離心泵氣蝕的出現原因分析

影響離心泵氣蝕的因素是設計與(yu) 使用離心泵所必須考慮的問題，近年來國內(nei) 外對其進行了大量的研究。但由於(yu) 研究的側(ce) 重點不同，且大多都是針對影響離心泵氣蝕的某一參數進行的研究，造成研究成果較為(wei) 分散，且部分觀點之間相互矛盾。本文綜合國內(nei) 外大量文獻，對離心泵氣蝕影響因素的相關(guan) 研究結果進行比較、分析，得出目前較為(wei) 全麵的影響離心泵氣蝕的主要因素。

1、流體物理特性方麵的影響

流體(ti) 物理特性對離心泵氣蝕的影響主要包括：所輸送流體(ti) 的純淨度、pH值和電解質濃度、溶解氣體(ti) 量、溫度、運動黏度、汽化壓力及熱力學性質。

(1)純淨度(所含固體(ti) 顆粒物濃度)的影響 流體(ti) 中所含固體(ti) 雜質越多，將導致氣蝕核子的數量增多。從(cong) 而加速氣蝕的發生與(yu) 發展。

(2)pH值和電解質濃度的影響 輸送極性介質的離心泵(如一般的水泵)與(yu) 輸送非極性介質的離心泵(輸送苯、烷烴等有機物的泵)，其氣蝕機理是不同的。輸送極性介質的離心泵的氣蝕損傷(shang) 可能包括機械作用、化學腐蝕(與(yu) 流體(ti) PH值有關(guan) )、電化學腐蝕(與(yu) 流體(ti) 電解質濃度有關(guan) );而輸送非極性介質的離心泵的氣蝕損傷(shang) 可能隻有機械作用。

(3)氣體(ti) 溶解度的影響 國外研究表明流體(ti) 內(nei) 溶解的氣體(ti) 含量對氣蝕核子的產(chan) 生與(yu) 發展起到促進作用。

(4)氣化壓力的影響 研究表明隨著氣化壓力的增高，氣蝕損傷(shang) 先升高後降低。因為(wei) 隨著氣化壓力的升高，流體(ti) 內(nei) 形成的不穩定氣泡核的數量也不斷升高，從(cong) 而引起氣泡破裂數量的增多，衝(chong) 擊波強度增大，氣蝕率上升。但如果氣化壓力繼續增大，使氣泡數增加到一定限度，氣泡群形成一種“層間隔”的作用，阻止了衝(chong) 擊波行進，削弱其強度，氣蝕的破壞程度反而會(hui) 逐漸降低。

(5)溫度的影響 在流體(ti) 中溫度的改變將導致氣化壓力、氣體(ti) 溶解度、表麵張力等其他影響氣蝕的物理性質出現較大改變。由此可見，溫度對氣蝕的影響機製較為(wei) 複雜，需結合實際情況進行判斷。

(6)表麵張力的影響 當其他因素保持不變，降低流體(ti) 表麵張力可以減少氣蝕損傷(shang) 。因為(wei) 隨著流體(ti) 表麵張力的減小，氣泡潰滅所產(chan) 生衝(chong) 擊波的強度減弱，氣蝕速率降低。

(7)液體(ti) 黏度的影響 流體(ti) 黏度越大，流速越低，達到高壓區的氣泡數越少，氣泡破滅所產(chan) 生衝(chong) 擊波的強度就減小。同時，流體(ti) 黏度越大，對衝(chong) 擊波削弱也越大。因此，流體(ti) 的黏度越低，氣蝕損傷(shang) 越嚴(yan) 重。

(8)液體(ti) 的可壓縮性和密度的影響 隨著流體(ti) 密度的增加，可壓縮性降低，氣蝕損失增加。

2、過流部件材質特性方麵的影響

由於(yu) 泵的氣蝕損傷(shang) 主要體(ti) 現為(wei) 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產(chan) 生影響，采用抗氣蝕性能良好的材料製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材質的葉輪為(wei) 例，氣蝕會(hui) 造成葉輪材料的加工硬化和相變誘發馬氏體(ti) 鋼，這種變化將反過來阻止材料的進一步氣蝕。而加工硬化和相變誘發馬氏體(ti) 鋼的抗氣蝕性主要依賴於(yu) 葉輪材質的硬度。

(2)加工硬化與(yu) 抗疲勞性能 材料加工硬化指數越高，抗疲勞性能越好，則材料抗氣蝕性能越好。

(3)晶體(ti) 結構的影響 在其他條件確定的情況下，抗氣蝕率是顯微結構的函數。在立方晶係中，由於(yu) 體(ti) 心立方晶格的金屬具有較高的應變速率敏感性，當應變速率上升時，會(hui) 引起快速的穿晶脆性斷裂和解理斷裂，並導致點蝕形成，從(cong) 而產(chan) 生較大的磨蝕率。對於(yu) 密排六方晶格的金屬，當接近於(yu) 理想的軸比且處於(yu) 氣蝕環境時，六個(ge) 滑移係全部開動，迅速轉變成穩定態FCC，吸收氣蝕應力所做的功，使磨蝕率下降。對於(yu) 麵心立方晶格的金屬，滑移係較多，在高應力作用下，將發生塑性流變。因此，孕育期長，磨蝕率降低。總之，在氣蝕過程中，發生由BCC向HCP或FCC向HCP轉變，都將提高抗氣蝕性。

