（流体机械及工程专业论文）小流量下离心泵低频汽蚀压力脉动数值模拟与试验研究.pdf

学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩 印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致，允许 论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国学位论 文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社将本 论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。论文的公布 ( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密口。 学位论文作者签名：付黥霞指导教师签名：锵 扫1 1 年b 月心日 l f 年6 月1 5 日 小流量下离心泵低频汽蚀压力脉动数值 模拟与试验研究 n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho n l o w - f r e q u e n c yc a v i t a t i o np r e s s u r ef l u c t u a t i o nf o r c e n t r i f u g a lp u m p su n d e rl o w f l o wr a t e s 姓 2 0 11 年6 月 江苏大学硕士学位论文 摘要 本文是在国家杰出青年基金项目“离心泵基础理论和节能关键技术研究 ( 5 0 8 2 5 9 0 2 ) 、“国家自然科学基金“离心泵内部非定常流动诱导振动和噪声机理研 究”( 5 0 9 7 9 0 3 4 ) 和江苏省自然基金“离心泵叶轮进出口回流生成机理及流动规律 ( b l q 0 0 9 2 1 8 ) 的资助下开展工作的。 离心泵广泛应用于国民经济的各个领域，随着科技发展和社会需要，越来越 朝高速小型化方向发展。当高速运转的水泵在小流量、低进口压力下运行时， 由于进口回流和旋涡的存在，进口管路和叶轮局部压力可能低于流体汽化压力， 即汽蚀系数降到它的临界值，因而初生汽蚀，进一步发展会形成强烈的低频汽蚀， 激发频率低强度大的压力脉动。本文对小流量下离心泵内部汽蚀流动进行了数值 模拟和实验研究，主要研究内容和成果有： 1 总结了汽蚀的主要类型，阐述了离心泵汽蚀问题的研究进展。初步分析了 小流量下离心泵低频汽蚀发生与离心泵进口回流的理论关系。 2 采用四种数值模拟方案，应用a n s y sc f x1 2 0 软件对离心泵内部流动进 行定常数值计算，同时将各方案的离心泵性能预测结果与试验进行对比。重点对 比分析了大流量和小流量工况下叶轮内部的速度和压力分布，初步揭示了方案二 ( 基于k s 湍流模型和以总压进口、质量流量出口为进出口边界) 对小流量工况 下离心泵全流道内流动分离较明显，对离心泵性能预测相对误差不大，初步认为 可将其定常计算结果作为定常汽蚀计算的初始值。 3 在离心泵定常数值模拟设置的基础上，通过加载汽蚀模型对其内部汽蚀流 动进行整机数值计算。揭示了各个流量下离心泵汽蚀时其内部流场特征，分析了 不同工况下离心泵的汽蚀性能。主要结论有： ( 1 ) 小流量工况下，随着汽蚀系数逐渐减小，叶轮流道静压和汽泡分布不均 匀，个别流道低压区和气穴长度存在先增大后减小再增大的变化规律；泵吸入管 流道内回流产生的漩涡逐渐减少至消失，流动趋于均匀，同时管道内有汽泡产生， 并有先增大后减少最后消失的变化规律。 ( 2 ) 设计流量下，随着汽蚀系数逐渐减少，叶片各流道静压和汽泡分布逐渐 趋于均匀对称；大流量时，汽蚀由初生、发展到严重的过程中，各叶片流道低压 小流量下离心泵低频汽蚀压力脉动数值模拟与试验研究 区和汽泡呈均匀对称分布：设计流量和大流量时，泵吸入管道内始终未见汽泡产 生。 ( 3 ) 随着进口总压不断降低，小流量时，汽蚀系数下降并出现震荡变化的规 律，设计流量和大流量时，汽蚀系数随着进口总压降低接近线性变化的关系。从 模型泵汽蚀性能曲线来看，小流量汽蚀时扬程突降前有一段先缓慢下降后上升再 下降的变化过程；大流量扬程先是缓慢下降，到一临界值发生突降。 4 首次在小流量工况下离心泵定常汽蚀计算的结果的基础上，考虑时间变化 对汽蚀的影响，进行非定常汽蚀计算。得到小流量工况下各叶轮流道汽泡分布随 时间交替变化情况，且分布极不对称；靠近叶轮进口和叶片吸力面处压力脉动具 有最明显的低频高幅特征。叶轮进口和叶片吸力面各点的汽蚀压力脉动主频范围 为3 3 8 h z 1 0 1 4 h z ，泵进口流道内各点压力脉动主频范围为0 2 4 h z 9 9 h z ；靠近 叶轮流道出口各点的压力脉动主频均为泵的转频4 8 3 h z 。 