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离心泵汽蚀损伤机理的试验研究 摘要 离心式水泵在人类的生活中有着广泛的应用，作为通用机械的一种， 它还面临着向高速小型化方向的发展，然而，离心泵叶轮的汽蚀和由此 引起的汽蚀损伤问题一直困扰着我们。汽蚀使得水泵的扬程下降，效率 降低，振动噪音加剧，对系统的安全运行带来严重危害；汽蚀损伤能损 坏叶轮，甚至使设备报废，造成重大的损失。国内外的很多学者在汽蚀 机理、汽蚀损伤机理、材料抗汽蚀性、汽蚀预警等领域开展了广泛的研 究。但是，由于实际的水泵叶轮形状各异，运行工况经常变化，空泡形 态更是复杂多样。另外，不同形态的空泡对材料的损伤的危害程度也不 相同。因此，目前对于汽蚀和损伤机理的的研究仍处在试验性研究阶段。 本文的特色是在水泵叶轮中进行的汽蚀损伤试验，将空泡形态的研究和 汽蚀损伤相结合以找出两者之间的关联，这类研究国内很少开展，国外 的相关文献也没有一个结论性的研究成果。本文还深入考察了进口回流、 叶顶间隙和平衡孔等因素对汽蚀损伤和空泡形态的影响，这在以往国内 外的汽蚀研究领域都没有经过系统的研究。 本文试验叶轮为开式五个叶片的离心叶轮，它是由闭式叶轮经过切削 前盖板加工形成，加工时保持其它主要参数不变，开式叶轮的吸入盖和 吸水管用透明的有机玻璃制成。在离心泵汽蚀试验台上，对该叶轮进行 了水泵的一般性能试验、汽蚀性能试验，并用涂漆法进行汽蚀损伤试验。 我们将所有这些开式叶轮的试验结果与几何参数相当的闭式叶轮的研究 结果加以对比分析，总结出了开闭式叶轮在汽蚀性能、汽蚀损伤的一些 差异。利用频闪成像法，可以直观观察不同流量和不同进口压力下，旋 转叶轮内部的汽泡形态。通过对空泡形态随进口压力减小的发展过程， 弄清了汽蚀引起水泵性能下降的原因是流道进口喉部空泡的排挤效应。 损伤试验的同时我们研究了空泡的形态、分布和对应的损伤位置、范围， 得出了汽蚀空泡与损伤之间的对应关系，指出引起材料损伤的主要空泡 类型是不稳定的涡状空泡。研究中我们还发现，流道内的一些局部二次 汽蚀区域对叶轮汽蚀及损伤有很大的影响，我们对此调整了汽蚀情况下 水泵运行的流量，叶顶间隙的大小和平衡孔的分布，通过一系列的对比 试验对这些因素进行了详细的考察和研究。 本文的试验结果为在开式、闭式离心泵的汽蚀研究领域提供的许多有 价值的数据，尤其是系统地提出了进口回流、叶顶间隙和平衡孔对汽蚀 的影响，这为将来的深入研究开展奠定了基础。本文得出的结论对于水 泵设计和运行中如何降低汽蚀的影响具有一定的参考价值，为汽蚀损伤 的理论预估和数值模拟提供了有益的数据参考资料。 关键词：开式、闭式离心泵，空泡形态，汽蚀损伤，进口回流， 叶顶间隙，平衡孔 e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho n c a v i t a t i o ne r o s l 0 nm a c i l a n i s m i nc e n t m f u g a lp u m p a b s t r a c t a san o r m a lt y p eo fg e n e r a l m a c h i n e r y , c e n t r i f u g a lp u m pi sw i d e l yu s e di n h u m a nl i f e ，a n di ti ss t i l lu n d e r d e v e l o p i n g t oh i g h r a t ea n dm i n i a t u r i z a t i o n b u tc a v i t a t i o n a n dc a v i t a t i o ne r o s i o na r ea l w a y s b o t h e r i n gu s c a v i t a t i o ni np u m p c a l lm a k el o w e r p u m p s w a t e rh e a da n de f f i c i e n c y , i n t e n s i f yv i b r a t i o na n dn o i s e c a v i t a t i o nc a ne v e nb r e a kt h e i m p e l l e ra n d t h u sc a h s es e r i o u sf m a n c i a ll o s s m a n yi n v e s t i g a t i o n sa r ec a r r i e do u ti nt h i s f i e l dw h i c h m a i n l y f o c u so nc a v t a t i o nm e c h a n i s ma n d c a v i t a t i o n m e c h a n i s m ， a n t i c a v i t a t i o nm a t e r i a la n d p r o g n o s i so fc a v t a f i o n u n f o r t u n a t e l y , a st ot h ec a r v i t a t i o na n d i t se r o s i o nm e c h a n i s m ，t h e r ei sn od e f i n i t et h e o r y , f o rt h es a k eo f g r e a tv a r i o u s n e s sa m o n g f l o wf i e l do f c e n t r i f u g a li m p e l l e r , a n dt h ei n c o n s t a n c yo fc a v i t a t i o ns h a p e ，i na d d i t i o nw i t h m a n ya c c i d e n t a lf a c t o r si np u m p sr e a lp e r f o r m i n g t h es p e c i a l t yo ft h i st h e s i si st h a tw e c a r r y o u tb o t hc a v i t a t i o no b s e r v a t i o na n dc a v i t a t i o ne r o s i o nt e s to nc e n t r i f u g a l p u m p s r u n n i n gi nt a b w ea l s oi n v e s t i g a t e dt h ee f f e c to fi n l e tr e v e r s ef l o w , b l a d et i p g a pa n d b a l a n c i n g h o l et oc a v t a t i o n ，w h i c hh a v en o tb e e n e m p h a s i z e d i nf o r m a lr e s e a r c h t h et e s t e di m p e l