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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題，近年來國(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)。
（1）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。
（3）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。
（4）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。
（6）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。
（7）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。
（8）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)過流部件材質(zhì)的損壞。因此，過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流部件是減少離心泵氣蝕影響的有效措施。
（1）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，這種變化將反過來阻止材料的進(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。
（3）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。總之，在氣蝕過程中，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最佳值之后，對(duì)于給定流量來說，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。可見葉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，隨著CFD 技術(shù)的發(fā)展，通過對(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。