5 对模型离心泵进行汽蚀试验，验证非定常汽蚀数值模拟可靠性。试验结果 表明：0 4 q d 以下的流量范围都出现了汽泡脉动，汽泡脉动范围随流量减小变宽， 在接近零流量时，随着流体流动汽泡占据的空间越来越大，堵塞泵进口；泵吸入 管道内汽泡体积随时间出现先增大后减小再增大的变化；在小流量工况0 6 q d 以 下，低频信号( 低于2 0 h z ) 能量在整个进出口脉动信号占主要部分，此时应已发 生低频汽蚀。 关键词：离心泵；汽蚀；数值模拟；压力脉动；试验 江苏大学硕士学位论文 a bs t r a c t t h i sp a p e ri sap a r to ft h ep r o j e c t r e s e a r c ho nt h eb a s i ct h e o r ya n d e n e r g y - s a v i n gk e yt e c h n o l o g yf o rc e n t r i f u g a lp u m p s s u p p o r t e db yn a t i o n a l o u t s t a n d i n gy o u n gs c i e n t i s t sf u n do fc h i n a ( g r a n tn o 5 0 8 2 5 9 0 2 ) ，( g r a n tn o 5 0 9 7 9 0 3 4 ) ，t h ep r o j e c t “r e a s e a r c ho nu n s t e a d yf l o w - i n d u c e dv i b r a t i o na n dn o i s e d y n a m i cm e c h a n i s mi nc e n t r i f u g a lp u m p s s u p p o r t e db yn a t i o n a ls c i e n c ef o u n d a t i o n o fc h i n a ( g r a n tn o 5 0 9 7 9 0 3 4 ) a n dt h ep r o j e c t “g e n e r a t i o nm e c h a n i s ma n df l o w r e g u l a r i t y o fi n l e ta n do u t l e tr e c i r c u l a t i o no fc e n t r i f u g a lp u m p s s u p p o r t e db y n a t i o n a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fj i a n g s up r o v i n c e ( g r a n tn o b k 2 0 0 9 2l8 ) a c e n t r i f u g a lp u m pi sw i d e l ya p p l i e di nv a r i o u sf i e l d so fn a t i o n a le c o n o m y w i t h t h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，m o r ea n dm o r ec e n t r i f u g a lp u m p s a r e e x p e c t e dt ob eh i g h s p e e da n ds m a l l s c a l e w h e nt h ep u m pr u n n i n ga th i g i lr o t a t i n g s p e e da n dl o wi n l e tp r e s s u r ei nal o wf l o wr a t e s ，c a v i t a t i o ni n c e p t i o no c c u ra t i t s c r i t i c a lc a v i t a i t o nn u m b e rw h e r et h el o c a lp r e s s u r ed r o p sb e l o wt h el i q u i dv a p o r p r e s s u r ed u et ot h e t h ee x i s t e n c eo fi n l e tr e c i r c u l a t i o na n dv o r t e x t h eg e n e t a t e d c a v i t a t i o nb u b b l ew i l ls t i m u l a t et h e i n t e n s i t y a n d l o w f r e q u e n c yp r e s s u r e