高速部分流泵汽蝕的成因及防護對策

龍慧斌 孟晶晶

[摘 要]汽蝕是高速部分流泵研究當中目前急需解決的關鍵性問題之一，本文通過分析發(fā)現(xiàn)高速部分流泵進口結構參數(shù)、泵前吸水管路系統(tǒng)設計不合理，以及泵過流部件制造材料抗汽蝕性能不強是汽蝕產(chǎn)生的主要原因，提出了一系列具體的汽蝕防護對策，如優(yōu)化泵進口結構設計參數(shù)、合理布置泵吸水管路系統(tǒng)、提高泵制造材料抗汽蝕性能，可為延長高速部分流泵使用壽命、提高其運行效益提供借鑒。

[關鍵詞]部分流泵;汽蝕;成因;防護對策

[中圖分類號]TH311 [文獻標識碼]A

部分流泵又稱為切線泵、桑達依泵或巴斯克泵，當其轉(zhuǎn)速超過3600 r/min時，通常又稱之為高速泵，其葉輪通常為開式徑向直葉片葉輪，蝸殼為環(huán)形，屬于流量小揚程高的低比轉(zhuǎn)速泵。因部分流泵在小流量高揚程工況運行時，與普通的離心泵相比，具有單級揚程高、運行效率好、結構簡單緊湊、維護方便、工作可靠、壽命長、揚程曲線平坦等優(yōu)點，目前廣泛應用于航空航天、石油化工、消防等領域，已成為多級普通離心泵的有力競爭者。但因高速部分流泵轉(zhuǎn)速高，泵內(nèi)高速流體水力損失大，極易出現(xiàn)汽蝕現(xiàn)象，造成泵運行時振動強、噪聲大、性能下降，嚴重時甚至會導致泵的過流部件穿孔，維修成本增大。因此，開展高速部分流泵汽蝕成因的探究，提出一套行之有效的防護對策就顯得尤為重要。

1 高速部分流泵內(nèi)汽蝕現(xiàn)象及其危害

1.1 泵的汽蝕現(xiàn)象

部分流泵高速運轉(zhuǎn)時，流體壓力從入口管至葉片進口處逐漸下降，并在葉片入口附近降至最低，隨后由于葉輪對流體做功，壓力逐漸回升。當葉片入口附近的流體壓力最低值低于相應溫度的汽化壓力時，流體便會汽化，產(chǎn)生氣泡。當氣泡流經(jīng)葉輪高壓區(qū)時，高壓流體使得氣泡急劇縮小以至破裂。氣泡破裂的同時，周圍流體質(zhì)點以非常高的速度填充空穴，并以非常高的沖擊頻率擊打金屬表面，瞬時沖擊應力大且沖擊頻率高，久而久之，泵內(nèi)過流部件就會嚴重受損甚至破壞，此過程即為泵的汽蝕現(xiàn)象。

1.2 汽蝕對高速部分流泵的危害

當高速部分流泵發(fā)生汽蝕后，隨著時間的推移，將對泵的正常運行造成明顯的危害，主要表現(xiàn)在以下三個方面：

1.2.1 產(chǎn)生振動和噪聲。當汽蝕現(xiàn)象發(fā)生在泵內(nèi)，會因氣泡的破裂使得流體與流體之間、流體與過流部件之間發(fā)生撞擊，這種撞擊非常強烈，會產(chǎn)生很大的噪聲，嚴重時還會引起泵的強烈振動，這種振動將會對部分流泵的正常運行產(chǎn)生嚴重的影響，甚至會導致泵停止運行。

1.2.2 導致泵的性能下降。汽蝕對部分流泵性能的影響不是立刻產(chǎn)生的，在汽蝕發(fā)生的初期，部分流泵性能參數(shù)并無顯著變化，很難被發(fā)現(xiàn)。隨著時間的推移，汽蝕將會破壞泵的過流部件，另外大量產(chǎn)生的氣泡會對泵的過流通道產(chǎn)生一定的阻塞，高速部分流泵的流量、揚程、效率將會受到明顯的影響，從泵的性能曲線上看，會發(fā)現(xiàn)泵的性能明顯下降。

1.2.3 侵蝕破壞泵的過流部件。泵內(nèi)汽蝕一旦發(fā)生，將對過流通道的金屬表面產(chǎn)生機械撞擊及電化學腐蝕，這對過流部件會產(chǎn)生嚴重的危害，在汽蝕發(fā)生的初期，過流部件的金屬表面會出現(xiàn)麻點，隨著發(fā)生汽蝕時間的延長，過流部件的金屬表面損壞得會更嚴重，最后會導致過流部件穿孔，直至報廢。

