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離心泵氣蝕的主要原因分析

文章出處:責任編輯:人氣:-发表时间:2017-09-08 09:31【

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:所輸送流體的純淨度、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)纯净度(所含固体颗粒物浓度)的影响  流体中所含固体杂质越多,将导致气蚀核子的数量增多。从而加速气蚀的发生与发展。
  (2)pH值和电解质浓度的影响  输送极性介质的离心泵(如一般的水泵)与输送非极性介质的离心泵(输送苯、烷烃等有机物的泵),其气蚀机理是不同的。输送极性介质的离心泵的气蚀损伤可能包括机械作用、化学腐蚀(与流体PH值有关)、电化学腐蚀(与流体电解质浓度有关);而输送非极性介质的离心泵的气蚀损伤可能只有机械作用。
  (3)气体溶解度的影响  国外研究表明流体内溶解的气体含量对气蚀核子的产生与发展起到促进作用。
  (4)气化压力的影响  研究表明随着气化压力的增高,气蚀损伤先升高后降低。因为随着气化压力的升高,流体内形成的不稳定气泡核的数量也不断升高,从而引起气泡破裂数量的增多,冲击波强度增大,气蚀率上升。但如果气化压力继续增大,使气泡数增加到一定限度,气泡群形成一种“层间隔”的作用,阻止了冲击波行进,削弱其强度,气蚀的破坏程度反而会逐渐降低。
  (5)温度的影响  在流体中温度的改变将导致气化压力、气体溶解度、表面张力等其他影响气蚀的物理性质出现较大改变。由此可见,温度对气蚀的影响机制较为复杂,需结合实际情况进行判断。
  (6)表面张力的影响  当其他因素保持不变,降低流体表面张力可以减少气蚀损伤。因为随着流体表面张力的减小,气泡溃灭所产生冲击波的强度减弱,气蚀速率降低。
  (7)液体黏度的影响  流体黏度越大,流速越低,达到高压区的气泡数越少,气泡破灭所产生冲击波的强度就减小。同时,流体黏度越大,对冲击波削弱也越大。因此,流体的黏度越低,气蚀损伤越严重。
  (8)液体的可压缩性和密度的影响  随着流体密度的增加,可压缩性降低,气蚀损失增加。
  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爲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産生影響,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材质的叶轮为例,气蚀会造成叶轮材料的加工硬化和相变诱发马氏体钢,这种变化将反过来阻止材料的进一步气蚀。而加工硬化和相变诱发马氏体钢的抗气蚀性主要依赖于叶轮材质的硬度。
  (2)加工硬化与抗疲劳性能  材料加工硬化指数越高,抗疲劳性能越好,则材料抗气蚀性能越好。
  (3)晶体结构的影响  在其他条件确定的情况下,抗气蚀率是显微结构的函数。在立方晶系中,由于体心立方晶格的金属具有较高的应变速率敏感性,当应变速率上升时,会引起快速的穿晶脆性断裂和解理断裂,并导致点蚀形成,从而产生较大的磨蚀率。对于密排六方晶格的金属,当接近于理想的轴比且处于气蚀环境时,六个滑移系全部开动,迅速转变成稳定态FCC,吸收气蚀应力所做的功,使磨蚀率下降。对于面心立方晶格的金属,滑移系较多,在高应力作用下,将发生塑性流变。因此,孕育期长,磨蚀率降低。总之,在气蚀过程中,发生由BCC向HCP或FCC向HCP转变,都将提高抗气蚀性。
  (4) 晶粒大小的影响  叶轮所使用金属材料的晶粒尺寸越小,抗气蚀性能越好。因为金属的晶粒尺寸越小,细晶使晶界增多,位错滑移受阻,裂纹在扩展中受阻力增大,延长了磨蚀寿命。
  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爲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産生壓力損失。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爲二類: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爲合理,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;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,並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,對于葉片數的取值並沒有一個確定的、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佳範圍。
  (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毂直徑。
  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。並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(如下圖所示)。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優值,並不是沖角越大越好,應結合實際情況進行分析、選擇。

沖角Δβ對壓降系數λ2的影響
  2)葉輪進口直徑。在流量恒定的情況下,葉輪進口處液流的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佳值。當葉輪進口直徑小于此佳值時,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佳值之後,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速度的軸面分速度減小,從而改善離心泵的氣蝕特性,並且對離心泵的水力效率和容積效率影響較小。
  4)輪毂直徑。減小葉輪的輪毂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,從而産生一定的壓力損失。同時,由于在此過程中流體流動的方向由軸向變爲徑向,因轉彎處流場不均勻也會産生一部分壓力損失?梢娙~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。
  4.其他方面的影響:
  1.參數的相互影響
  到目前爲止,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,今後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,由于操作條件極爲複雜,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
  由于气蚀的机理非常复杂,影响离心泵气蚀的因素较多,且各种因素并不是孤立作用的,不同的影响因素之间存在相互作用、相互影响。因此在研究离心泵的气蚀性能时,应结合实际情况对影响泵气蚀的机理与因素进行通盘的考虑。近年来,随着CFD 技术的发展,通过对离心泵内流场的数值模拟,为研究多种因素共同影响下的离心泵气蚀性能提供了新的手段。但目前,大多数离心泵气蚀CFD数值模拟仍局限于研究单一因素对泵气蚀性能的影响,接下来的研究应更多关注不同因素间相互作用对离心泵抗气蚀性能的影响。


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