p u l s a t i o n t h i s u n s t a b l ep h e n o m e n o nc a nb ec a l l e dl o w - f r e q u e n c yc a v i t a t i o np r e s s u r e p u l s a t i o n t h ei n n e rc a v i t a t i n gf l o wn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c h o f c e n t r i f u g a lp u m p sw e r ec a r r i e do u t ，t h ei n n o v a t i v ea c h i e v e m e n t sa n di m p o r t a n t c o n c l u s i o n so b t a i n e da r e 弱f o l l o w s ： 1 m a i nc a v i t a t i o nt y p e sw e r er e v i e w e d t h er e s e a r c hp r o g r e s so fc a v i t a t i n gf l o w i nc e n t r i f u g a lp u m pw e r em a i n l ys u m m a r i z e d m e a n w h i l e ，t h et h e o r e t i c a lr e l a t i o n b e t w e e ni n l e tr e c i r c u l a t i o na n dl o w f r e q u e n c yc a v i t a t i o nd u r i n gp a r t l o a dc o n d i t i o ni n c e n t r i f u g a lp u m p sw a sp r e l i m i n a r i l ya n a l y z e d 2 f o u rd i f f e r e n tp l a n sw e r ep u tf o r w a r dt os i m u l a t et h e3 一ds t e a d yt u r b u l e n tf l o w i nac e n t r i f u g a lp u m pa n dp r e d i c tt h ep u m pp e r f o r m a n c e t h ep e r f o r m a n c et e s tw a s c a r r i e do u tt ov e r i f yt h ea c c u r a c yo ft h es i m u l a t i o n t h ev e l o c i t ya n dp r e s s u r e d i s t r i b u t i o ni n s i d et h ei m p e l l e ru n d e rl a r g ef l o wr a t ea n dl o wf l o wr a t ec o n d i t i o n sw e r e s p e c i f i c a l l yc o m p a r e d t h er e s u l to fn o 2p l a n ( u s i n gr - e t u r b u l e n c em o d e l ，t o t a l p r e s s u r ei n l e tb o u n d a r yc o n d i t i o na n dm a s sf l o wo u t l e tb o u n d a r yc o n d i t i o n ) s h o w e d t h a to b v i o u sf l o ws e p a r a t i o nc a nb eo b s e r v e di nt h ew h o l ef l o wf i e l do ft h ec e n t r i f u g a l p u m p c o m p a r e dw i t ht h ep e r f o r m a n c et e s t ，t h er e l a t i v ee r r o ro ft h i sp l a nw a st h e l l i 小流量下离心泵低频汽蚀压力脉动数值模拟与试验研究 m i n i m u m ，a sar e s u l t ，t h es t e a d ys i m u l a t i o nr e s u l to ft h i sp l a nw a su s e da si n i t i a