【化工泵知識(shí)百科】離心泵氣蝕的主要原因分析
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)。
(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(jiàn)，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(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。
(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(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。
(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(kāi)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(公眾號(hào):泵管家)，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?？傊跉馕g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(jiàn)，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?，因轉(zhuǎn)彎處流場(chǎng)不均勻也會(huì)產(chǎn)生一部分壓力損失?？梢?jiàn)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：
01.參數(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。
02.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。
(作者：蔡圣杰)
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