5泵与风机 第四章 泵的汽蚀

1第四章泵的汽蚀•第一节汽蚀现象及其对泵工作的影响•第二节吸上真空高度Hs•第三节汽蚀余量△h•第四节汽蚀相似定律与汽蚀比转数•第五节提高泵抗汽蚀性能的措施2第一节汽蚀现象及其对泵工作的影响•水的汽化：大气压下升温到100℃或20℃下降压至2.4kPa。•汽化发生后，大量的蒸汽及溶解在水中的气体逸出，形成大量蒸汽、气体混合物的小汽泡。•气泡随同液体从低压区流向高压区，在高压作用下迅速凝结或破裂，瞬间产生局部空穴，周围的液体以极高的速度冲向原气泡所占据的空间，形成冲击。来不及瞬间全部溶解和凝结的气体和蒸汽在冲击力的作用下又分成更小的汽泡，反复被高压水压缩、凝结。3第一节汽蚀现象及其对泵工作的影响•如果汽泡破裂发生在流道附近，就会在流道表面形成某种强度的高频冲蚀，水击压力可高达几百甚至上千MPa，冲击频率可高达每秒几万次之多。由于冲击作用使泵体震动并产生噪音，且叶轮局部处在巨大冲击力的反复作用下，使材料表面疲劳，从开始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。5汽蚀发生的部位•(a)叶片进、出口处•(b)叶轮盖板附近•(c)间隙汽蚀•(d)入流角度和导向叶片角度不适应产生的导向叶片汽蚀•(e)蜗壳泵舌处（连续大流量）•(f)吸入室隔舌（预旋过大）6•CFD流体动力学计算程序模拟的气泡体积分数最大的位置。7泵内汽蚀的发生和发展•1、初生：水在低压区刚开始汽化，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。•2、发展：当汽化发展到一定程度时，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。•3、断裂：扬程急剧下降，泵的工作曲线发生断裂，不能工作。•随着泵内压力（NPSH）的下降，A点开始汽蚀，然后泵扬程略有下降。B点为断裂工况的开始点，C点是完全断裂工况，扬程直线下降。断裂工况临界点由无汽蚀扬程下降(2+K/2)H%来确定。8汽蚀的危害(3种)•噪音和震动：气蚀发生时产生噪音和震动，泵组的振动又会促使空泡的发生和溃灭，两者的相互作用有可能引起汽蚀共振。•材料破坏：叶轮局部在巨大冲击的反复作用下，表面出现斑痕及裂纹，甚至呈海棉状逐渐脱落。•性能下降：液体流量明显下降，同时压头、效率也大幅度降低，严重时会输不出液体。9汽蚀性能曲线•低比转数泵，流道较窄而长，一旦发生汽蚀，气泡易于充满整个流道，使性能曲线突然下降。ns=70的离心式泵汽蚀性能曲线中有明显的断裂点。同一转速，泵几何安装高度提高，断裂工况往小流量方向移动，即容易发生汽蚀。•比转数增加，流道宽而短，气泡发展至充满整个流道需要一定过程，泵性能曲线其断裂工况比较缓和，没有明显的断裂点。•高比转数的轴流泵，由于叶片数少且基本上相互不重叠，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。ns=70ns=150轴流泵10第二节吸上真空高度wssghgvgPPH220由伯努利方程,得令Hs=(P0-Ps)/g：称为离心泵的吸上真空度wsgsShgvHgPPH220即吸上高度Hg为：wgsshHgvgPgvgP22220011允许几何安装高度•泵的允许几何安装高度[Hg]应低于泵样本中所给出的允许吸上真空高度[Hs]。一般情况下[Hs]随流量qV的增加而降低，[Hg]的确定应该按样本中最大流量所对应的[Hs]来计算。•为了提高泵的[Hg]，应该尽量减小和hw。即选用大直径的吸入管路，短吸入管路和减少如弯头等增加局部损失的管路附件。wsSghgvHH2][][2——允许几何安装高度gvs2212允许吸上真空度•在实际操作中，不易测出最低压强的位置，而往往是测泵入口处的压强，然后在考虑一安全量，即为泵入口处允许的最低绝对压强，以p1表示。