lv a l u e o fs t e a d yc a v i t a t i o ns i m u l a t i o n 3 b a s e do f ft h es t e a d yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h ec a v i t a t i o nf l o wn u m e r i c a l s i m u l a t i o no fw h o l em a c h i n ew a sc a r r i e do u tt h r o u g ht h el o a d i n go fc a v i t a t i o nm o d e l t h ec a v i t a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h ei n t e r n a lf l o wf i e l dw e r ed i s c l o s e dp r e l i m i n a r i l y , a n dt h e c e n t r i f u g a lp u m pc a v i t a t i o np e r f o r m a n c ew a sa n a l y z e du n d e r d i f f e r e n t c o n d i t i o n s t h em a i nc o n c l u s i o n sa sf o l l o w s ： ( 1 ) a tl o wf l o wr a t e s ，a st h ec a v i t a t i o nc o e f f i c i e n tr e d u c e d ，t h es t a t i cp r e s s u r ea n d b u b b l ed i s t r i b u t i o nb e c a m en o n u n i f o r n l i ns o m ei n d i v i d u a lc h a n n e l s ，t h es i z e so fl o w p r e s s u r e a n dc a v i t a t i o nr e g i o nf i r s ti n c r e a s e ，t h e nd e c r e a s ea n dl a t e ri n c r e a s ea g a i n ；t h e s w i r lf l o wi n d u c e db yr e c i r c u l a t i o ni nt h es u c t i o np i p e g r a d u a l l y r e d u c e dt i l l d i s a p p e a r a n c e ，a sar e s u l t ，f l o wi nt h es u c t i o np i p et e n dt ob eu n i f o r m a tt h es a m et i m e ， b u b b l e sa p p e a r e di nt h es u c t i o np i p e ，t h eq u a n t i t yo fw h i c ha l s of i r s ti n c r e a s e s ，t h e n d e c r e a s e sa n dl a t e ri n c r e a s e s a g a i n t ( 2 ) a td e s i g nf l o wr a t e s ，t h es t a t i cp r e s s u r ea n db u b b l ed i s t r i b u t i o ni n s i d et h e c h a n n e l sb e c a m eu n i f o r ma n ds y m m e t r i ca st h ec a v i t a t i o nc o e f f i c i e n td e c r e a s e ；d u r i n g t h ep r o c e s so fi n c e p t i o n ，d e v e l o p m e n ta n ds e v e r i t yo ft h ec a v i t a t i o n ，t h el o wp r e s s u r e r e g i o na n db u b b l ew e r es y m m e t r i c a l l yd i s t r i b u t e di nt h ec h a n n e l su n d e rl a r g ef l o wr a t e c o n d i t i