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離心泵氣蝕的主要原因分析2019-07-19
影響離心泵氣蝕的因素是設(shè)計(jì)與使用離心泵所必須考慮的問(wèn)題,，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)其進(jìn)行了大量的研究,。但由于研究的側(cè)重點(diǎn)不同，且大多都是針對(duì)影響離心泵氣蝕的某一參數(shù)進(jìn)行的研究,，造成研究成果較為分散,，且部分觀點(diǎn)之間相互矛盾。本文綜合國(guó)內(nèi)外大量文獻(xiàn),，對(duì)離心泵氣蝕影響因素的相關(guān)研究結(jié)果進(jìn)行比較,、分析，得出目前較為全面的影響離心泵氣蝕的主要因素,。
1.流體物理特性方面的影響
流體物理特性對(duì)離心泵氣蝕的影響主要包括：所輸送流體的純凈度,、pH值和電解質(zhì)濃度、溶解氣體量,、溫度,、運(yùn)動(dòng)黏度、汽化壓力及熱力學(xué)性質(zhì),。
?。?）純凈度（所含固體顆粒物濃度）的影響 流體中所含固體雜質(zhì)越多，將導(dǎo)致氣蝕核子的數(shù)量增多,。從而加速氣蝕的發(fā)生與發(fā)展,。
（2）pH值和電解質(zhì)濃度的影響 輸送極性介質(zhì)的離心泵（如一般的水泵）與輸送非極性介質(zhì)的離心泵（輸送苯、烷烴等有機(jī)物的泵）,，其氣蝕機(jī)理是不同的,。輸送極性介質(zhì)的離心泵的氣蝕損傷可能包括機(jī)械作用、化學(xué)腐蝕（與流體PH值有關(guān)）,、電化學(xué)腐蝕（與流體電解質(zhì)濃度有關(guān)）,；而輸送非極性介質(zhì)的離心泵的氣蝕損傷可能只有機(jī)械作用。
?。?）氣體溶解度的影響 國(guó)外研究表明流體內(nèi)溶解的氣體含量對(duì)氣蝕核子的產(chǎn)生與發(fā)展起到促進(jìn)作用,。
?。?）氣化壓力的影響 研究表明隨著氣化壓力的增高,，氣蝕損傷先升高后降低。因?yàn)殡S著氣化壓力的升高,，流體內(nèi)形成的不穩(wěn)定氣泡核的數(shù)量也不斷升高,，從而引起氣泡破裂數(shù)量的增多，沖擊波強(qiáng)度增大,，氣蝕率上升,。但如果氣化壓力繼續(xù)增大，使氣泡數(shù)增加到一定限度,，氣泡群形成一種“層間隔”的作用,，阻止了沖擊波行進(jìn)，削弱其強(qiáng)度,，氣蝕的破壞程度反而會(huì)逐漸降低,。
（5）溫度的影響 在流體中溫度的改變將導(dǎo)致氣化壓力,、氣體溶解度,、表面張力等其他影響氣蝕的物理性質(zhì)出現(xiàn)較大改變。由此可見,，溫度對(duì)氣蝕的影響機(jī)制較為復(fù)雜,，需結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行判斷。
?。?）表面張力的影響 當(dāng)其他因素保持不變,，降低流體表面張力可以減少氣蝕損傷。因?yàn)殡S著流體表面張力的減小,，氣泡潰滅所產(chǎn)生沖擊波的強(qiáng)度減弱,，氣蝕速率降低。
?。?）液體黏度的影響 流體黏度越大,，流速越低，達(dá)到高壓區(qū)的氣泡數(shù)越少，氣泡破滅所產(chǎn)生沖擊波的強(qiáng)度就減小,。同時(shí),，流體黏度越大，對(duì)沖擊波削弱也越大,。因此,，流體的黏度越低，氣蝕損傷越嚴(yán)重,。
?。?）液體的可壓縮性和密度的影響 隨著流體密度的增加，可壓縮性降低,，氣蝕損失增加,。
2.過(guò)流部件材質(zhì)特性方面的影響
