 在实际工作中，会遇到这种情况，即对同一台泵，在某种吸人装置条件下运行时会发 生汽蚀，当改变吸人装置条件后，就可能不发生汽蚀，这说明泵在运行中是否发生汽蚀和 泵的吸入装置条件有关。按照吸人装置条件所确定的汽蚀余量称为有效的汽蚀余量或称装 置汽蚀余量，用△ha表示。 另一种情况是，在完全相同的使用条件下某台泵在运行中发生了汽蚀，而换了另一种 型号的泵，就可能不发生汽蚀，这说明泵在运行中是否发生汽蚀和泵本身的汽蚀性能也有 关。由泵本身的汽蚀性能所确定的汽蚀余量称为必需汽蚀余量或泵的汽蚀余量，用△hr表 示。 现对有效汽蚀余量△ha和必需汽蚀余量△hr分别讨论如下 一、有效汽蚀余量△ha 有效汽蚀余量△ha 系指泵在吸人口处，单位重量液体所具有的超过汽化压力的富余能 量。即液体所具有的避免泵发生汽化的能量。有效汽蚀余量△ha，由吸人系统的装置条件确 定，与泵本身无关。 根据有效汽蚀余量的定义，得 其计算式为 由上式可知，有效汽蚀余量△ha 就是吸入液面上的压力水头在克服吸水管路装置中的 流动损失并把水提高到 Hg 的高度后，所剩余的超过汽化压头的能量。 分析上式知 1在液面上的压力水头、几何安装高度 Hg和液体温度保持不变的情况下，当流量增加 时，由于吸人管路中的流动损失 w h与流量的平方成正比变化，所以使△ha随流量增加而减 小。因而，当流量增加时，发生汽蚀的可能性增加。 2在非饱和容器中，泵所输送的液体温度越高，对应的汽化压力越大，△ha 也越小， 发生汽蚀的可能性就越大。 在吸入容器液面高出水泵轴线时，则 Hg称为倒灌高度或灌注头一 Hg，如图 511 所 示，这时，式57为 当吸人容器中的压力为汽化压力时电厂的凝结水泵和给水泵均属于这种情况，pep v， 则 wga hHh−∆ 二、必需汽蚀余量△hr 必需汽蚀余量△hr与吸人系统的装置情况无关，是由泵本身的汽蚀性能所确定的。泵吸 入口处的压力并非泵内液体的最低压力。 而最低压力点通常在叶片进口边稍后的 k 点， 如图 5- 12 所示， 因为液体从泵吸入口一般指泵进口法兰 ss 截面处至叶轮进口有能量损失， 因 而致使压力继续降低到 k 点。从泵吸人口至泵出口的压力变化曲线示于图 5- 12 中。必需汽 蚀余量△hr 即指液体从泵吸人口至压力最低 k 点的压力降。影响压力降有以下原因 1 吸人口 ss 截面至 kk 截面间图 512有流动损失，致使液体压力下降。 2 从 ss 至 kk 截面时，由于液体转弯等引起绝对速度分布不均匀，导致流体压力 下降。 3吸入管一般为收缩形，因速度改变而导致压力下降。 4流体进入叶轮流道时，以相对速度绕流叶片进口边， 从而引起相对速度的分布不 均匀，致使压力下降。 在压力降的上述因素中，1和2项的流动损失和绝对 速度分布不均匀所造成的损失，难以正确计算。因而在推导 计算公式时，暂不考虑，以后再加以修正。 利用伯诺利方程推导出的△hr计算公式为 式中 λ1、λ2压降系数； wo、vo叶片进口边稍前的相对速度和绝对速度。 三、有效汽蚀余量△ha和必需汽蚀余量△hr的关系 △ha是吸人系统所提供的在泵吸人口大于饱和蒸汽压力的富余能量。 △ha越大，表示泵 抗汽蚀性能越好。而必需汽蚀余量是液体从泵吸入口至 k 点的压力降，△hr越小，则表示泵 抗汽蚀性能越好，可以降低对吸人系统提供的有效汽蚀余量△hr的要求。 由前述已知，有效汽蚀余量△ha随流量的增加是一条 下降的曲线。