泵葉輪氣蝕機理及防范措施
作者：泵 來源：葉輪 發(fā)布時間：2021-10-08
泵內(nèi)流道中，當(dāng)某處液體的壓強下降到等于或低于當(dāng)時液溫下相應(yīng)的汽化壓強時就會出現(xiàn)氣泡。氣泡中主要是蒸汽，但由于水中溶解有一定量的氣體，所以氣泡中除了蒸汽外，還夾有少量氣體。這種氣泡隨著水流流到高壓區(qū)時，蒸汽就重新凝結(jié)成水，氣泡逐漸變形而破裂。氣泡在壁面附近破裂時，產(chǎn)生很大的沖擊力，可以達(dá)到幾百大氣壓，甚至幾千大氣壓，使管道的材料遭受破壞。氣泡形成、增長，直到崩潰破裂以至造成材料侵蝕的過程稱為氣蝕[]。
一、氣蝕的機理主要有以下幾個方面：
（1）氣蝕核子理論。從工程觀點而言，認(rèn)為當(dāng)液體中某處的壓強下降到等于或低于當(dāng)時液溫下的汽化壓強時，就會形成氣泡，這就是氣蝕的初生。事實上，人們逐漸認(rèn)識到，隨著液體中所含雜質(zhì)的增多或減少，初生氣蝕可以在高于或低于汽化壓強的條件下產(chǎn)生。所謂雜質(zhì)，是指液體中含有的可溶和不可溶氣體，以及如灰塵之類的固體質(zhì)點，其中以不可溶氣體對氣蝕初生的影響大。不可溶氣體隱藏在水中雜質(zhì)的微小縫隙中，形成微小的氣泡，氣泡與液體間形成彎月形的交界面。當(dāng)液體中壓強降低，微小氣泡的體積擴大到超過縫隙的容積時，就在升力或流體動力的作用下與固體質(zhì)點脫離而形成所謂氣體核子。氣核的尺寸很小，只有幾微米，肉眼是不易觀察到的。當(dāng)液體中的壓強降低時，氣核就迅速生長成肉眼可見的氣泡。氣核較小時，液壓必須在低于汽化壓強時才能引起氣蝕，氣核較大時，則液體壓強大于汽化壓強時也可產(chǎn)生氣蝕。因此，氣蝕初生的壓強并不固定，而是取決于液體中氣核的大小和數(shù)量。
（2）黏性的影響。液體的黏度將使氣泡增長和崩潰的速度緩慢下來，即對黏性液體來說，增長和崩潰的時間要比非黏性液體大得多。因此，如果液體的黏性很大，而液體在壓強低于汽化壓強的負(fù)壓區(qū)停留的時間短，則由于氣泡的體積還來不及增長到足以改變液流結(jié)構(gòu)那樣大的尺寸，液流中的氣蝕現(xiàn)象就難以發(fā)生。事實上，泵的液體因黏性而改變流體動力學(xué)特性，而速度分布的改變將可能加大發(fā)生氣蝕的危險。
（3）表面張力的影響。氣泡表面把壓強分為氣泡外和氣泡內(nèi)兩部分，氣泡外側(cè)為液體壓強，氣泡內(nèi)部可設(shè)為汽化壓強。假定氣泡是球形的，于是，在氣泡表面張力作用下的平衡關(guān)系如下：
式中σ為表面張力；R0為氣泡的初始半徑。
由此可知，液體的表面張力越大，氣泡增長所需要的壓差Pv-P就越大，而氣泡崩潰所需的壓差卻越小。這意味著表面張力加快了崩潰速度，這樣，氣泡崩潰時的沖擊力將隨著表面張力的增大而增大。
應(yīng)該指出，只有在氣泡的尺寸很小時，表面張力的作用才是重要的，氣泡尺寸增大時，表面張力的影響就可忽略不計。一般來說，表面張力將阻礙氣蝕的發(fā)生，而在氣蝕已發(fā)生的情況下，則促使氣蝕更急速完成。
二、為研究方便，根據(jù)觀測到的氣泡形態(tài)，把氣蝕分為以下四種：
（1）移動氣蝕。是指由于單個瞬間氣泡或小的空穴所形成的氣蝕。這些氣泡在液體中形成，并隨液體流動而增長、收縮，以至崩潰。氣泡量多時，即呈云霧狀。