习惯上常把p1表示为真空度，并以被输送液体的液柱高度为计量单位，称为允许吸上真空度，以HS′表示。HS′是指压强为p1处可允许达到的最高真空度，表达式：液柱单位：mgppH1a'S式中：p1-泵入口处允许的最低绝对压强，Pa；ρ-被输送流体的密度，kg/m3。13•[HS]′与泵的类型、结构、输送操作条件有关，通过实验测定，由制造厂提供，标示在泵样本或说明书中。•实验条件：大气压10.33mH2O，温度20℃，清水为介质。•当操作条件和输送液体与实验条件不符时，须换算：式中：[HS]-实验条件下输送水时的允许吸上真空度，mH2O；(由泵样本表或性能图中查取)[HS]′-操作条件下输送液体时的允许吸上真空度，m液柱；Hamb-泵安装地区大气压，mH2O；10.33-实验条件下大气压强，mH2O；0.24-实验条件下水的饱和蒸汽压，mH2O；Hv-实际温度下水的饱和蒸汽压mH2O。换算公式•（4-65）)24.0()33.10(][]['vambSShHHH15第三节汽蚀余量△h•一、有效汽蚀余量△ha或[NSPH]a•表示在泵吸入口，单位重量的液体所具有的超过饱和蒸汽压力的富裕能量。由上式可知，有效汽蚀余量NSPHa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。（倒灌时Hg为“+”）gpgvgphvsSa22wgsShHgvgpgp220wgvahHgpph016•（1）在p0/ρg、Hg和液体温度（pv）保持不变的情况下，当流量增加时，由于吸入管路中的流动损失hw与流量的平方成正比增加，使△ha随流量增加而减小。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越小，发生汽蚀的可能性就越大。当吸入容器中液面压力为汽化压力时（如凝结水泵和给水泵），pe＝pv，则wgvahHgpph0wgahHh必须倒灌17•压力变化过程•a）泵入口叶轮入口流动损失静压头，动压头基本不变,总压头•b）叶轮入口叶轮入口转弯点（压强最低点）流体流到叶轮转弯点，消耗能量，静压头，动压头基不变，总压头•c）叶轮转弯点叶轮出口叶轮对流体做功，静压头动压头总压头•d）叶轮出口泵出口泵壳流道渐大，动压头一部分转换为静压头，静压头流动又消耗能量,动压头总压头必需汽蚀余量△hr18•必需汽蚀余量△hr,是液体从泵吸入口流至叶轮叶片进口压力最低处K点的压力降.必需汽蚀余量△hr越大,则表示压力降越大,泵抗汽蚀性能就越差,反之亦然。•必需汽蚀余量△hr与吸入管路装置无关，只与泵吸入室的结构，液体在叶轮进口处的流速等因素有关。gwgvmhr222020•m:考虑绝对速度因液流转弯而造成的不均匀，以及液流的流动阻力损失的压降系数，一般情况下为1.0~1.2。•λ:考虑液体绕流叶片头部引起的压降系数，与冲角、叶片数叶片头部形状有关，在液体无冲击流入叶片的情况下为0.3~0.4。可按经验公式求得。19•有效汽蚀余量△ha随流量增加而下降，流量增加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将随流量增加。crahhh•如图，两曲线交于一点，交点c为临界汽蚀状态点，此时的汽蚀余量为临界汽蚀余量△hc。