但由上式可知， 流量增力口会导致叶片进 口前的流速 v0、w0增大，从而致使必需汽蚀余量△hr将随 流量的增加是一条上升的曲线。这两条曲线交于 c 点，如 图 5- 14 所示。c 点为汽蚀界限点，亦即临界汽蚀状态点， 该点的流量为临界流量 qvc。当 qvqvc，△hr △ha时，有 效汽蚀余量所提供的超过汽化压力的富余能量，不足以克 服泵入口部分的压力降，此时，最低压力 pk p v，从而造 成泵内汽蚀，因此 qvc右边为汽蚀区。只有 qv△hr。 在临界状态点，△ha △hr△hc 由汽蚀试验求得，为保证泵不发生汽蚀，△hc加一安全量，得允许汽蚀余量[△h] 通常取 [△h]1.1～1.3 △hc 或 [△h] △hcK 四、汽蚀余量△h 与吸上真空高度 Hs的关系 汽蚀余量△h 和吸上真空高度 Hs这两个表示汽蚀性能的参数之间存在一定的关系。 由汽蚀余量△h 和吸上真空高度 Hs的计算和概念推出汽蚀余量△h 与吸上真空高度 Hs的关 系式为 对于[△h]和[Hs]这两个表示汽蚀性能的参数，我国过去多采用[Hs]。但因使用[△h]时； 不需进行换算，特别对电厂的锅炉给水泵和凝结水泵，吸人液面都不是大气压力的情况下， 尤为方便。同时[△h]更能说明汽蚀的物理概念。因此，目前已较多使用[△h]]。 第四节第四节 汽蚀相似定律及汽蚀比转数汽蚀相似定律及汽蚀比转数 汽蚀余量只能反映泵汽蚀性能的好坏，而不能对不同泵进行汽蚀性能的比较，因此需 要一个包括泵的性能参数及汽蚀性能参数在内的综合相似特征敷，这个相似特征数称为汽 蚀比转数，用符号 c 表示。 由汽蚀基本方程式，根据相似条件，推出汽蚀相似定律的表达式为 汽蚀相似定律指出；进口几何尺寸相似的泵，在相似工况下运行时，原型和模型泵必 需汽蚀余量之比等于叶轮进口几何尺寸的平方比和转速的平方比的乘积。 对同一台泵，即 D1pD1m，则由式519得 上式指出，对同一台泵来说，当转速变化时，汽蚀余量随转速的平方成正比关系变化， 即当泵的转速提高后，必需汽蚀余量成平方增加，泵的抗汽蚀性能大为恶化， 一、汽蚀比转数 由流量相似定律和汽蚀相似定律进行变换后推得汽蚀比转数的计算式为 s 称为吸人比转数。国外通常用吸入比转数计算。而我国习惯上采用下式计算 c 称为汽蚀比转数。式中常数 5.62 是为了放大 c 值。 上式指出，必需汽蚀余量△hr小，则汽蚀比转数值大，即表示汽蚀性能好。反之，则差。 因此，汽蚀比转数的大小，可以反映泵抗汽蚀性能的好坏。但必须指出，为了提高 c 值往往 使泵的效率有所下降，目前汽蚀比转数的大致范围如下 主要考虑效率的泵c600～800； 兼顾汽蚀和效率的泵c8001200； 对汽蚀性能要求高的泵c＝1200～1600。 对一些特殊要求的泵，如电厂的凝结水泵、给水泵、火箭用的燃料泵等，c 值可达 1600 ～3000。 与无因次型式数相类似，最近提出了无因次汽蚀比转数 K c 与 Ks的关系为 三，汽蚀比转数公式的说明 1汽蚀比转数和比转数一样，是用最高效率点的 n、qv、△hr值计算的。因此，一般 都是指最高效率点的汽蚀比转数。 2凡入口几何相似的泵，在相似工况下运行时，汽蚀比转数必然相等。因此，可作为 汽蚀相似准则数。与比转数 ns不同的是，只要求进口部分几何形状和流动相似。即使出口 部分不相似，在相似工况下运行时，其汽蚀比转数仍相等。 3汽蚀比转数公式中流量是以单吸为标准，对双吸叶轮流量应以 qv /2 代入。 4汽蚀比转数 c， 吸人比转数 s 和无因次汽蚀比转数 K 三者的性质并无差别， 物理意义 相同。