離心泵氣蝕的出現(xiàn)原因分析
在離心泵的設(shè)計和使用中，必須考慮影響離心泵汽蝕的因素。近年來，國內(nèi)外進(jìn)行了大量的研究。但是，由于研究的側(cè)重點(diǎn)不同，而且大多是針對影響離心泵汽蝕的某一參數(shù)，研究成果比較零散，有些觀點(diǎn)相互矛盾。
1、流體物理特性的影響
流體物理特性對離心泵汽蝕的影響主要包括被輸送流體的純度、pH值和電解質(zhì)濃度、溶解氣體量、溫度、運(yùn)動粘度、汽化壓力和熱力學(xué)性質(zhì)。
純度1中包含的固體顆粒濃度的影響。流體中包含的固體雜質(zhì)越多，空化核就越多。從而加速氣蝕的發(fā)生和發(fā)展。
pH值和電解液濃度的影響輸送極性介質(zhì)的離心泵，如一般水泵和輸送非極性介質(zhì)的管道離心泵，其汽蝕機(jī)理與輸送苯、烷烴等有機(jī)物的泵不同。輸送極性介質(zhì)的離心泵的汽蝕破壞可能包括機(jī)械作用、與流體PH值有關(guān)的化學(xué)腐蝕和與流體電解質(zhì)濃度有關(guān)的電化學(xué)腐蝕。然而，輸送非極性介質(zhì)的離心泵的汽蝕破壞可能只是由機(jī)械作用引起的。
3氣體溶解度的影響國外研究表明，流體中溶解的氣體含量促進(jìn)了空化核的產(chǎn)生和發(fā)展。
對氣化壓力影響的研究表明，隨著氣化壓力的增加，空蝕破壞先增大后減小。隨著氣化壓力的升高高，流體中形成的不穩(wěn)定氣泡核的數(shù)量也在增加，從而導(dǎo)致氣泡破裂、沖擊波強(qiáng)度和空化率的增加。但如果氣化壓力繼續(xù)增加，氣泡數(shù)量增加到一定限度，氣泡群形成層間距，阻止沖擊波傳播，減弱其強(qiáng)度，空化破壞程度逐漸降低。
5溫度的影響流體中溫度的變化會導(dǎo)致影響空化的其他物理性質(zhì)發(fā)生很大變化，如氣化壓力、氣體溶解度、表面張力等。可見，溫度對汽蝕的影響機(jī)理是復(fù)雜的，需要根據(jù)實(shí)際情況來判斷。
6表面張力的影響在其他因素不變的情況下，降低流體的表面張力可以減少氣蝕破壞。隨著流體表面張力的降低，氣泡潰滅產(chǎn)生的沖擊波強(qiáng)度降低，空化率降低。
7液體粘度的影響流體的粘度越高，流體的速度越低，到達(dá)高壓區(qū)的氣泡數(shù)量越少，氣泡破裂產(chǎn)生的沖擊波強(qiáng)度也會降低。同時，流體的粘度越大，沖擊波的減弱越大。因此，流體的粘度越低，氣蝕破壞越嚴(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。過流部件材料特性的影響
泵的汽蝕損壞主要體現(xiàn)在過流部件的材料損壞上。因此，過流部件的材料性能也會在一定程度上影響離心泵的汽蝕現(xiàn)象，
采用抗汽蝕性能好的材料制造過流部件是降低離心泵汽蝕影響的有效措施。
1材料硬度以AISI304葉輪為例。氣蝕將導(dǎo)致葉輪材料加工硬化，相變將誘發(fā)馬氏體鋼，這將反過來防止材料的進(jìn)一步氣蝕。然而，由加工硬化和相變誘發(fā)的馬氏體鋼的抗汽蝕性能主要取決于葉輪材料的硬度。
2加工硬化和抗疲勞性加工硬化指數(shù)越高，材料的抗疲勞性越好，材料的抗氣蝕性就越好。
3晶體結(jié)構(gòu)的影響在其他條件確定的情況下，抗氣蝕性是微觀結(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，會導(dǎo)致快速穿晶脆性斷裂和解理斷裂，并導(dǎo)致點(diǎn)蝕，從而產(chǎn)生較大的磨損率。對于密六方晶格的金屬，當(dāng)軸比接近理想且處于空蝕環(huán)境時，六個滑移系全部啟動，迅速轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的FCC，吸收空蝕應(yīng)力所做的功，降低磨損率。對于面心立方晶格的金屬，存在許多滑移系，在高應(yīng)力作用下會發(fā)生塑性流變。因此，潛伏期長，磨損率降低。總之，在汽蝕過程中，從BCC到HCP或FCC到HCP的轉(zhuǎn)變會提高抗汽蝕能力。
4晶粒度的影響葉輪所用金屬材料的晶粒度越小，抗汽蝕性能越好。因?yàn)榻饘俚乃?/div>
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晶粒越小，細(xì)晶粒造成的晶界越多，位錯滑移受阻，裂紋擴(kuò)展阻力增大，從而延長磨損壽命。
3。離心泵結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響在離心泵結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，影響泵汽蝕特性的主要可以分為泵體設(shè)計和葉輪設(shè)計兩個方面。研究表明，影響離心泵汽蝕性能的直接因素是葉輪入口處的局部流動均勻性，因此葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計比泵體設(shè)計對離心泵汽蝕的影響更大，是主要影響因素。
