離心泵葉輪的汽蝕破壞及設(shè)計優(yōu)化

鄭州電力機(jī)械廠楊桂杰劉華威

離心泵葉輪的汽蝕破壞及設(shè)計優(yōu)化

鄭州電力機(jī)械廠楊桂杰劉華威

由于使用環(huán)境所限，水泵發(fā)生汽蝕不可能完全避免。本文中，筆者主要討論離心泵的汽蝕及相關(guān)問題。衡量泵性能的主要參數(shù)有流量Q、揚(yáng)程H、轉(zhuǎn)速n、汽蝕余量NPSHr及功率P和效率η。汽蝕對泵的安全穩(wěn)定運(yùn)行有著巨大的威脅，因此如何避免泵在運(yùn)行中出現(xiàn)汽蝕就成為水泵設(shè)計和運(yùn)行中的重點(diǎn)問題。

一、泵汽蝕現(xiàn)象

液體在泵過流部件內(nèi)流動的過程中，當(dāng)液體的絕對壓力低于當(dāng)時溫度下液體的汽化壓力時，液體開始汽化并伴隨著液體內(nèi)溶解的氣體的析出形成氣泡，氣泡隨液體流到葉輪流道壓力較高處時，氣泡周圍的高壓液體致使氣泡急劇地縮小以至破裂。在氣泡凝結(jié)破裂的同時，液體質(zhì)點(diǎn)以很高的速度填充空穴，在此瞬間產(chǎn)生很強(qiáng)烈的水擊作用，并以很高的沖擊頻率打擊金屬表面，沖擊應(yīng)力可達(dá)幾十個兆帕，沖擊頻率可達(dá)每秒幾萬次，水泵壁面在沖擊力反復(fù)作用下致使金屬表面因疲勞產(chǎn)生麻點(diǎn)和微小裂紋，繼而變成蜂窩狀，這種現(xiàn)象即為汽蝕。汽蝕破壞除具有機(jī)械力作用外，同時還伴有電解、化學(xué)腐蝕等作用，從而造成過流部件的早期破壞。（見圖1）

在水泵中產(chǎn)生氣泡和氣泡破裂使過流部件遭受到破壞的過程就是水泵的汽蝕過程。水泵發(fā)生汽蝕后使金屬表面產(chǎn)生麻點(diǎn)和微小裂紋并逐漸擴(kuò)大，削弱了葉片的強(qiáng)度，繼之產(chǎn)生破壞，從而對泵的安全運(yùn)行產(chǎn)生威脅。汽蝕除了對過流部件會產(chǎn)生破壞作用以外，還會產(chǎn)生噪聲和振動，并導(dǎo)致泵的性能下降，揚(yáng)程、效率降低，嚴(yán)重時會使泵中液體中斷，不能正常工作。

二、汽蝕對泵性能的影響及危害

1.影響泵的運(yùn)轉(zhuǎn)特性。當(dāng)氣泡受高壓水流擠壓，沖向氣泡中心時，由于很強(qiáng)的沖擊碰撞，產(chǎn)生劇烈的水錘使水泵的工作性能惡化。表現(xiàn)為流量-揚(yáng)程曲線和效率曲線的降低。在不同比轉(zhuǎn)速的泵內(nèi)，流量-揚(yáng)程曲線和效率曲線的降低程度是不一樣的。對于低比轉(zhuǎn)速的泵（ns＜105），由于其葉槽流道狹長，寬度較小，當(dāng)流量增加到開始發(fā)生汽蝕的工況點(diǎn)時，氣泡迅速占據(jù)槽道面積，甚至占據(jù)全部槽道，使水流的連續(xù)性遭到破壞，引起水流的阻斷，水泵的流量-揚(yáng)程曲線急劇下降，造成水泵的效率隨著降低；對于中、高比轉(zhuǎn)速的離心泵和混流泵（ns＞105），由于葉槽較寬，氣泡占據(jù)葉槽斷面的某一部分，因此出現(xiàn)流量-揚(yáng)程曲線較平坦的下降，效率的下降也較為緩慢，在達(dá)到突然斷裂工況之前，流量-揚(yáng)程曲線和效率曲線是逐漸降低的。