o n ；t h e r ew a sn ob u b b l ea p p e a r i n gi nt h es u c t i o np i p eu n d e rd e s i g na n dl a r g e f l o wr a t ec o n d i t i o n s ( 3 ) t h ec a v i t a t i o nc o e f f i c i e n tr e d u c e sw i t has h o c kc h a n g ea s t h ei n l e t t o t a l p r e s s u r ed e c r e a s e su n d e rl o wf l o wr a t ec o n d i t i o n ，w h i l eu n d e rd e s i g na n dl a r g ef l o w r a t ec o n d i t i o n st h ec a v i t a t i o nc o e f f i c i e n ta l m o s th a sal i n e a rr e l a t i o nw i t ht h ei n l e tt o t a l p r e s s u r e d e c r e a s e f r o mt h ec a v i t a t i o np e r f o r m a n c ec u r v eo ft h em o d e lp u m p ，a t e n d e n c yc o u l db ef o u n dt h a t u n d e rl o wf l o wr a t ec o n d i t i o nt h ep u m ph e a df i r s t g r a d u a l l yd e c l i n e dt h e nw e n tu pa n dd r o pb e f o r et h eh e a dp l u n g e ；u n d e rl a r g ef l o wr a t e c o n d i t i o nt h eh e a dg e n t l yd e c r e a s e da tf i r s ta n dp l u m m e t e da tac r i t i c a lp o i n t 4 af i r s ta n a l y s i so fs t e a d yc a v i t a t i o nf l o ww a so b t a i n e da tp a r t i a lf l o wr a t e ，a n d t h eu n s t e a d yc o n d i t i o n sw a st h e nc a l c u l a t e d a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h e v a p o rd i s t r i b u t i o no ft h ef l o wp a s s a g ei sa s y m m e t r i c a la n da l t e r n a t ew i t ht h et i m e t h e p r e s s u r ef l u c t u a t i o nn e a rt h ei n l e to fi m p e l l e ra n dt h eb l a d es u c t i o ns u r f a c eh a sa n o b v i o u sc h a r a c t e r i s t i co fl o wf r e q u e n c ya n dh i g ha m p l i t u d e t h ef l u c t u a t i o na tt h ei n l e t i sa l m o s ta b s o r b e db yt h ec h a n g eo fc a v i t yv o l u m ea n dt h er a n g eo fp r e s s u r ep u l s a t i o n f r e q u e n c yn e a rt h ei n l e to fi m p e l l e ra n dt h eb l a d es u c t i o ns u r f a c ei s3 3 8 h z - 1 0 1 4 h z ， 江苏大学硕士学位论文 t h ev a l u ei s0 2 4 i - i z 9 9 i - i za tt h ef l o wp a s s a g e ，w h i l et h ef l u c t u a t i o na tt h eo u t l e ti s n e