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离心泵气蚀的主要原因分析2019-07-19
影响离心泵气蚀的因素是设计与使用离心泵所必须考虑的问题，近年来国内外对其进行了大量的研究。但由于研究的侧重点不同，且大多都是针对影响离心泵气蚀的某一参数进行的研究，造成研究成果较为分散，且部分观点之间相互矛盾。本文综合国内外大量文献，对离心泵气蚀影响因素的相关研究结果进行比较、分析，得出目前较为全面的影响离心泵气蚀的主要因素。
1.流体物理特性方面的影响
流体物理特性对离心泵气蚀的影响主要包括：所输送流体的纯净度、pH值和电解质浓度、溶解气体量、温度、运动黏度、汽化压力及热力学性质。
（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.过流部件材质特性方面的影响
由于泵的气蚀损伤主要体现为对过流部件材质的损坏。因此，过流部件的材料性能也将在一定程度上对离心泵的气蚀产生影响，采用抗气蚀性能良好的材料制造过流部件是减少离心泵气蚀影响的有效措施。
（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.离心泵结构设计方面的影响
在离心泵结构设计方面对泵气蚀特性起主要影响的可以分为泵体设计和叶轮设计两个方面。研究表明影响离心泵气蚀性能的直接因素是叶轮进口的局部流动均匀性，因此叶轮结构设计比泵体的设计对离心泵气蚀的影响大，是主要影响因素。
（1）叶轮结构对离心泵气蚀性能的影响
离心泵叶轮结构对泵的气蚀性能有着重要的影响，合理的叶轮结构可以改善泵的气蚀性能。
1）叶片进口厚度。叶片的排挤作用使得进口处流体速度增加而产生压力损失。选择较小的叶片进口厚度，可以减少叶片对液流的冲击，增大叶片进口处的过流面积，减少叶片的排挤，从而降低叶片进口的绝对速度和相对速度，提高泵的抗气蚀性能。
2）叶轮进口流道表面粗糙度。离心泵的叶轮进口流道的表面粗糙度可以分为二类：一类是孤立粗糙突体（如明显的突出流道表面的夹渣或明显的机加工与非加工过渡棱等），另一类是沿整个表面某一部份均匀分布的粗糙突体。研究表明孤立粗糙突体会在液流中引起额外的冲击和漩涡，因此沿整个表面均匀分布的粗糙突体与同样高度的孤立粗糙突体比较，其气蚀发生的危险性要小得多。由此可见，对粗糙流道的表面，尤其是存在孤立粗糙突体的表面，进行必要的打磨是提高离心泵抗气蚀性能的有效措施。
3）叶片进口喉部面积。叶片进口的喉部面积对离心泵气蚀性能的影响非常之大。如果叶片入口喉部面积较小，即使叶片进口处过流面积与叶轮进口断面面积之比设计的较为合理，但仍旧很可能无法达到理想的气蚀性能。叶轮叶片进口喉部面积过小，将导致叶片进口液流的绝对速度增大，从而造成离心泵抗气蚀性能下降。
4）叶片数。离心泵叶轮内叶片的数量对于泵的扬程、效率、气蚀性能都有较大影响。固然，采用较少的叶轮叶片数量能减少的摩擦面，制造简单，但是它对流体的导向作用却变差了；而采用较多的叶片数可以减少叶片负荷，改善初生气蚀特性，但是叶片数过多会造成排挤程度的增加，并使相邻叶片之间的宽度减小，从而容易形成汽泡群堵塞流道，致使机泵气蚀性能变差。因此，在选择叶轮叶片数时，一方面要尽量减少叶片的排挤与摩擦面，另一方面又要使叶道有足够的长度，以保证液流的稳定性和叶片对液体的充分作用。目前，对于叶片数的取值并没有一个确定的、公认的规则。但大量的研究表明，针对具体的离心泵设计，应用CFD流场数值模拟的方法可以有效的确定叶轮叶片数的最佳范围。
（2）叶轮吸入口参数对离心泵气蚀性能的影响
叶轮吸入口参数即决定叶轮叶片进口面积的相关结构参数，其包括：叶片进口冲角、叶轮进口直径、叶片进口流道宽度以及轮毂直径。
1）叶片进口冲角Δβ一般取正冲角（3°~10°）。由于采用正冲角，增大了叶片进口角，从而能够有效减小叶片的弯曲，增大叶片进口过流面积，减小叶片的排挤。这些因素都将减小v0和ω0，提高泵的抗气蚀性能。并且离心泵的流量增加时，进口相对液流角增大，采用正冲角可以避免泵在大流量下运转时出现负冲角，造成λ2急剧上升（如下图所示）。大量研究表明增大叶片进口角，保持正冲角，能提高泵的抗气蚀性能，而且对效率影响不大。但冲角的选择对离心泵的抗气蚀性能则存在一个最优值，并不是冲角越大越好，应结合实际情况进行分析、选择。
2）叶轮进口直径。在流量恒定的情况下，叶轮进口处液流的绝对速度和相对速度都是吸入管径的函数。因此，对于提高离心泵的抗气蚀特性，叶轮进口直径存在一个最佳值。当叶轮进口直径小于此最佳值时，随着叶轮直径的增大，进口处的流速减小，离心泵气蚀性能不断提高。但当叶轮直径的取值超过最佳值之后，对于给定流量来说，随着进口直径的增大，在叶轮进口部分将形成停滞区和反向流，使离心泵气蚀性能逐渐恶化。
3）叶片进口流道宽度。在离心泵的工况不变的情况下，增大叶片进口处流道的宽度会使液流绝对速度的轴面分速度减小，从而改善离心泵的气蚀特性，并且对离心泵的水力效率和容积效率影响较小。
4）轮毂直径。减小叶轮的轮毂直径会增大叶轮流道的实际进口面积，从而使离心泵的气蚀性能得到改善。
5）叶轮前盖板的曲率半径。流体在流经离心泵吸入口至叶轮进口处时，由于流道收缩，流体流速增加，从而产生一定的压力损失。同时，由于在此过程中流体流动的方向由轴向变为径向，因转弯处流场不均匀也会产生一部分压力损失。可见叶轮前盖板曲率半径的大小直接影响着压力损失的大小，进而影响着离心泵的气蚀特性。采用较大的曲率半径可减弱前盖处液流转弯处流速的变化，使流速均匀平稳，改善离心泵气蚀性能。
4.其他方面的影响：
1.参数的相互影响
到目前为止，对离心泵气蚀影响因素的研究都只是针对某个参数进行的，对各个参数间的相互影响则很少研究。但结构参数的影响是一个统一的整体，它们是互相制约、互相影响的，今后的研究应该向综合影响因素方向发展。
2.离心泵的运行工况
离心泵在实际使用过程中，由于操作条件极为复杂，泵入口流量、压力随之不断改变。因此，离心泵的实际工况往往与实验、设计的工况存在较大的偏差。其发生气蚀的可能远远超出实验的预计。
小结
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。