第四章 泵的汽蝕

1、第四章第四章 泵的汽蝕泵的汽蝕高明山東大學(xué)p水的物理特性：水和汽可以互相轉(zhuǎn)化，而溫度和壓力則是造成它們轉(zhuǎn)化的條件。p1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的水，溫度上升到100時(shí)，就開始汽化。但在高海拔地區(qū)呢？p如果水溫保持不變，壓力降低到某一數(shù)值時(shí)，水同樣也會(huì)發(fā)生汽化（pv）。p舉例：水溫為20時(shí)，其相應(yīng)的汽化壓力為2.4kpa。n泵內(nèi)的水在流動(dòng)過程中，某一局部地區(qū)的壓力等于或低于水溫所對(duì)應(yīng)的汽化壓力時(shí)，水就會(huì)在該處發(fā)生汽化。n由于汽泡中的氣體和蒸汽來不及在瞬間全部溶解和凝結(jié)，因此，在沖擊力的作用下又分成更小的汽泡，再被高壓水壓縮、凝結(jié)。如此形成多次反復(fù)。 n如果氣泡的破裂發(fā)生在流道附近，就會(huì)在流道表面形成某種強(qiáng)

2、度的高頻沖蝕。沖蝕形成的水擊壓力可高達(dá)幾百甚至上千Mpa，沖擊頻率每秒幾萬次。n流道材料表面在水擊壓力的反復(fù)作用下，形成疲勞而遭到破壞。從開始的點(diǎn)蝕到嚴(yán)重的蜂窩狀空洞，最后甚至把材料壁面蝕穿。通常把這種破壞現(xiàn)象稱為剝蝕通常把這種破壞現(xiàn)象稱為剝蝕。n由液體中逸出的氧氣等活性氣體，借助汽泡凝結(jié)時(shí)放出的熱量，也會(huì)對(duì)金屬起化學(xué)腐蝕（電化學(xué)腐蝕）作用。n這種汽泡的形成、發(fā)展和破裂以致材料受到破壞的全這種汽泡的形成、發(fā)展和破裂以致材料受到破壞的全部過程，稱為汽蝕。部過程，稱為汽蝕。汽蝕發(fā)生時(shí)，會(huì)出現(xiàn)噪聲和振動(dòng)。汽泡破裂和高速?zèng)_擊會(huì)引起嚴(yán)重的噪聲。由于其他來源的噪聲已相當(dāng)高，一般情況下，往往感覺不到汽蝕所產(chǎn)

3、生的噪聲。汽蝕過程本身是一種反復(fù)凝結(jié)、沖擊的過程，伴隨很大的脈動(dòng)力。如果這些脈動(dòng)力的某一頻率與設(shè)備的自然頻率相等，就會(huì)引起強(qiáng)烈的振動(dòng)。 汽蝕發(fā)生時(shí)，由于機(jī)械剝蝕與化學(xué)腐蝕的共同作用，致使材料受到破壞（下圖）。 汽蝕發(fā)展嚴(yán)重時(shí)，大量汽泡的存在會(huì)堵塞流道的截面，減少流體從葉輪獲得的能量，導(dǎo)致?lián)P程下降，效率也相應(yīng)降低。n泵的性能曲線有明顯的變化。這種變化，對(duì)于不同比轉(zhuǎn)數(shù)的泵情況不同。ns=70（1 1）安裝高度對(duì)汽蝕的影響）安裝高度對(duì)汽蝕的影響n當(dāng)幾何安裝高度為6m時(shí)，出水管閥門的開度只能開到曲線上黑點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的流量。如果繼續(xù)開大閥門，流量進(jìn)一步有所增加時(shí)，揚(yáng)程曲線則急劇下降，這表明汽蝕已經(jīng)達(dá)到使水泵