(4) 晶粒大小的影響 葉輪所使用金屬材料的晶粒尺寸越小，抗氣蝕性能越好。因為(wei) 金屬的晶粒尺寸越小，細晶使晶界增多，位錯滑移受阻，裂紋在擴展中受阻力增大，延長了磨蝕壽命。

3、離心泵結構設計方麵的影響

在離心泵結構設計方麵對泵氣蝕特性起主要影響的可以分為(wei) 泵體(ti) 設計和葉輪設計兩(liang) 個(ge) 方麵。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(ti) 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(ti) 速度增加而產(chan) 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衝(chong) 擊，增大葉片進口處的過流麵積，減少葉片的排擠，從(cong) 而降低葉片進口的絕對速度和相對速度，提高泵的抗氣蝕性能。

2)葉輪進口流道表麵粗糙度。離心泵的葉輪進口流道的表麵粗糙度可以分為(wei) 二類：一類是孤立粗糙突體(ti) (如明顯的突出流道表麵的夾渣或明顯的機加工與(yu) 非加工過渡棱等)，另一類是沿整個(ge) 表麵某一部份均勻分布的粗糙突體(ti) 。研究表明孤立粗糙突體(ti) 會(hui) 在液流中引起額外的衝(chong) 擊和漩渦，因此沿整個(ge) 表麵均勻分布的粗糙突體(ti) 與(yu) 同樣高度的孤立粗糙突體(ti) 比較，其氣蝕發生的危險性要小得多。由此可見，對粗糙流道的表麵，尤其是存在孤立粗糙突體(ti) 的表麵，進行必要的打磨是提高離心泵抗氣蝕性能的有效措施。

3)葉片進口喉部麵積。葉片進口的喉部麵積對離心泵氣蝕性能的影響非常之大。如果葉片入口喉部麵積較小，即使葉片進口處過流麵積與(yu) 葉輪進口斷麵麵積之比設計的較為(wei) 合理，但仍舊很可能無法達到理想的氣蝕性能。葉輪葉片進口喉部麵積過小，將導致葉片進口液流的絕對速度增大，從(cong) 而造成離心泵抗氣蝕性能下降。

4)葉片數。離心泵葉輪內(nei) 葉片的數量對於(yu) 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麵，製造簡單，但是它對流體(ti) 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(hui) 造成排擠程度的增加，並使相鄰葉片之間的寬度減小，從(cong) 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，一方麵要盡量減少葉片的排擠與(yu) 摩擦麵，另一方麵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(ti) 的充分作用。目前，對於(yu) 葉片數的取值並沒有一個(ge) 確定的、公認的規則。但大量的研究表明，針對具體(ti) 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最佳範圍。

(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(jue) 定葉輪葉片進口麵積的相關(guan) 結構參數，其包括：葉片進口衝(chong) 角、葉輪進口直徑、葉片進口流道寬度以及輪轂直徑。

1)葉片進口衝(chong) 角Δβ一般取正衝(chong) 角(3°~10°)。由於(yu) 采用正衝(chong) 角，增大了葉片進口角，從(cong) 而能夠有效減小葉片的彎曲，增大葉片進口過流麵積，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，采用正衝(chong) 角可以避免泵在大流量下運轉時出現負衝(chong) 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，保持正衝(chong) 角，能提高泵的抗氣蝕性能，而且對效率影響不大。但衝(chong) 角的選擇對離心泵的抗氣蝕性能則存在一個(ge) 最優(you) 值，並不是衝(chong) 角越大越好，應結合實際情況進行分析、選擇。

2)葉輪進口直徑。在流量恒定的情況下，葉輪進口處液流的絕對速度和相對速度都是吸入管徑的函數。因此，對於(yu) 提高離心泵的抗氣蝕特性，葉輪進口直徑存在一個(ge) 最佳值。當葉輪進口直徑小於(yu) 此最佳值時，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最佳值之後，對於(yu) 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(hui) 使液流絕對速度的軸麵分速度減小，從(cong) 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)輪轂直徑。減小葉輪的輪轂直徑會(hui) 增大葉輪流道的實際進口麵積，從(cong) 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(ti) 在流經離心泵吸入口至葉輪進口處時，由於(yu) 流道收縮，流體(ti) 流速增加，從(cong) 而產(chan) 生一定的壓力損失。同時，由於(yu) 在此過程中流體(ti) 流動的方向由軸向變為(wei) 徑向，因轉彎處流場不均勻也會(hui) 產(chan) 生一部分壓力損失。可見葉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。