•在点c的左侧，是泵的安全工作区域•在点c的右侧，是泵不安全工作区域rahhrahh20•△hc由汽蚀试验求得，为了保证泵不发生汽蚀，加上一个安全量，允许汽蚀余量[△h]为：•[△h]=1.1～1.3△hc或[△h]=△hc+K•通过厂家提供的[△h]，计算允许几何安装高度•回顾：[Hs]针对不同外部条件，[NPSH]针对相同外部条件，不同型的泵汽蚀性能。][][0NPSHhgpgpHwvg21汽蚀余量NSPH与吸上真空高度Hs的关系由得允许吸上真空高度为：gpgvgphvssa22gpgpHsambsasvambshgvgpgpH22][2][2hgvgpgpHsvambscsvambshgvgpgpH22max,22最小流量•超过汽蚀临界流量，必定会发生汽蚀；小流量下，泵的运转也会发生不稳定，乃至汽蚀。•小流量（额定流量1/3以下），叶轮入口将发生二次回流，引起泵体和管路的振动。回流造成真正的过流截面积减小，流速v0、w0增大，压降系数λ也升高，因此，△hr上升。•另外，小流量下，泵效率低，耗功转化成热能，引起水温升高，提高饱和蒸汽压力，从而提高△hr。∴泵的安全工作区域，应该在最小流量和最大流量之间。•启动时，给水泵需要开启旁路，将水循环回除氧器，保证正常运行。23第四节汽蚀相似定律与汽蚀比转数•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c。•nD1直观的反映了泵叶轮外缘处的圆周速度u，实际上既反映了泵的能量同时亦显示泵的抗汽蚀性能。目前，工程上一般认为轴流泵的nD1≤435,最大不超过480。国内轴流泵与混流泵nD1一般都控制在400～500。•泵速升高时，计算值偏小；泵速降低时，计算值偏大。211mmpprmrpnDnDhh24汽蚀比转数c汽蚀比转数吸入比转数•△hr大，则c小，泵抗汽蚀性能就差。为了提高c值往往使泵的效率有所下降，目前，主要考虑效率的泵：c＝600～800；兼顾汽蚀和效率的泵：c＝800～1200；对抗汽蚀性能要求高的泵c＝1200～1600；特殊要求泵，c＝1600～3000；无因次汽蚀比转数3/45.62Vrnqch3/4Vrnqsh3/4260()VsrnqKgh25三、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。2.泵入口部分几何相似与运动相似，则c必定相等，泵抗汽蚀性能相同。泵出口部分几何相似与运动相似，侧比转数ns相等。c和ns均相等，即叶轮入口和出口部分都满足相似要求，泵必定相似。3.汽蚀比转数公式中流量以单吸为标准，对双吸叶轮流量应以qV/2代入。4.汽蚀比转数c、吸入比转数s和无因次汽蚀比转数Ks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要进行换算。26托马汽蚀系数σ•托马汽蚀系数σ大，表示泵的抗汽蚀性能差。•托马汽蚀系数σ将泵的必需汽蚀余量与泵的扬程联系起来，是它的不足。因为扬程的高低主要取决于叶轮的出口参数，而必需汽蚀余量主要取决于叶轮的入口参数。但由于公式简单，欧美国家应用较多。定义式换算式单吸泵双吸泵29第五节提高泵抗汽蚀性能的措施•一、提高有效汽蚀余量△hawgvahHgpph01.减小吸入管路的流动损失当加大吸入管直径，降低流速，尽量减少弯头、阀门等管路附件，并使吸入管长最短2.合理确定几何安装高度和倒灌高度303.采用诱导轮（类似轴流泵的叶轮）3.诱导轮叶片为螺旋形，叶片安装角仅10～12，叶片数目仅2～3片，而且轮毂直径小，因此流道宽而长，流通面积大，抗汽蚀性能好；液体通过诱导轮升压后流入主叶轮，提高了主叶轮的有效汽蚀余量。对H-qv性能曲线的影响不大，增压和预旋作用相互制约和抵消。•c值可达3000以上。目前国内的凝结水泵一般都装有诱导轮。314.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，前置叶轮有2～3个叶片，呈斜流形，与诱导轮相比，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