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離心泵氣蝕的主要原因分析

時間:2016-05-18 15:42:15  來源:  作者:

    影響離心泵汽蝕的因素是設計與使用離心泵所必須考慮的問題,近年來國內外對其進行了大量的研究。但由于研究的側重點不同,且大多都是針對影響離心泵汽蝕的某一參數進行的研究,造成研究成果較為分散,且部分觀點之間相互矛盾。本文綜合國內外大量文獻,對離心泵汽蝕影響因素的相關研究結果進行比較、分析,得出目前較為全面的影響離心泵汽蝕的主要因素。qJe氣化網

1.流體物理特性方面的影響
  流體物理特性對離心泵氣蝕的影響主要包括:所輸送流體的純凈度、pH值和電解質濃度、溶解氣體量、溫度、運動黏度、汽化壓力及熱力學性質。
(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越多,將導致氣蝕核子的數量增多。從而加速氣蝕的發生與發展。
(2)pH值和電解質濃度的影響 輸送極性介質的離心泵(如一般的水泵)與輸送非極性介質的離心泵(輸送苯、烷烴等有機物的泵),其氣蝕機理是不同的。輸送極性介質的離心泵的氣蝕損傷可能包括機械作用、化學腐蝕(與流體PH值有關)、電化學腐蝕(與流體電解質濃度有關);而輸送非極性介質的離心泵的氣蝕損傷可能只有機械作用。
(3)氣體溶解度的影響 國外研究表明流體內溶解的氣體含量對氣蝕核子的產生與發展起到促進作用。
(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。因為隨著氣化壓力的升高,流體內形成的不穩定氣泡核的數量也不斷升高,從而引起氣泡破裂數量的增多,沖擊波強度增大,氣蝕率上升。但如果氣化壓力繼續增大,使氣泡數增加到一定限度,氣泡群形成一種“層間隔”的作用,阻止了沖擊波行進,削弱其強度,氣蝕的破壞程度反而會逐漸降低。
(5)溫度的影響 在流體中溫度的改變將導致氣化壓力、氣體溶解度、表面張力等其他影響氣蝕的物理性質出現較大改變。由此可見,溫度對氣蝕的影響機制較為復雜,需結合實際情況進行判斷。
(6)表面張力的影響 當其他因素保持不變,降低流體表面張力可以減少氣蝕損傷。因為隨著流體表面張力的減小,氣泡潰滅所產生沖擊波的強度減弱,氣蝕速率降低。
(7)液體黏度的影響 流體黏度越大,流速越低,達到高壓區的氣泡數越少,氣泡破滅所產生沖擊波的強度就減小。同時,流體黏度越大,對沖擊波削弱也越大。因此,流體的黏度越低,氣蝕損傷越嚴重。
(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.過流部件材質特性方面的影響
  由于泵的氣蝕損傷主要體現為對過流部件材質的損壞。因此,過流部件的材料性能也將在一定程度上對離心泵的氣蝕產生影響,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材質的葉輪為例,氣蝕會造成葉輪材料的加工硬化和相變誘發馬氏體鋼,這種變化將反過來阻止材料的進一步氣蝕。而加工硬化和相變誘發馬氏體鋼的抗氣蝕性主要依賴于葉輪材質的硬度。
(2)加工硬化與抗疲勞性能 材料加工硬化指數越高,抗疲勞性能越好,則材料抗氣蝕性能越好。
(3)晶體結構的影響 在其他條件確定的情況下,抗氣蝕率是顯微結構的函數。在立方晶系中,由于體心立方晶格的金屬具有較高的應變速率敏感性,當應變速率上升時,會引起快速的穿晶脆性斷裂和解理斷裂,并導致點蝕形成,從而產生較大的磨蝕率。對于密排六方晶格的金屬,當接近于理想的軸比且處于氣蝕環境時,六個滑移系全部開動,迅速轉變成穩定態FCC,吸收氣蝕應力所做的功(公眾號:泵管家),使磨蝕率下降。對于面心立方晶格的金屬,滑移系較多,在高應力作用下,將發生塑性流變。因此,孕育期長,磨蝕率降低。總之,在氣蝕過程中,發生由BCC向HCP或FCC向HCP轉變,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。因為金屬的晶粒尺寸越小,細晶使晶界增多,位錯滑移受阻,裂紋在擴展中受阻力增大,延長了磨蝕壽命。
3.離心泵結構設計方面的影響
  在離心泵結構設計方面對泵氣蝕特性起主要影響的可以分為泵體設計和葉輪設計兩個方面。研究表明影響離心泵氣蝕性能的直接因素是葉輪進口的局部流動均勻性,因此葉輪結構設計比泵體的設計對離心泵氣蝕的影響大,是主要影響因素。
(1)葉輪結構對離心泵氣蝕性能的影響
離心泵葉輪結構對泵的氣蝕性能有著重要的影響,合理的葉輪結構可以改善泵的氣蝕性能。
1)葉片進口厚度。葉片的排擠作用使得進口處流體速度增加而產生壓力損失。選擇較小的葉片進口厚度,可以減少葉片對液流的沖擊,增大葉片進口處的過流面積,減少葉片的排擠,從而降低葉片進口的絕對速度和相對速度,提高泵的抗氣蝕性能。