由于泵的氣蝕損傷主要體現(xiàn)為對(duì)過(guò)流部件材質(zhì)的損壞。因此,，過(guò)流部件的材料性能也將在一定程度上對(duì)離心泵的氣蝕產(chǎn)生影響,，采用抗氣蝕性能良好的材料制造過(guò)流部件是減少離心泵氣蝕影響的有效措施。
?。?）材料的硬度 以AISI304材質(zhì)的葉輪為例,，氣蝕會(huì)造成葉輪材料的加工硬化和相變誘發(fā)馬氏體鋼，這種變化將反過(guò)來(lái)阻止材料的進(jìn)一步氣蝕,。而加工硬化和相變誘發(fā)馬氏體鋼的抗氣蝕性主要依賴于葉輪材質(zhì)的硬度,。
（2）加工硬化與抗疲勞性能 材料加工硬化指數(shù)越高,，抗疲勞性能越好,，則材料抗氣蝕性能越好。
?。?）晶體結(jié)構(gòu)的影響 在其他條件確定的情況下,，抗氣蝕率是顯微結(jié)構(gòu)的函數(shù)。在立方晶系中,，由于體心立方晶格的金屬具有較高的應(yīng)變速率敏感性,，當(dāng)應(yīng)變速率上升時(shí)，會(huì)引起快速的穿晶脆性斷裂和解理斷裂,，并導(dǎo)致點(diǎn)蝕形成,，從而產(chǎn)生較大的磨蝕率。對(duì)于密排六方晶格的金屬,，當(dāng)接近于理想的軸比且處于氣蝕環(huán)境時(shí),，六個(gè)滑移系全部開動(dòng)，迅速轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定態(tài)FCC,，吸收氣蝕應(yīng)力所做的功,，使磨蝕率下降,。對(duì)于面心立方晶格的金屬，滑移系較多,，在高應(yīng)力作用下,，將發(fā)生塑性流變。因此,，孕育期長(zhǎng),，磨蝕率降低?？傊?，在氣蝕過(guò)程中，發(fā)生由BCC向HCP或FCC向HCP轉(zhuǎn)變,，都將提高抗氣蝕性,。
（4） 晶粒大小的影響 葉輪所使用金屬材料的晶粒尺寸越小,，抗氣蝕性能越好,。因?yàn)榻饘俚木Я３叽缭叫?，?xì)晶使晶界增多,，位錯(cuò)滑移受阻，裂紋在擴(kuò)展中受阻力增大,，延長(zhǎng)了磨蝕壽命,。
3.離心泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的影響
在離心泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面對(duì)泵氣蝕特性起主要影響的可以分為泵體設(shè)計(jì)和葉輪設(shè)計(jì)兩個(gè)方面。研究表明影響離心泵氣蝕性能的直接因素是葉輪進(jìn)口的局部流動(dòng)均勻性,，因此葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比泵體的設(shè)計(jì)對(duì)離心泵氣蝕的影響大,，是主要影響因素。
（1）葉輪結(jié)構(gòu)對(duì)離心泵氣蝕性能的影響
離心泵葉輪結(jié)構(gòu)對(duì)泵的氣蝕性能有著重要的影響,，合理的葉輪結(jié)構(gòu)可以改善泵的氣蝕性能,。
1）葉片進(jìn)口厚度。葉片的排擠作用使得進(jìn)口處流體速度增加而產(chǎn)生壓力損失,。選擇較小的葉片進(jìn)口厚度,，可以減少葉片對(duì)液流的沖擊，增大葉片進(jìn)口處的過(guò)流面積,，減少葉片的排擠,，從而降低葉片進(jìn)口的絕對(duì)速度和相對(duì)速度，提高泵的抗氣蝕性能,。