2 高速部分流泵汽蝕形成的原因

2.1 泵進口結構參數(shù)設計不合理

當高速部分流泵前蓋板和葉輪兩者的進口附近結構參數(shù)設計不合理時，泵自身的進口吸入性能將嚴重變差，導致流體在葉輪進口附近流速較大，流動方向變化較快，流體與流道壁面的撞擊較強，流體水力損失較大，壓力下降較快，此時泵進口附近易發(fā)生汽蝕現(xiàn)象，即泵自身的抗汽蝕能力變差。泵進口結構參數(shù)設計不合理的情況一般包括：前蓋板進口段的曲率半徑較小;葉輪進口直徑較小;葉輪輪轂直徑選擇過大;葉片進口處厚度較大，且葉片進口處未打磨光滑未修圓;葉片入口邊寬度較窄且位置過于靠后;葉片進口形狀設計不當且葉片數(shù)設置偏多;對于某些要求具有高汽蝕性能的部分流泵，葉輪進口前未設置合理的增壓裝置。

2.2 泵吸水管路系統(tǒng)設計不合理

當高速部分流泵的吸水管路系統(tǒng)設計不當時，泵前吸水管路的水力特性變差，導致流體在進入泵前阻力損失過大，壓力不足，為泵內(nèi)進口附近發(fā)生汽蝕提供了條件。泵吸水管路系統(tǒng)設計不合理的情形一般包括：泵前貯液罐液面壓力不足;部分流泵作為吸上裝置泵時的安裝高度過大;吸水管路管徑較小、管程較長、安裝的彎頭及閥門等管件較多，導致吸入管路阻力損失過大。

2.3 泵制造材料抗汽蝕性能不強

當采用一般的金屬材料如鑄鐵制造高速部分流泵時，因泵的過流部件材質(zhì)強度、硬度、韌性及化學穩(wěn)定性不好，一旦泵內(nèi)發(fā)生汽蝕，過流部件金屬表面在高強度、高頻次的機械撞擊及電化學腐蝕作用下，時間一長，過流部件表面會出現(xiàn)麻點甚至穿孔，嚴重縮短泵的使用壽命。

3 高速部分流泵汽蝕的防護對策

3.1 優(yōu)化泵進口結構設計參數(shù)

適當增大葉輪前蓋板進口段圓弧曲率半徑，減小后蓋板曲率半徑，使流體在葉輪進口部分轉(zhuǎn)彎處緩慢流過，減緩流體急劇加速及降壓;適當減小輪轂直徑，加大葉輪進口直徑和葉片進口邊寬度，以此增大過流面積，減小葉輪進口流體流速，減少水力損失，減小流體壓降;適當減小葉片入口厚度，對葉片入口修圓，減小葉片進口對流體的沖擊，減小葉片入口排擠，增大過流面積，減小繞流葉片頭部的加速及壓降;對葉輪和葉片進口部分打磨，提高其表面光潔度，減少水力損失;將葉片入口邊向前適當延伸，使流體提前接受做功，提高其壓力;適當增大葉片進口角，采用正沖角設計，減小葉片入口處彎曲，減小葉片進口阻塞，增大進口過流面積，降低流速，減少流動損失;適當減少葉片數(shù)，減少葉片入口排擠，并選用扭曲葉型以適合流體入流方向，減少水力損失;采用長短葉片結構形式的葉輪，增加葉輪出口葉柵稠密度，提高葉片的導流作用，避免出口液流脫流，減少能量損失;在葉輪入口前加裝增壓裝置，如采用誘導輪、增壓泵及引射加壓裝置，以提高葉輪入口前流體壓力，避免汽蝕發(fā)生。

3.2 合理布置泵吸水管路系統(tǒng)

提高泵吸水管路系統(tǒng)抗汽蝕性能，關鍵在于提高泵入口前流體壓力，其主要措施有：適當增加泵前貯液罐液面壓力;選用吸入性能良好的喇叭管用作管路進水口，適當加大吸水管路的管徑，減小管中流體流速，盡量縮短管程，減少彎頭閥門等管件，避免用吸水管路閥門調(diào)節(jié)流量，及時清除入口過濾器雜物以免堵塞，以此減小泵前管路上的流動阻力損失;減小部分流泵作為吸上裝置泵時的安裝高度，有效減小泵的吸上真空度;將泵前管路系統(tǒng)由上吸裝置改成倒灌裝置，使吸液池液面高出泵安裝位置一定高度;當輸送流體接近飽和溫度時，可適當降低泵入口液流溫度。

3.3 提高泵制造材料抗汽蝕性能

當高速部分流泵內(nèi)汽蝕不可避免時，一方面可采用抗汽蝕性能強的材料如不銹鋼、合金鑄鐵及高鎳合金等來制造泵的過流部件，實踐表明，材料的強度越高、硬度越大、韌性越強、化學穩(wěn)定性越好、抗汽蝕性能越好，所以抗汽蝕材料可有效減緩汽蝕對過流部件的損傷;另一方面，可對采用一般材料如鑄鐵、鑄鋼來制造的過流部件進行表面防護處理，如化學涂層、表面化學熱處理及合金粉末噴焊等表面防護技術，以便提高過流部件表面的抗汽蝕、抗磨損性能?？蛊g材料及金屬表面防護技術的使用，可有效減緩汽蝕對過流部件的侵蝕，延長泵的使用壽命。

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