2)葉輪進口流道表面粗糙度。離心泵的葉輪進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加工與非加工過渡棱等),另一類是沿整個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在液流中引起額外的沖擊和漩渦,因此沿整個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,其氣蝕發生的危險性要小得多。由此可見,對粗糙流道的表面,尤其是存在孤立粗糙突體的表面,進行必要的打磨是提高離心泵抗氣蝕性能的有效措施。
3)葉片進口喉部面積。葉片進口的喉部面積對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,即使葉片進口處過流面積與葉輪進口斷面面積之比設計的較為合理,但仍舊很可能無法達到理想的氣蝕性能。葉輪葉片進口喉部面積過小,將導致葉片進口液流的絕對速度增大,從而造成離心泵抗氣蝕性能下降。
4)葉片數。離心泵葉輪內葉片的數量對于泵的揚程、效率、氣蝕性能都有較大影響。固然,采用較少的葉輪葉片數量能減少的摩擦面,制造簡單,但是它對流體的導向作用卻變差了(公眾號:泵管家);而采用較多的葉片數可以減少葉片負荷,改善初生氣蝕特性,但是葉片數過多會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,致使機泵氣蝕性能變差。因此,在選擇葉輪葉片數時,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度,以保證液流的穩定性和葉片對液體的充分作用。目前,對于葉片數的取值并沒有一個確定的、公認的規則。但大量的研究表明,針對具體的離心泵設計,應用CFD流場數值模擬的方法可以有效的確定葉輪葉片數的最佳范圍。
(2)葉輪吸入口參數對離心泵氣蝕性能的影響
  葉輪吸入口參數即決定葉輪葉片進口面積的相關結構參數,其包括:葉片進口沖角、葉輪進口直徑、葉片進口流道寬度以及輪轂直徑。
離心泵汽蝕的原因分析
1)葉片進口沖角Δβ一般取正沖角(3°~10°)。由于采用正沖角,增大了葉片進口角,從而能夠有效減小葉片的彎曲,增大葉片進口過流面積,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,進口相對液流角增大,采用正沖角可以避免泵在大流量下運轉時出現負沖角,造成λ2急劇上升。大量研究表明增大葉片進口角,保持正沖角,能提高泵的抗氣蝕性能,而且對效率影響不大。但沖角的選擇對離心泵的抗氣蝕性能則存在一個最優值,并不是沖角越大越好,應結合實際情況進行分析、選擇。
2)葉輪進口直徑。在流量恒定的情況下,葉輪進口處液流的絕對速度和相對速度都是吸入管徑的函數。因此,對于提高離心泵的抗氣蝕特性,葉輪進口直徑存在一個最佳值。當葉輪進口直徑小于此最佳值時,隨著葉輪直徑的增大,進口處的流速減小,離心泵氣蝕性能不斷提高。但當葉輪直徑的取值超過最佳值之后,對于給定流量來說,隨著進口直徑的增大,在葉輪進口部分將形成停滯區和反向流,使離心泵氣蝕性能逐漸惡化。
3)葉片進口流道寬度。在離心泵的工況不變的情況下,增大葉片進口處流道的寬度會使液流絕對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增大葉輪流道的實際進口面積,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。流體在流經離心泵吸入口至葉輪進口處時,由于流道收縮,流體流速增加,從而產生一定的壓力損失。同時,由于在此過程中流體流動的方向由軸向變為徑向,因轉彎處流場不均勻也會產生一部分壓力損失。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彎處流速的變化,使流速均勻平穩,改善離心泵氣蝕性能。
其他方面的影響:
1.參數的相互影響
  到目前為止,對離心泵氣蝕影響因素的研究都只是針對某個參數進行的,對各個參數間的相互影響則很少研究。但結構參數的影響是一個統一的整體,它們是互相制約、互相影響的,今后的研究應該向綜合影響因素方向發展。
2.離心泵的運行工況
  離心泵在實際使用過程中,由于操作條件極為復雜,泵入口流量、壓力隨之不斷改變。因此,離心泵的實際工況往往與實驗、設計的工況存在較大的偏差。其發生氣蝕的可能遠遠超出實驗的預計。
小結
  由于氣蝕的機理非常復雜,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,應結合實際情況對影響泵氣蝕的機理與因素進行通盤的考慮。近年來,隨著CFD 技術的發展,通過對離心泵內流場的數值模擬,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,大多數離心泵氣蝕CFD數值模擬仍局限于研究單一因素對泵氣蝕性能的影響,接下來的研究應更多關注不同因素間相互作用對離心泵抗氣蝕性能的影響。
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