葉輪結(jié)構(gòu)對多級離心泵汽蝕性能的影響
離心泵的葉輪結(jié)構(gòu)對泵的汽蝕性能有重要影響，合理的葉輪結(jié)構(gòu)可以改善泵的汽蝕性能。
1葉片進(jìn)口厚度。葉片的擠壓作用增加了入口處的流體速度，導(dǎo)致壓力損失。選擇較小的葉片進(jìn)口厚度可以減小葉片對液體流動的沖擊，增加葉片進(jìn)口處的過流面積，減少葉片的擠出，從而降低葉片進(jìn)口的絕對速度和相對速度，提高泵的抗汽蝕能力。
2葉輪進(jìn)口流道的表面粗糙度。離心泵葉輪進(jìn)口通道的表面粗糙度可分為兩類:一類是通道表面突出的明顯夾渣等孤立的粗糙突起或明顯的機(jī)加工和非機(jī)加工過渡邊緣；另一類是沿整個表面某一部分均勻分布的粗糙突起。結(jié)果表明，孤立粗糙突起會引起液體流動中的附加沖擊和渦流，因此與相同高度的孤立粗糙突起相比，沿整個表面均勻分布的粗糙突起存在空化現(xiàn)象。
發(fā)生的風(fēng)險小很多。因此，對粗糙轉(zhuǎn)輪表面，特別是帶有孤立粗糙突起的表面進(jìn)行拋光是提高離心泵抗汽蝕能力的有效措施。
3葉片入口喉部面積。葉片喉部面積對離心泵的汽蝕性能有很大影響。如果葉片進(jìn)口的喉部面積較小，即使合理設(shè)計了葉片進(jìn)口的過流面積與葉輪進(jìn)口的截面積之比，仍可能達(dá)不到理想的汽蝕性能。如果葉輪進(jìn)口喉部面積過小，葉輪進(jìn)口處液體流動的絕對速度會增大，從而導(dǎo)致離心泵的汽蝕阻力降低。
4葉片數(shù)。離心泵的葉片數(shù)對泵的揚(yáng)程、效率和汽蝕性能有很大影響。誠然，使用較少的葉輪葉片可以減少摩擦面，制造簡單，但其對流體的導(dǎo)向效果變差；而使用較多的葉片可以降低葉片載荷，改善一次汽蝕特性，但過多的葉片會增加擁擠程度，減小相鄰葉片間的寬度，從而容易形成氣泡群堵塞流道，導(dǎo)致泵的汽蝕性能較差。因此，在選擇葉輪葉片數(shù)量時，一方面要盡量減少葉片的擁擠和摩擦面，另一方面要使葉片通道有足夠的長度，以保證液體流動的穩(wěn)定性和葉片對液體的充分作用。目前，對于葉片的數(shù)量沒有明確的和公認(rèn)的規(guī)則。然而，大量研究表明，CFD流場數(shù)值模擬應(yīng)用于具體的離心泵設(shè)計。
該方法能有效確定葉輪葉片數(shù)的最佳范圍。
葉輪進(jìn)口參數(shù)對離心泵汽蝕性能的影響
葉輪進(jìn)口參數(shù)是決定葉輪葉片進(jìn)口面積的相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括葉片進(jìn)口角、葉輪進(jìn)口直徑、葉片進(jìn)口流道寬度和輪轂直徑。
1葉片進(jìn)口攻角δ β一般取3° ~ 10°的正攻角。由于采用了正角度，增加了葉片進(jìn)口角，可以有效減少葉片彎曲，增加葉片進(jìn)口流通面積，減少葉片擁擠。所有這些因素都會降低v0和ω0，提高泵的抗汽蝕能力。此外，當(dāng)離心泵的流量增加時，入口處的相對流動角增加。使用正攻角可以避免泵在大流量下運(yùn)行時出現(xiàn)負(fù)攻角，導(dǎo)致λ2急劇上升，如下圖所示。大量研究表明，增大葉片進(jìn)口角，保持正攻角，可以提高泵的抗汽蝕能力，對效率影響不大。但是，對于離心泵的抗汽蝕性能來說，攻角的選擇存在一個最優(yōu)值，并不是攻角越大越好。要根據(jù)實(shí)際情況分析選擇。
2葉輪入口直徑。當(dāng)流量一定時，葉輪入口處液體流動的絕對速度和相對速度都是吸入管徑的函數(shù)。因此，為了提高離心泵的抗汽蝕能力，葉輪進(jìn)口直徑存在一個最佳值。當(dāng)葉輪入口直徑小于這個最佳值時，隨著葉輪直徑的增大，入口速度降低，離心泵的汽蝕性能不斷提高。但是當(dāng)葉輪直徑超過最佳值時對于給定的流量，隨著入口直徑的增大，葉輪入口處會形成滯止區(qū)和回流，逐漸惡化離心泵的汽蝕性能。
3葉片進(jìn)口通道的寬度。在離心泵工況不變的情況下，增加葉片入口處的流道寬度會降低液流絕對速度的軸向分速度，從而改善離心泵的汽蝕特性，對離心泵的水力效率和容積效率影響不大。
4輪轂直徑。減小葉輪輪轂直徑會增加葉輪轉(zhuǎn)輪的實(shí)際進(jìn)口面積，從而改善離心泵的汽蝕性能。
5葉輪前蓋板的曲率半徑。當(dāng)流體通過離心泵的吸入口流向葉輪入口時，由于流道的收縮，流體的流量增大，產(chǎn)生一定的壓力損失。同時，由于在這個過程中流體流動的方向由軸向變?yōu)閺较颍瑥澒芴幍牟痪鶆蛄鲌鲆矔斐梢欢ǖ膲毫p失。可以看出，葉輪前蓋板的曲率半徑直接影響壓力損失，進(jìn)而影響離心泵的汽蝕特性。采用較大的曲率半徑可以減弱前蓋彎曲處的流速變化，使流速均勻穩(wěn)定，提高離心泵的汽蝕性能。
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