2.過流部件發(fā)生破壞。由于水錘的打擊作用，使泵過流部件的表面產(chǎn)生塑性變形和硬化，產(chǎn)生金屬疲勞現(xiàn)象。材料性質(zhì)變脆，產(chǎn)生剝蝕和裂紋，直接影響到葉輪、導(dǎo)葉等過流零件的強(qiáng)度。長時間作用而形成麻點(diǎn)，進(jìn)而形成裂隙，直到水泵的葉輪或泵殼被蝕壞，甚至形成斷裂現(xiàn)象。在汽蝕過程中還伴有“電蝕”、化學(xué)腐蝕等現(xiàn)象。水中含固體顆粒較多時，還伴隨著磨蝕的作用。

3.產(chǎn)生振動和噪音。發(fā)生汽蝕時，水流互相碰撞和擠壓，會產(chǎn)生劇烈的振動，造成泵組零部件的破壞。伴隨著強(qiáng)烈的水流沖擊，而產(chǎn)生噪聲，有時會產(chǎn)生嘯叫的噪音，危及泵站中運(yùn)行操作人員的健康。

三、泵汽蝕的類型

泵汽蝕一般可分為下列幾種類型。

1.葉型汽蝕。這是水泵普遍具有的汽蝕現(xiàn)象。是發(fā)生在葉片表面的汽蝕，汽蝕破壞區(qū)在水泵葉輪的葉片表面上，在正面和背面，稱為葉面型汽蝕（圖2）。主要是因?yàn)樗冒惭b過高或倒灌高度不夠，或流量偏離設(shè)計流量過大時產(chǎn)生的汽蝕現(xiàn)象。其空泡形成和潰滅多發(fā)生在葉片的正面和背面以及葉片的根部。

圖2 葉型汽蝕

離心泵在大流量時，葉面型汽蝕發(fā)生在1、4、3幾個部位，小流量時，發(fā)生在2、4、1幾個部位。軸流泵在大流量時葉面型汽蝕發(fā)生在葉片的正面，小流量時發(fā)生在葉片的背面。

2.間隙汽蝕。水泵在低負(fù)荷運(yùn)行時，當(dāng)水流流經(jīng)離心泵的回流槽等縫隙時，水流通過突然變窄的間隙，速度增加而壓強(qiáng)下降，也會產(chǎn)生汽蝕。在離心泵的密封環(huán)及葉輪外緣間隙處，亦會引起間隙汽蝕。

3.漩渦汽蝕。漩渦汽蝕是由于進(jìn)水裝置設(shè)計不當(dāng)，造成了水泵進(jìn)口處水流的紊亂和漩渦，產(chǎn)生了渦帶，把大量的氣體周期性地帶入水泵內(nèi)。即使在水泵葉片本身不產(chǎn)生葉面汽蝕的情況下，由于渦帶的產(chǎn)生也會在葉片低壓區(qū)產(chǎn)生周期性的強(qiáng)度很大的葉面汽蝕。當(dāng)漩渦的旋轉(zhuǎn)方向與水泵的旋轉(zhuǎn)方向相同時，使相對運(yùn)動削弱，流量減小、揚(yáng)程降低、效率下降、功率增加（軸流泵）或減少（離心泵），引起超載（軸流泵）或欠載（離心泵）；當(dāng)漩渦的旋轉(zhuǎn)方向與水泵的旋轉(zhuǎn)方向相反時，使相對運(yùn)動加強(qiáng)，流量增加、揚(yáng)程增高、效率下降、離心泵的功率增加或軸流泵的功率減少，引起超載（離心泵）或欠載（軸流泵）。