2）葉輪進(jìn)口流道表面粗糙度,。離心泵的葉輪進(jìn)口流道的表面粗糙度可以分為二類：一類是孤立粗糙突體（如明顯的突出流道表面的夾渣或明顯的機(jī)加工與非加工過(guò)渡棱等），另一類是沿整個(gè)表面某一部份均勻分布的粗糙突體,。研究表明孤立粗糙突體會(huì)在液流中引起額外的沖擊和漩渦,，因此沿整個(gè)表面均勻分布的粗糙突體與同樣高度的孤立粗糙突體比較,，其氣蝕發(fā)生的危險(xiǎn)性要小得多。由此可見,，對(duì)粗糙流道的表面,，尤其是存在孤立粗糙突體的表面，進(jìn)行必要的打磨是提高離心泵抗氣蝕性能的有效措施,。
3）葉片進(jìn)口喉部面積,。葉片進(jìn)口的喉部面積對(duì)離心泵氣蝕性能的影響非常之大。如果葉片入口喉部面積較小,，即使葉片進(jìn)口處過(guò)流面積與葉輪進(jìn)口斷面面積之比設(shè)計(jì)的較為合理,，但仍舊很可能無(wú)法達(dá)到理想的氣蝕性能。葉輪葉片進(jìn)口喉部面積過(guò)小,，將導(dǎo)致葉片進(jìn)口液流的絕對(duì)速度增大,，從而造成離心泵抗氣蝕性能下降。
4）葉片數(shù),。離心泵葉輪內(nèi)葉片的數(shù)量對(duì)于泵的揚(yáng)程,、效率、氣蝕性能都有較大影響,。固然,，采用較少的葉輪葉片數(shù)量能減少的摩擦面，制造簡(jiǎn)單,，但是它對(duì)流體的導(dǎo)向作用卻變差了,；而采用較多的葉片數(shù)可以減少葉片負(fù)荷，改善初生氣蝕特性,，但是葉片數(shù)過(guò)多會(huì)造成排擠程度的增加,，并使相鄰葉片之間的寬度減小，從而容易形成汽泡群堵塞流道,，致使機(jī)泵氣蝕性能變差,。因此，在選擇葉輪葉片數(shù)時(shí),，一方面要盡量減少葉片的排擠與摩擦面,，另一方面又要使葉道有足夠的長(zhǎng)度，以保證液流的穩(wěn)定性和葉片對(duì)液體的充分作用,。目前,，對(duì)于葉片數(shù)的取值并沒(méi)有一個(gè)確定的、公認(rèn)的規(guī)則,。但大量的研究表明,，針對(duì)具體的離心泵設(shè)計(jì)，應(yīng)用CFD流場(chǎng)數(shù)值模擬的方法可以有效的確定葉輪葉片數(shù)的最佳范圍,。
（2）葉輪吸入口參數(shù)對(duì)離心泵氣蝕性能的影響
葉輪吸入口參數(shù)即決定葉輪葉片進(jìn)口面積的相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù),，其包括：葉片進(jìn)口沖角,、葉輪進(jìn)口直徑、葉片進(jìn)口流道寬度以及輪轂直徑,。
1）葉片進(jìn)口沖角Δβ一般取正沖角（3°~10°）,。由于采用正沖角，增大了葉片進(jìn)口角,，從而能夠有效減小葉片的彎曲,，增大葉片進(jìn)口過(guò)流面積，減小葉片的排擠,。這些因素都將減小v0和ω0,，提高泵的抗氣蝕性能。并且離心泵的流量增加時(shí),，進(jìn)口相對(duì)液流角增大,，采用正沖角可以避免泵在大流量下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)出現(xiàn)負(fù)沖角，造成λ2急劇上升（如下圖所示）,。大量研究表明增大葉片進(jìn)口角,，保持正沖角，能提高泵的抗氣蝕性能,，而且對(duì)效率影響不大,。但沖角的選擇對(duì)離心泵的抗氣蝕性能則存在一個(gè)最優(yōu)值，并不是沖角越大越好,，應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行分析,、選擇。