4、不能工作的嚴(yán)重程度。這一工況，稱為斷裂工況。n當(dāng)把幾何安裝高度從6m增加到7m時(shí)，斷裂工況就向流量小的方向偏移，qvH曲線上可以使用的運(yùn)行范圍就變窄；幾何安裝高度提高到8m時(shí)，斷裂工況偏向更小的流量，泵的使用范圍就更窄。 ns=690ns=70比轉(zhuǎn)數(shù)的影響比轉(zhuǎn)數(shù)的影響ns=150H H H qvqvqvqVHqVHqVHqV qV qV a 離心泵離心泵 b 混流泵混流泵 c 軸流泵軸流泵 不同比轉(zhuǎn)數(shù)泵受汽蝕影響性能曲線下降的形式不同比轉(zhuǎn)數(shù)泵受汽蝕影響性能曲線下降的形式（2 2）比轉(zhuǎn)數(shù)對(duì)汽蝕的影響）比轉(zhuǎn)數(shù)對(duì)汽蝕的影響n當(dāng)nsqvc時(shí)， hrha，有效汽蝕余量所提供的超過汽化壓力的富余能量不足以

5、克服泵入口部分的壓力降，此時(shí)，pkpv，泵內(nèi)發(fā)生汽蝕。qvc右邊為汽蝕區(qū)，左邊為安全區(qū)。n泵不發(fā)生汽蝕的條件：hrpv(1) 允許汽蝕余量允許汽蝕余量 h h h ha a = = h hr r = = h hc c h hc c為臨界汽蝕余量，由汽蝕試驗(yàn)求得，為保證泵不發(fā)生汽蝕，為臨界汽蝕余量，由汽蝕試驗(yàn)求得，為保證泵不發(fā)生汽蝕，h hc c 加一安全量，得允許汽蝕余量加一安全量，得允許汽蝕余量 h h ，通常取通常取 h h 為為： h h = = （1.1 1.1 1.3) 1.3) h hc c或或 h h = = h hc c + 0.30.5m+ 0.30.5m (2) 汽蝕余量汽

6、蝕余量 h h 和吸上真空高度和吸上真空高度HHs s 的關(guān)系的關(guān)系gpgvgphvssa22a b mssppHgg22abmvssappvHhggg因此：因此：發(fā)生汽蝕的臨界狀態(tài)為：發(fā)生汽蝕的臨界狀態(tài)為：h ha a = = h hr r = = h hc c此時(shí)對(duì)應(yīng)的吸上真空高度為此時(shí)對(duì)應(yīng)的吸上真空高度為Hsmax2max2abmvsscppvHhggg 均考慮安全量均考慮安全量K：22abmvssppvHhggg (3) (3)幾何安裝高度的確定幾何安裝高度的確定-h-h法法求出允許安裝高度：求出允許安裝高度：evagwpphHhggevgwppHhhgg 由有效汽蝕余量：由有效汽蝕余

7、量：或者寫成：或者寫成：0gvwHHHhh 22abmvssppvHhggg 倒灌高度的確定倒灌高度的確定evgwppHhhgg 當(dāng)時(shí)(泵吸入飽和水)， 允許安裝高度為負(fù)值，此時(shí)泵必需安裝在水面以下，允許安裝高度為負(fù)值，此時(shí)泵必需安裝在水面以下，即采用倒灌。即采用倒灌。事實(shí)上，很多情況下事實(shí)上，很多情況下(吸水水面的壓力低或水溫高等吸水水面的壓力低或水溫高等)，計(jì)算出的計(jì)算出的Hg0，均需要倒灌。均需要倒灌。特別注意：鍋爐給水泵以及其前置泵、啟動(dòng)給水泵、特別注意：鍋爐給水泵以及其前置泵、啟動(dòng)給水泵、凝結(jié)水泵、疏水泵等，輸送的都是飽和水，需合理確凝結(jié)水泵、疏水泵等，輸送的都是飽和水，需合理確定倒

8、灌高度。定倒灌高度。例：有一單級(jí)單吸離心泵，安裝在海拔高度500m的地方，吸入管路系統(tǒng)的有關(guān)參數(shù)為：內(nèi)徑d150mm，全長(zhǎng)L8m，管路沿程損失系數(shù)0.03，管路各局部損失系數(shù)之和=17.5。該泵額定流量為qv=64m3/h，樣本中給定的允許吸上真空高度為Hs=7m,利用該泵從大氣壓力下抽送溫度為40的清水。試求：該泵的允許幾何安裝高度是多少？若給出h=3m，則該泵的允許幾何安裝高度又是多少？（水在40時(shí)的飽和蒸汽壓力Hv=0.752mH2O,海拔500處的大氣壓為9.7mH2O）2244641.01/3.140.153600vsqvm sd221.010.0522 9.8svmg280.031