當(dāng)水泵產(chǎn)生汽蝕時，破壞葉輪，使水泵效率降低和出力不穩(wěn)。因此在運(yùn)行時應(yīng)盡量設(shè)法消除汽蝕。

四、優(yōu)化泵葉輪設(shè)計，提高泵抗汽蝕能力

泵汽蝕發(fā)生的條件是泵本身的汽蝕性能和吸入裝置條件兩方面決定的。欲不使泵汽蝕，必須增大裝置汽蝕余量NPSHa，減小泵汽蝕余量NPSHr。影響泵汽蝕余量的主要因素是泵葉輪進(jìn)口的幾何形狀，如葉輪進(jìn)口直徑Dj，葉片進(jìn)口安放角β1，葉片進(jìn)口邊的形狀、葉片數(shù)、葉輪進(jìn)口流道形狀等，因此提高泵的抗汽蝕性能必須從改進(jìn)泵入口的結(jié)構(gòu)參數(shù)入手。

從葉輪的設(shè)計上提高泵本身的抗汽蝕性能的主要措施有：取較大的葉輪進(jìn)口直徑Dj，但Dj太大，口環(huán)泄漏面積增加，容積效率下降；增加葉輪葉片進(jìn)口寬度b1，但泵的效率隨b1增加而下降；葉片進(jìn)口邊適當(dāng)向吸入口方向延伸并做成扭曲；修整葉片頭部，將葉片頭部背面修薄，在接近葉輪前蓋板處多修一些，使其接近流線型；葉片進(jìn)口采用正沖角，一般取3°～10°，過大影響效率，而且采用較小的葉片入口安放角β1，能降低必需汽蝕余量；提高葉輪進(jìn)口部分的光潔度；采用平衡孔；采用抗汽蝕性能好的材料。材料的強(qiáng)度、硬度、韌性越高，化學(xué)穩(wěn)定性越好，抗汽蝕的性能越強(qiáng)；采用雙吸葉輪；在葉輪前加裝誘導(dǎo)輪；增加前置泵。

五、預(yù)防泵汽蝕的其他措施

1.正確地確定水泵安裝高程。在設(shè)計泵站時，要使裝置汽蝕余量NPSHa大于泵的允許汽蝕余量NPSHr，并留有余量。減小泵的幾何吸上高度或增加幾何倒灌高度。同時，應(yīng)充分考慮進(jìn)水裝置可能遇到的各種工作情況，以便正確地確定安裝高程。

2.要有良好的進(jìn)水裝置條件。進(jìn)水裝置內(nèi)的水流要平穩(wěn)、均勻，不產(chǎn)生漩渦。泵入口如存在強(qiáng)力渦流，應(yīng)增加破渦板。泵站的進(jìn)水流道要設(shè)計合理，進(jìn)入葉輪的水流速度和壓強(qiáng)要接近正常分布，避免產(chǎn)生局部低壓區(qū)。

3.減少進(jìn)水管路水頭損失。盡量縮短進(jìn)水管路的長度，管道內(nèi)壁應(yīng)光滑和適當(dāng)加大水管的直徑，減小管路中的流速，減少彎管和閥門，盡量加大閥門開度等。

4.向汽蝕區(qū)注入空氣。在水泵進(jìn)水管內(nèi)，注入少量空氣，也是降低汽蝕磨損的方法之一。

5.調(diào)節(jié)水泵的運(yùn)行工況點(diǎn)。在水泵運(yùn)行過程中，利用調(diào)節(jié)水泵工況點(diǎn)的方法可以減輕汽蝕，對于離心泵適當(dāng)減少流量或降速運(yùn)行，使工況點(diǎn)向左移動，對于軸流泵可調(diào)節(jié)葉片安裝角，使工況點(diǎn)移到良好的水泵運(yùn)行工況，可以防止水泵振動產(chǎn)生汽蝕。