（2）固定氣蝕。是指附著在繞流體固定邊界上的氣穴所形成的氣蝕。固定氣蝕的氣穴與液體有光滑的分界面，分界面上往往可觀察到小的移動氣泡。
（3）旋渦氣蝕。是指在旋渦中心產(chǎn)生的氣泡，旋渦中心處的速度大、壓力低，易使液體汽化產(chǎn)生氣泡。旋渦氣蝕可以是移動型的，也可以是固定型的。軸流泵葉片端部會產(chǎn)生這種氣蝕。
（4）振動氣蝕。是指液體中因連續(xù)高振幅、高頻率的壓力波所形成的氣蝕。
固壁振動時，在液體中產(chǎn)生壓力脈動，振動達(dá)到一定強度后，將使液體壓強下降到引起振動氣蝕。此時在液體和固壁交界處將產(chǎn)生氣泡。內(nèi)燃機的氣缸套中可發(fā)生這種氣蝕，在泵中并不多見，但人們利用這種類型的氣蝕研制了磁致振動伸縮儀，用于研究材料抗氣蝕破壞的能力。
離心泵葉輪中經(jīng)常觀測到移動氣蝕和固定氣蝕。發(fā)生氣蝕時，會產(chǎn)生噪聲和振動。氣泡崩潰時，微細(xì)射流的高速沖擊將產(chǎn)生噪聲，在泵附近還將感到振動。在小型泵中，有時并不為人們所感知，這是因為周圍其他來源的噪聲把氣蝕噪聲掩蓋起來了。在抽水機站中，這種噪聲易于感知。因此，氣蝕噪聲的嚴(yán)重性往往取決于設(shè)備的情況，嚴(yán)重的氣蝕噪聲甚至像尖銳的呼嘯聲。
離心泵內(nèi)的氣蝕噪聲與氣蝕發(fā)展的情況有關(guān)。泵內(nèi)氣蝕初生時，由于氣泡崩潰時微細(xì)射流的沖擊作用而產(chǎn)生噪聲。隨著氣蝕的發(fā)展，噪聲的分貝數(shù)也逐級增大，其值在泵發(fā)生“斷裂”工況之前達(dá)到大。由于氣蝕的進(jìn)一步發(fā)展，液體中的氣泡增多而起到緩沖作用，所以噪聲在斷裂工況之前達(dá)到大后又很快降低，在斷裂工況時噪聲下降到小。一般來說，噪聲大時，氣蝕對材料的破壞作用也強烈，因此，氣蝕噪聲和材料破壞強烈的情況發(fā)生在斷裂工況之前。
三、防止氣蝕的主要措施：
（1）正確確定水泵的安裝高程。設(shè)計泵站時，應(yīng)使裝置氣蝕余量大于水泵的允許氣蝕余量，要充分考慮水泵裝置可能遇到的各種工況，以便正確地確定水泵的安裝高程。
（2）盡量減少吸水管路的水流損失。設(shè)計泵站時，可適當(dāng)增加吸水管直徑，縮短吸水管的長度，減少管路附件，通流部分?jǐn)嗝孀兓柿η笮?，提高管壁的光潔度?br />（3）具有良好的進(jìn)水條件。進(jìn)水池內(nèi)的水流要平穩(wěn)均勻，不產(chǎn)生旋渦。進(jìn)水流道設(shè)計要合理，使進(jìn)入葉輪的水流速度和壓力分布均勻，避免局部低壓區(qū)。
（4）調(diào)節(jié)工作點。在水泵運行過程中，可采用調(diào)節(jié)水泵工作點的方法減輕氣蝕，對于離心泵可以適當(dāng)減少流量，以減少△h（氣蝕余量）或增大Hs值（允許吸上真空高度）。
（5）降低水泵的工作轉(zhuǎn)速。降低水泵的工作轉(zhuǎn)速可以減輕氣蝕現(xiàn)象的程度。
（6）涂環(huán)氧樹脂。在容易發(fā)生氣蝕的部位涂一層環(huán)氧樹脂，可以提高葉輪表面的抗氣蝕性能，減輕葉輪表面被氣蝕破壞的程度。
消除了水泵的氣蝕現(xiàn)象，就能在一定程度上減少水泵振動。