9、7.50.050.9550.152swvlhdgm 10.330.2479.7 10.330.240.7525.858ssambvHHHHm25.858 0.05 0.955 4.8532sgswvHHhmg解：解： 泵入口速度：泵入口速度：動(dòng)壓頭：動(dòng)壓頭：阻力損失：阻力損失：允許吸上真空高度修正：允許吸上真空高度修正：允許安裝高度：允許安裝高度：09.70.75230.9554.993gvwHHHhhm n例2：鍋爐給水泵前置泵工作條件如下：除氧器工作壓力1.066MPa(g), 進(jìn)水溫度172.3（飽和），轉(zhuǎn)速1450r/min，最大流量qv=690m3/h；吸入管路的有關(guān)參數(shù)為：內(nèi)徑d3

10、50mm，全長(zhǎng)L8m，管路沿程阻力系數(shù)0.05，各局部阻力系數(shù)之和10.5，求除氧器安裝高度。n解：從圖上查得最大流量qv=690m3/h下必需汽蝕余量hr3.9m，取K0.3m，取管路長(zhǎng)度8mrhh +K=3.9+0.3=4.2m 2244 6901.992/3.14 0.353600vsqvm sd2281.9920.0510.52.3620.352 9.81swvlhmdg泵入口速度：泵入口速度：阻力損失：阻力損失：04.2 2.36-6.56gvwHHHhhm 允許汽蝕余量：允許汽蝕余量：允許安裝高度：允許安裝高度：由于前置泵從除氧器吸入飽和水，由于前置泵從除氧器吸入飽和水，H0Hv

11、從除氧器水面到前置泵中心倒灌高度最小6.56m?？紤]負(fù)荷變化速度等因素，除氧器安裝高度應(yīng)更高。22seabmgswvppHHhgg22sgswvHHhg22sgswvHHhgevgwppHhhgg 0gvwHHHhh gwHhh 液面壓力液面壓力=大氣壓力大氣壓力修正修正 允許吸上真空高度允許吸上真空高度對(duì)飽和水而言對(duì)飽和水而言 n汽蝕相似定律汽蝕相似定律 22001222rvwhgg 原型和模型泵進(jìn)口部分幾何相似，工況相似時(shí)，則壓降系數(shù)相等，即：1p=1m，2p=2m，且1p=2p, 1m=2m由運(yùn)動(dòng)相似條件得汽蝕相似定律：222200112220011()()rppppprmmmmmhvw

12、uD nhvwuD n進(jìn)口幾何尺寸相似的泵，在相似工況下運(yùn)行，汽蝕余量之比等于葉輪進(jìn)口幾何尺寸的平方比和轉(zhuǎn)速的平方比的乘積。n對(duì)同一臺(tái)泵而言，由于尺寸相同，當(dāng)轉(zhuǎn)速變化時(shí)，汽蝕余量隨轉(zhuǎn)速的平方成正比關(guān)系變化，即。211rppprmmmhD nhD n n包括泵的性能參數(shù)及汽蝕性能參數(shù)在內(nèi)的綜合相似特征數(shù)，反應(yīng)汽蝕相似的性能，這個(gè)相似特征數(shù)稱為，用符號(hào)c表示345.62vrn qch34260vsrn qKg h34vrn qshn必需汽蝕余量hr小，汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù)c大，表示泵的汽蝕性能好。反之，則差。n汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù)的大小，可以反映泵抗汽蝕性能的好壞。但是，提高c值往往使泵的效率有所下降。n目前汽蝕比轉(zhuǎn)