2）葉輪進(jìn)口直徑,。在流量恒定的情況下，葉輪進(jìn)口處液流的絕對(duì)速度和相對(duì)速度都是吸入管徑的函數(shù),。因此,，對(duì)于提高離心泵的抗氣蝕特性，葉輪進(jìn)口直徑存在一個(gè)最佳值,。當(dāng)葉輪進(jìn)口直徑小于此最佳值時(shí),，隨著葉輪直徑的增大，進(jìn)口處的流速減小,，離心泵氣蝕性能不斷提高,。但當(dāng)葉輪直徑的取值超過(guò)最佳值之后，對(duì)于給定流量來(lái)說(shuō),，隨著進(jìn)口直徑的增大,，在葉輪進(jìn)口部分將形成停滯區(qū)和反向流，使離心泵氣蝕性能逐漸惡化,。
3）葉片進(jìn)口流道寬度,。在離心泵的工況不變的情況下,，增大葉片進(jìn)口處流道的寬度會(huì)使液流絕對(duì)速度的軸面分速度減小，從而改善離心泵的氣蝕特性,，并且對(duì)離心泵的水力效率和容積效率影響較小,。
4）輪轂直徑。減小葉輪的輪轂直徑會(huì)增大葉輪流道的實(shí)際進(jìn)口面積,，從而使離心泵的氣蝕性能得到改善,。
5）葉輪前蓋板的曲率半徑。流體在流經(jīng)離心泵吸入口至葉輪進(jìn)口處時(shí),，由于流道收縮,，流體流速增加，從而產(chǎn)生一定的壓力損失,。同時(shí),，由于在此過(guò)程中流體流動(dòng)的方向由軸向變?yōu)閺较颍蜣D(zhuǎn)彎處流場(chǎng)不均勻也會(huì)產(chǎn)生一部分壓力損失,?？梢娙~輪前蓋板曲率半徑的大小直接影響著壓力損失的大小，進(jìn)而影響著離心泵的氣蝕特性,。采用較大的曲率半徑可減弱前蓋處液流轉(zhuǎn)彎處流速的變化,，使流速均勻平穩(wěn)，改善離心泵氣蝕性能,。
4.其他方面的影響：
1.參數(shù)的相互影響
到目前為止,，對(duì)離心泵氣蝕影響因素的研究都只是針對(duì)某個(gè)參數(shù)進(jìn)行的，對(duì)各個(gè)參數(shù)間的相互影響則很少研究,。但結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響是一個(gè)統(tǒng)一的整體,，它們是互相制約、互相影響的,，今后的研究應(yīng)該向綜合影響因素方向發(fā)展,。
2.離心泵的運(yùn)行工況
離心泵在實(shí)際使用過(guò)程中，由于操作條件極為復(fù)雜,，泵入口流量,、壓力隨之不斷改變。因此,，離心泵的實(shí)際工況往往與實(shí)驗(yàn),、設(shè)計(jì)的工況存在較大的偏差。其發(fā)生氣蝕的可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出實(shí)驗(yàn)的預(yù)計(jì),。
小結(jié)
由于氣蝕的機(jī)理非常復(fù)雜,，影響離心泵氣蝕的因素較多，且各種因素并不是孤立作用的,，不同的影響因素之間存在相互作用,、相互影響,。因此在研究離心泵的氣蝕性能時(shí)，應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況對(duì)影響泵氣蝕的機(jī)理與因素進(jìn)行通盤的考慮,。近年來(lái),，隨著CFD 技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)對(duì)離心泵內(nèi)流場(chǎng)的數(shù)值模擬,，為研究多種因素共同影響下的離心泵氣蝕性能提供了新的手段,。但目前，大多數(shù)離心泵氣蝕CFD數(shù)值模擬仍局限于研究單一因素對(duì)泵氣蝕性能的影響,，接下來(lái)的研究應(yīng)更多關(guān)注不同因素間相互作用對(duì)離心泵抗氣蝕性能的影響,。