a r l ye q u a lt ot h er o t a t i o n a lf r e q u e n c yo ft h ei m p e l l e r , w i t has m a l le f f e c to fc a v i t y v o l u m ec h a n g e 5 t h ec a v i t a t i o ne x p e r i m e n tw a sc a r r i e do u tt ov e r i 矽t h er e l i a b i l i t yo ft h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h er e s u l ts h o w st h a tb u b b l ep u l s a t i o no c c u r sw h e nt h ef l o wr a t e i sb e l o w0 4 q d ，t h er a n g eo fw h i c hw i l lb r o a d e na st h ef l o wr a t ed e c l i n e s i nt h ea l m o s t s h u t o f fc o n d i t i o n ，t h eb u b b l e se x p a n da n db l o c kt h ep u m pi n l e t ；t h eb u b b l ev o l u m e f n s ti n c r e a s e ，t h e nd e c r e a s ea n dl a t e ri n c r e a s ea g a i n ；w h e nt h ef l o wr a t ei sl e s st h a n 0 6 q d ，t h el o wf r e q u e n c ys i g n a le n e r g y ( 1 e s st h a n2 0 h z ) w i l lb ed o m i n a n ti nt h ew h o l e i n l e tp u l s a t i o ns i g n a le n e r g y , l o wf r e q u e n c yc a v i t a t i o ns h o u l do c c u ra tt h a tt i m e k e yw o r d s ：c e n t r i f u g a lp u m p ；c a v i t a t i o n ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；p r e s s u r ep u l s a t i o n ； e x p e r i m e n t v 小流量下离心泵低频汽蚀压力脉动数值模拟与 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 目录 1 1 课题研究目的和意义1 1 2 离心泵低频汽蚀压力脉动的基本理论2 1 2 1 汽蚀概念2 1 2 1 1 按汽蚀发展阶段分2 1 2 1 2 按水流情况分一2 1 2 1 3 按照汽蚀发生条件及气穴区的结构分类3 1 2 2 离心泵发生汽蚀条件的理论关系3 1 2 3 低频汽蚀现象发生机理5 1 3 国内外研究现状一7 1 4 本课题研究内容8 第二章离心泵内部流动全流道三维定常数值计算 1 0 2 1 概述1 0 2 2 三维几何造型及网格生成1 0 2 2 1 模型泵主要设计参数1 0 2 2 2 泵几何模型及计算网格1 1 2 3 控制方程1 2 2 3 1 连续性方程1 2 2 3 2 动量方程l3 2 4 湍流模型l3 2 4 1 标准k s 湍流模型。1 3 2 4 2s s t 湍流模型1 4 2 5 交界面设置l5 2 6 边界条件设置15 2 7 不同模拟方案模拟结果的分析1 6 2 7 1 不同工况下速度分布17 2 7 2 不同工况下的静压分布3 0 2 8 基于四种方案离心泵性能预测3 3 2 9 离心泵性能试验研究3 6 2 1 0 性能试验结果与各方案预测结果的对比一3 7 2 1 0 1 泵计算性能与试验对比3 7 2 1 0 2 相对误差分析3 9 2 1 0 本章小结一4 0 v n 小流量下离心泵低频汽蚀压力脉动数值模拟与试验研究 第三章离心泵内全流道三维定常汽蚀数值计算4 2 3 1 概j 鲞4 2 3 1 1 汽蚀模型4 2 3 1 2 离心泵汽蚀系数一4 4 3 2 全流道三维定常汽蚀数值计算结果分析4 5 3 2 1 不同流量不同进口总压时叶轮中截面上的压力分布4 6 3 2 2 不同流量不同进口总压时叶轮中截面上的相对速度分布5 0 3 2 3 不同流量不同进口总压时叶轮流道内汽泡分布5 