对于有因次汽蚀比转数 c，由于各国使用单位不同需进行换算。 第五节第五节 提高泵抗汽蚀性能的措施提高泵抗汽蚀性能的措施 综上所述，泵是否发生汽蚀，是由泵本身的汽蚀性能和吸人系统的装置条件来确定的。 因此，提高泵本身的抗汽蚀性能，尽可能减小必需汽蚀余量△hr，以及合理的确定吸人系统 装置，以提高有效汽蚀余量△ha，一般采用以下的措施。 一、提高泵本身的抗汽蚀性能 1降低叶轮入口部分流速 由汽蚀基本方程式可知，在压降系数不变时，减小 v0、w0 可使△hr减小，而 v0、w0均与入口几何尺寸有关。因此，改进入口几何尺寸，可以提高泵 的抗汽蚀性能，一般采用两种方法①适当增大叶轮入口直径 Do；②增大叶片人口边宽度 b1，如图 516 所示。也有同时采用既增大 Do 又增大 b1的方法。这些结构参数的改变，均 应有一定的限度，否则将影响泵效率。 2采用双吸式叶轮 此时单侧流量减小一半，从而使 v0减小。如果汽蚀比转数 c、转 数 n 和流量相同时，采用双吸式叶轮，△hr相当于单级叶轮的 0．63 倍，即双吸式叶轮的必 需汽蚀余量是单吸式叶轮的 63％，因而提高了泵的抗汽蚀性能。如国产 125MW 和 300MW 机组的给水泵，首级叶轮都采用的双吸式叶轮。 3增加叶轮前盖板转弯处的曲率半径 这样可以减小局部阻力损失。 4叶片进口边适当加长 即向吸人方向延伸，并作成扭曲 5首级叶轮采用抗汽蚀性能好的材料 如采用含镍铬的不锈钢、铝青铜、磷青铜。 二、提高吸入系统装置的有效汽蚀余量 1减小吸人管路的流动损失 即可适 当加大吸人管直径，尽量减少管路附件，如 弯头、阀门等，并使吸人管长最短。 2合理确定两个高度 即几何安装高 度及倒灌高度。 3设置前置泵 随着单机容量的提高，锅炉给水泵的水温和转速也将随之增加，则要 求泵人口有更大的有效汽蚀余量。为此，除氧器的倒灌高度随之增加。而除氧器装置高度过 高， 不仅造成安装上的许多困难， 同时也不经济。 所以， 目前国内外对大容量的锅炉给水泵， 广泛采用在给水泵前装置低速前置泵， 使给水经前置泵升压后再进入给水泵， 从而提高了泵 的有效汽蚀余量，改善了给水泵的汽蚀性能同时除氧 器的安装高度也大为降低。这是防止给水泵产生汽蚀、 简单而又可靠的一种方法。 （4）采用诱导轮 诱导轮是与主叶轮同轴安装的一个类似轴流式的 叶轮， 其叶片是螺旋形的， 叶片安装角小， 一般取 10～ 12，叶片数较少，仅 23 片，而且轮毂直径较小，因 此流道宽而长，如右图所示。主叶轮前装诱导轮，使液 体通过诱导轮升压后流入主叶轮多级泵为首级叶轮， 因而提高了主叶轮的有效汽蚀余量，改善了泵的汽蚀性 能。装设诱导轮之后，c 值可达 3000 以上。目前国内的 凝结水泵一般都装有诱导轮。 5采用双重翼叶轮 双重翼叶轮由 前置叶轮和后置离心叶轮组成，如左图所 示，前置叶轮有 23 个叶片，呈斜流形， 与诱导乾相比， 其主要优点是轴向尺寸小， 结构简单，且不存在诱导轮与主叶轮配合 不好，而导致效率下降的问题。所以，双 重翼离心泵不会降低泵的性能，却使泵的 抗汽蚀性能大为改善。 6采用超汽蚀泵 近年来，发展了一种超汽蚀泵。在主叶轮之前装一个类似轴流式 的超汽蚀叶轮，如图 5- 19 所示。其叶片采用了薄而尖的超汽蚀翼型，如图 5- 20 所示，使其 诱发种固定型的汽泡，覆盖整个翼型叶片背面，并扩展到后部，与原来叶片的翼型和空穴 组成了新的翼型。其优点是汽泡保护了叶片，避免汽蚀并在叶片后部溃灭，因而不损坏叶 片。