5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。41、形成：机械侵蚀化学腐蚀内向爆炸性冷凝冲击，微细射流→疲劳破坏汽泡溃灭→活性气体→凝结热→腐蚀性破坏电厂循环水泵叶轮汽蚀，工人正使用高分子钛合金涂料做叶轮涂层机械侵蚀化学腐蚀→点蚀蜂窝状汽蚀。7•CFD流体动力学计算程序模拟的气泡体积分数最大的位置。8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。9汽蚀的危害(3种)1、材料破坏，缩短泵的使用寿命。粗糙多孔→显微裂纹→蜂窝状或海绵状侵蚀→呈空洞。3、影响泵的运行性能。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（断裂工况，汽泡堵塞流道）；潜伏性汽蚀（易被忽视）。2、产生噪声和振动。若振动→汽蚀→振动→互相激励→汽蚀共振。10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11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标准大气压12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。wsSghgvHH2][][2——允许几何安装高度当qV=C时，Hg(Hs)存在HsmaxpsminpkpV时，泵内开始发生汽蚀。Hsmax值由制造厂用试验方法确定。为保证泵不发生汽蚀，把Hsmax减去一个安全量K，作为允许吸上真空高度而载入泵的产品样本中，并用[Hs]表示。14•[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）'[][](10.33)(0.24)SSambvHHHh15例4-3在海拔500m某地安装一台水泵，其输水量qV=135L/s，输送水温t=30℃，该泵样本上提供的允许吸上真空高度[Hs]=5.5m.吸水管内径d=250mm,设吸入管路总损失∑hs=0.878m.求[Hg]应为多少？的饱和蒸汽压强pV=4.2365kPa。查表得30℃水的密度=995.6㎏/m3。修正后的吸上真空高度为：24.033.10g][][ssVappHH)m(716.424.033.10806.96.9955.42361051.95.54【解】查表得海拔500m力时大气压强pa=9.51×104Pa，由附录Ⅳ查得水温为t=30℃时16又因为：)s/m(752.225.014.31013544232sdqAqVV)m(385.0806.92752.2g222s所以，泵的几何安装高度应为：)m(453.3878.0385.0716.4g2][][w2ssgghHHH泵的几何安装高度与吸上真空高度的确定问题只是影响泵工作性能的一个重要因素。那么，泵内汽蚀的产生还与那些因素有关？又如何防止呢？17第三节汽蚀余量△h•一、有效汽蚀余量△ha或[NPSH]a泵在运行中是否发生汽蚀和泵的吸入装置条件有关。按照吸入装置条件所确定的汽蚀余量称为有效汽蚀余量或称装置汽蚀余量，用△ha表示。由上式可知，有效汽蚀余量△ha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0•泵内流体汽蚀现象理论：液体汽化压强（pV）为初生汽蚀的临界压强。当泵内刚发生汽蚀时，必有：pspV。18△ha=f（吸水管路系统结构参数，流量），而与泵的结构无关，故又称为装置汽蚀余量；△ha越大，表明该泵防汽蚀的性能越好。（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19•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二、必需汽蚀余量△hr•另一种情况是，在完全相同的使用条件下某台泵发生了汽蚀，而换了另一种型号的泵，就可能不发生汽蚀，这说明泵在运行中是否发生汽蚀和泵本身的汽蚀性能也有关。由泵本身的汽蚀性能所确定的汽蚀余量称为必须汽蚀余量或泵的汽蚀余量，用△hr表示。20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。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。△hr=f(泵吸入室和叶轮进口结构参数,流速),即△hr只与泵的结构有关，而与吸入管路无关，故又称之为泵的汽蚀余量。△hr越小，表明该泵防汽蚀的性能越好，由泵制造厂通过试验测出。利用伯努利方程可以推得：21•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。当qV≥qVC时，即△hr≥△ha，泵内将产生汽蚀。水温tpVNPSHa但流量不能太小：冲角hwNPSHr汽蚀区非汽蚀区△Hr-qV△Ha-qVH-qVqVHNPSHOqVCC运行时的最大允许流量和最小允许流量。因此，应规定出泵22•△hc由汽蚀试验求得，为了保证泵不发生汽蚀，厂家提供的产品样本中的[△h]，加上一个安全量，为：[△h]=1.1～1.3△hc或[△h]=△hc+K△hr-qV△ha-qV[△h]-qVH-qV汽蚀区非汽蚀区KqVH△hOqVCC设计点A233、[△h]与[Hg]的关系所不同是：使用前者不需要进行修正，只要把使用地点条件下的参数值直接代入即可。w2ssgg2][][hHH上式与意义。比较，两者具有相同的实用在式wgeaghHpphV可得计算泵允许几何安装高度的另一表达式：中,[Hg]Hgweg][g][hhppHV[△h]△ha24汽蚀余量NPSH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,26【解】[△h]=△hc+0.3=2+0.3=2.3（m）查表得40℃的水相对应的饱和蒸汽压强为pV=7374Pa，则）（m65.25.03.2806.999273748829][g][weghhppHV【例】有一单吸单级离心泵，流量qV=68m3/h，△hc=2m，从封闭容器中抽送温度为40℃清水，容器中液面压强为8.829kPa，吸入管路阻力为0.5m，试求该泵的允许几何安装高度是多少？已知水在40℃时的密度为992㎏/m3。计算结果[Hg]为负值,故该泵的叶轮进口中心应在容器液面以下2.65m。27第四节汽蚀相似定律与汽蚀比转数•问题的提出：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，对几何相似的泵，在相似的运行工况下，其必需汽蚀余量如何换算？由于△hr是因流速变化及流动损失所引起的，并正比于流量的平方，则汽蚀相似定律为：211mmpprmrpnDnDhh28第四节汽蚀相似定律与汽蚀比转数•实践表明：由于尺寸效应以及转速效应的影响，会引起必需汽蚀余量的换算误差，资料推荐换算时的转速差在±25%的范围内为宜。•nD1直观的反映了泵叶轮入口外缘处的圆周速度u，实际上既反映了泵的能量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