3 3 2 4 不同工况时不同进口总压下泵内汽泡体积分数变化5 7 3 2 5 不同流量时在不同进口压力下泵内汽蚀系数值的变化6 0 3 2 6 模型离心泵汽蚀性能预测6 2 3 2 7 小流量时汽蚀系数变化对泵进口流动的影响6 4 3 2 7 1 不同进口总压下泵进口低压区压力的变化6 4 3 2 7 2 不同进口总压下进口至叶轮轴面截面相对速度矢量图6 6 3 2 7 3 不同进口总压下泵吸入管道速度流线图6 7 3 - 3 本章小结6 8 第四章离心泵全流道三维非定常汽蚀数值计算与试验研究 7 0 4 1 概述7 0 4 2 非定常汽蚀计算结果及分析7 l 4 2 1 计算模型设置7 1 4 2 2 不同汽蚀系数下离心泵内部汽泡随时间变化7 2 4 2 3 模型泵内的压力脉动分析7 4 4 3 模型离心泵的汽蚀实验8 8 4 3 1 试验目的和试验内容8 8 4 3 2 试验结果及其分析8 9 4 4 本章小结9 4 第五章总结与展望 5 1 研究总结9 6 5 2 研究展望9 8 参考文献。 致谢 9 9 1 0 4 攻读硕士学位期间参加的科研项目和发表的相关论文 1 0 5 一、参加的科研项目1 0 5 二、发表论文一1 0 5 v m 江苏大学硕士学位论文 1 1 课题研究目的和意义 第一章绪论 泵是把原动机的机械能转化为液体能量的机械。离心泵是应用最广泛的泵。 随着社会经济的发展，离心泵越来越广泛应用于航空航天、石油、化工、冶金及 轻工业等领域，且有着小型高速化的一种发展趋势。同时随着科学技术的发展， 各工程领域对泵汽蚀性能和在大范围工况工作的稳定性提出了更高要求【。 由于系统运行条件时常会发生变化，因此离心泵经常会运行在非设计工况下， 即在偏离设计工况的条件运行。高速运转的离心泵在小流量工况、低进口压力运 行时，叶轮入口会出现二次流动，即进口回流【2 一钉。回流范围随着流量减小而扩大， 并伴随着流量和压力的脉动，导致离心泵内部流动不稳定。在回流旋涡中心的低 压区，当局部压力低至流体汽化压力，即当汽蚀系数降到它的临界值时，会发生 初生汽蚀，进而由汽蚀而产生的气穴会激发出频率低、强度大的压力脉动，这种 脉动在相变界面的藕合作用下容易引起整个流体液相部分的脉动，即此时离心泵 中易发生不稳定低频汽蚀脉动现象【5 】。随着汽蚀不断发展，当汽蚀系数降到第一 次谐波频率与液相部分振荡频率相等时，就会引发汽蚀共振现象，严重时引起整 个泵产生振动与噪声及泵外特性发生变化，泵扬程和效率等会下降。周昌静等 6 】 研究发现，汽蚀初生时产生的低频压力脉动分量以及汽蚀引起的离心泵进口处原 有轴频压力脉动幅值的变化，都可以作为初生汽蚀的标志。当离心泵发生初生汽 蚀时，其进出口压力脉动信号中低频成份能量占总能量的比例会出现突然增大的 现象，因此也可以把这一特征作判别气蚀初生依据。由于低频压力脉动是汽蚀发 生的伴生现象【j 7 引，可以通过对泵进出口压力脉动信号进行时域、频域分析来判断 泵的气蚀初生。因此低频压力脉动是泵低频汽蚀的一个重要特征，可用来识别其 初生汽蚀，获得低频汽蚀产生的临界流量，这是低频汽蚀的研究趋势之一。 在实际工程中，小流量下低频汽蚀脉动已成为威胁离心泵安全稳定运行的一 个重要因素。根据日本透平机械协会调查发现，从1 9 7 6 至1 9 9 2 ，在所谓的“安 全区域”( 即有效汽蚀余量n p s h a n p s h r ) 条件下运行的水泵系统中出现了4 5 起因汽蚀引起水泵材料破损而影响系统工作的重大事故，且设计点流量( q d ) 和小 流量( o 5 蚴工况附近受汽蚀损伤的泵较多 9 j o 。长期以来，离心泵的众多破坏因 小流量下离心泵低频汽蚀压力脉动 素中，由于汽蚀引起的损坏占有相当大的比例； 换叶轮、泵室等部件，这需要耗用大量的人力、 每年因汽蚀损失报废的泵达1 0 以上，经济损失3 0 亿元以上【1 。因此汽蚀问题是 离心泵工程应用研究中的重点问题之一。 1 2 离心泵低频汽蚀压力脉动的基本理论 1 2 1 汽蚀概念 汽蚀又称空蚀，它是以液体为工作介质的水力机械中特有的物理现象。离心 泵在运转中，其流道内各处的压力是不相等的，当液体流至低压区时，若压力等 于或低于液体的汽化压力时，则液体就会发生汽化，进而会产生大量的汽泡。当 汽泡随液体运动至压力较高的区域时，汽泡发生溃灭。伴随着汽泡产生、发展和 溃灭以及对泵内过流壁面产生物理和化学作用的整个过程称为汽蚀。汽蚀有多种 类型，可以按以下几种情况分类： 1 2 1 1 按汽蚀发展阶段分 ( 1 ) 初生汽蚀 随着水流中压力的降低，当某一低压区的压力降低流体汽化压力时，水流中 开始出现不连续的阵发性的汽泡，即初生汽蚀。对离心泵而言，初生汽蚀对外特 性并无影响。 ( 2 ) 附体汽蚀 当水流低压区的压力继续降低，低压区范围扩大，汽泡便继续存在，成为发 展的汽蚀。但这时的范围仍不大，贴附在绕流体上，故称为附体汽蚀。 ( 3 ) 超汽蚀 随着水流中低压区的压力进一步降低，低压区的范围不断扩大，汽蚀区范围 也不断发展，最后汽泡区长度超过了绕流体的范围，形成了稳定的尾流，这时称 为超汽蚀u 2 1 。 1 2 1 2 按水流情况分 ( 1 ) 恒定流汽蚀 文丘里管喉部之后出现的汽蚀是常见的恒定流汽蚀的实例。当水流流经有局 部收缩的文丘里管时，若流量逐渐增加，当流速足够大时会使文丘里管喉部的压 2 江苏大学硕士学位论文 力降低至对应温度下水流的汽化压力时，将再次首先出现汽泡，发生初生汽蚀。 ( 2 ) 旋涡流汽蚀 旋涡流中心的低压区往往是产生汽蚀发生的根源。 ( 3 ) 静止流体中的汽蚀 高速运动的子弹射入水体，甚至射入人体，军舰发射的鱼雷，以及航天试验 中的水刹车等，均可在水体中产生低压区而引起汽蚀【1 3 】。 1 2 1 3 按照汽蚀发生条件及气穴区的结构分类 ( 1 ) 游移型汽蚀 在固体边界的附近的水中、水体内部的低压区、漩涡核心及紊动剪切的高紊 动区域内形成的单个的随水流一起运动的不稳定汽泡，当其流经至低压区时，尺 寸增大；当其运动到压强较高的区域，会迅速形成收缩、再膨胀( 再生) 、再收缩 的振荡过程，最后溃灭消失。 ( 2 ) 固定型汽蚀 当固体边壁面上的压力接近接近汽化压力时，该处的水流会发生局部汽化使 液体脱流而形成了固定型汽化的气穴腔。固定型气穴经过发育成长后，可自尾部 逆流回充，形成固定型气穴的溃灭，产生周期性循环过程。 ( 3 ) 游涡型汽蚀 在水翼的漩涡核中心的压力最低，所以在漩涡中心的流体可以首先发生汽化。 漩涡的汽蚀特性与漩涡的强度密切相关。 ( 4 ) 振荡型汽蚀 又称无主流汽蚀，一般发生在不流动的水中，由于受到潜没在水体中的物体 表面振动形成的一系列连续的高频压力脉动，从而造成气穴生成和溃灭【1 2 1 。 1 2 2 离心泵发生汽蚀条件的理论关系 一台泵在运转中发生了汽蚀，但在完全相同的条件下，换上另一台泵就可能 不发生汽蚀，这表明泵是否发生汽蚀和泵本身的抗汽蚀性能有关。反之，同一台 泵在某一条件下( 如吸上高度7 m ) 使用发生汽蚀，在改变使用条件( 吸上高度 5 m ) 则不发生汽蚀，这说明泵是否发生汽蚀还与使用条件有关。显然泵发生汽蚀 的条件是由泵本身和吸入装置两方面决定的。泵本身和吸入装置是既有区别又有 联系的两个部分。从结构上看，吸入装置是指吸入液面到泵进口( 指泵进口法兰 3 小流量下离心泵低频汽蚀压力脉动 处) 前的部分，泵进口以后一直到泵出口为泵本身。从流动方面来看，液体从吸 入装置流入泵内，但在二者中的流动情况又各不相同。故引出泵汽蚀余量 n p s h r ( 又称必须净正吸头) 和泵装置汽蚀余量n p s h a ( 又称有效的净正吸头) 来 推导泵发生汽蚀的理论关裂1 4 】【15 1 。 装置汽蚀余量是由泵的吸入装置提供给泵的有效利用，即泵的进口液体具有 的全水头减去汽化压力水头所剩的值。可见，n p s h a 值应永为正值，与泵装置的 参数有关，和泵本身无关。 pp n p s h a = 卫一z j k 一一k l ( 1 1 ) 式中，昂吸入液面的绝对压力，p a ； z o _ k 泵的吸上高度，m ； k k 吸入装置的全部水头损失，m ； 泵输送液体在一定温度对应的汽化压力，p a 。 本文里离心泵输送的流体为清水，在2 5 c 对应的饱和汽化压力为3 5 7 4 p a 。 泵汽蚀余量是由泵的内部流动决定的，表示泵进口部分的压力降，要求在泵 的入口处单位重量的液体具有超过汽化压力水头的富裕能量。 p 贼：竖+ a 堕( 1 - 2 ) 2 92 9 式中，箕叶片进口绝对水头，m ； l ；g z l 叶片进口相对水头，m ； 允叶片迸1 3 压降系数，可用叶轮进口压力最低点k 点和叶轮进口的相 对黻比值来表示：a = 叱 n p s h r 是由泵本身( 吸入室和叶轮进口的几何参数) 决定的。对既定的泵， 不管何种流体( 除粘性很大影响速度分布外) ，在一定流量和转速下，流过泵进 口，由于速度大小相同，故均具有相同的压力降，n p s h r 值相同，因而n p s h r 与液体性质无关。n p s h r 越小，说明压力降小，要求装置必须提供的装置汽蚀余 量小，因而泵的抗汽蚀性能强。 江苏大学硕士学位论文 泵发生汽蚀条件的关系可以由装置汽蚀余量和泵汽蚀余量之间的关系来表示， 即可得泵发生汽蚀条件的物理表达式，又称汽蚀基本方程式，如式( 1 - 3 ) 所示。 n p s h a + ( 旦一生) ：n p s h r ( 1 3 ) 。pgp g 式中，p k 是离心泵内压力最低点k 点处的压力，r 是泵内输送的液体在一定温 度下对应的汽化压力。 由泵的汽蚀方程式可以讨论泵发生汽蚀的理论关系： ( 1 ) n p s h a = n p s h r ，则p k 巩，离心泵临界汽蚀； ( 2 ) n p s h a p v ，离心泵无汽蚀。 由以上关系可看出心=