13、數(shù)的大致范圍如下：345.62vrn qchn（l）汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù)和比轉(zhuǎn)數(shù)一樣，用最高效率點(diǎn)的n，qv，hr值計(jì)算。因此一般指最高效率點(diǎn)的汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù)。n（2）凡入口幾何相似的泵，在相似工況下運(yùn)行時(shí)，汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù)必然相等。與比轉(zhuǎn)數(shù)ns不同的是，只要求進(jìn)口部分幾何形狀和流動(dòng)相似。即使出口部分不相似，在相似工況下運(yùn)行時(shí)，其汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù)仍相等。n（3）汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù)公式中流量是以單吸為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)雙吸葉輪流量應(yīng)以 qv/2代入。n（4）汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù)c、吸入比轉(zhuǎn)數(shù)S和無因次汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù)Ks三者的性質(zhì)并無差別，物理意義相同。對(duì)于有因次汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù)C，由于各國(guó)使用單位不同需進(jìn)行換算。n（5）比轉(zhuǎn)數(shù)強(qiáng)調(diào)葉輪出口滿足相似，比轉(zhuǎn)數(shù)相等

14、，泵不一定相似n 汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù)強(qiáng)調(diào)葉輪進(jìn)口滿足相似，汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù)相等，泵不一定相似n比轉(zhuǎn)數(shù)和汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù)都相等，則泵是相似的。n例：某鍋爐給水泵型號(hào)為DG500-240,雙吸進(jìn)口,從除氧器吸入溫度為154的飽和水,水泵倒灌高度為25m,設(shè)吸入管路阻力損失3m,該泵汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù)C=950,轉(zhuǎn)速為6000r/min,問:該泵安裝高度是否合適?解：解：345.62vrn qch則：則：允許汽蝕余量：345.625.62 6000500/2/3600hr=9.354mc950hr=19.7mvn qh=hr+k=19.7+0.3=20m020 323gvwHHHhhm 允許安裝高度：由于水泵倒灌高度為25m，

15、大于要求的23m，所以安裝高度合適n提高泵本身得抗汽蝕性能，降低必需汽蝕余量n合理確定吸入裝置，提高有效汽蝕余量n加強(qiáng)運(yùn)行管理，使有效汽蝕余量大于必需汽蝕余量（1）降低葉輪入口部分流速（2）采用雙吸式葉輪（3）增加葉輪前蓋板轉(zhuǎn)彎處的曲率半徑（4）葉片進(jìn)口邊適當(dāng)加長(zhǎng)，及將葉片進(jìn)口邊向吸入方向延伸，并作成扭曲形（5）首級(jí)葉輪采用抗汽蝕性能好的材料（6）選擇適當(dāng)?shù)娜~片數(shù)和沖角（1）減少吸入管路流動(dòng)損失 加大吸入管直徑，減少管路附件（彎頭、閥門等），使吸入管長(zhǎng)最短。（2）合理確定幾何安裝高度，必要時(shí)采取倒灌evagwpphHhgg主葉輪前裝誘導(dǎo)輪，使液體通過誘導(dǎo)輪升壓后流入主葉輪，提高主葉輪的有效汽蝕

16、余量，改善了泵的汽蝕性能。誘導(dǎo)輪是一個(gè)類似軸流式的葉輪，螺旋形葉片，葉片安裝角小，取l0120，葉片數(shù)僅23片，輪轂直徑較小，因此流道寬而長(zhǎng)，本身具有良好的抗汽蝕性能。裝設(shè)誘導(dǎo)輪之后，c值可達(dá)3000以上。軸向尺寸增加，誘導(dǎo)輪與主葉輪配合不好，效率會(huì)下降。目前國(guó)內(nèi)的凝結(jié)水泵一般都裝有誘導(dǎo)輪。 n采用雙重翼葉輪雙重冀葉輪由前置葉輪和后置離心葉輪組成，前置葉輪有23個(gè)葉片、呈斜流形，與誘導(dǎo)輪相比，其主要優(yōu)點(diǎn)是軸向尺寸小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且不存在誘導(dǎo)輪與主葉輪配合不好，而導(dǎo)致效率下降的問題。雙重冀離心泵不會(huì)降低泵的性能，卻使泵的抗汽蝕性能大為改善。 n設(shè)置前置泵設(shè)置前置泵隨著單機(jī)容量的提高，鍋爐給水泵的水溫和轉(zhuǎn)速也隨之增加，則要求泵入口有更大的有效汽蝕余量。為此，除氧器的倒灌高度隨之增加。而除氧器裝置高度過高