l e ri sf i v e - b l a d e ，o p e nt y p e ，w h i c hi sm a c h i n e df r o mt h es a n l e p a r a m e t e r , c l o s e d t y p ei m p e l l e rb yc u t t i n gi t sf r o n tb o a r d t h eo p e ni m p e l l e r ss u n c t i o n b o a r da n di n l e tp i p ei nm a d ef r o mo r g a n i cg l a s s ，s ow ec a no b s e r v ec a v i t a t i o ns t a t e i nt h e c e n t r i f u g a lp u m pc a v i t a t i o nt e s ts y s t e m ，w ec a r r i e d o u tp u m pp e r f o r m a n c et e s t ，p u m p c a v i t a t i o np e r f o r m a n c et e s ta n dt h ec a v i t a t i o ne r o s i o nt e s tt h r o u g h p a i n t - d e n u d i n gm e t h o d t h er e s u l ta r ec o m p a r e dw i t ht h o s ef r o mc l o s e di m p e l l e rw i t ht h es a m ep a r a m e t e ra n d s o m ec o n c l u s i o nw e r ep r o p o s e d w ec a l lo b s e r v ec a v i t a t i o ns h a p ei nt h er o t a t i n gi m p e l l e r b yf l a s h i n gv e l o c i t ym e t e r d u r i n gc a v i t a t i o np e r f o r m a n c et e s t ，w eo b s e r v ea n dr e c o r dt h e p r o c e s s o fc a v i t a t i o nd e v e l o p m e n t ，a n df o u n dh o wc a v i t a t i o na f f e c tp u m p p e r f o r m a n c e w e i n v e s t i g a t e dt h ec a v i t a t i o nl o c a t i o n ，c a v i t a t i o ns h a p ea n dc a v i t a t i o nt y p ei nr e l a t i o nw i t h e r o s i o nl o c a t i o na n dr a n g e ，t h u sg o ts o m er u l e st h a tc o n n e c tc a v i t a t i o nw i t he r o s i o n w e a l s of o u n dt h a ti n l e tr e v e r s ef l o w , b l a d et i pg a pa n db a l a n c i n gh o l eh a v em u c he f f e c to n c a v i t a t i o n w ec a r r i e ds o m ec o m p a r a t i v et e s tu n d e rw h e nc h a n g e df l o wr a t ea n dm o d u l e d t i p g a p a n db a l a n c i n g h o l e f i n a l l y s o m ec o n c l u s i o n sa r e g i v e na b o u tt h e s e f a c t o r s a f f e c t i n gc a v i t a t i o n a l lt h er e s u l to ft h i st h e s i sp r o v i d em a n yv a l u a b l ed a t ao nt h ei n v e s t i g a t i o no f c a v i t a t i o ni nc e n t r i f u g a lp u m p ，e s p e c i a l l yp r o p o s i n gt h ee f f e c to fi n l e tr e v e r s ef l o w , b l a d e t i pg a pa n db a l a n c i n gh o l ee s t a b l i s h e dt h ef o u n d a t i o no f f u r t h e rr e s e a r c ho nt h e s ef a c t o r s ， t h ec o n c l u s i o n so ft h i st h e s i sc a na l s og u i d et h ed e s i g na n du s a g eo f c e n t r i f u g a lp u m pi n l o w e r i n g c a v i t a t i o na n de r o s i o n ，a n dc o u l db eu s e f u lr e f e r e n t i a ld a t af o rf u r t h e r c o m p u t a t i o n a la n a l y s i sa n d t h e o r e t i c a lp r e d i c t i o no f c a v i t a t i o ni np u m p k e y w o r d s ：e e n t d f u g a lp u m p ， i n l e tr e v e r s ef l o w , c a v i t a t i o np a t t e r n ，c a v i t a t i o ne r o s i o n ， b l a d e t i pg a p ，b a l a n c i n g h o l e 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密囱，在三年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名农专l 岛 指导教师签名：誓建 日期：另卯五# 弓月伪日日期：z m 嘧年岁月，矿日 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明弓l 用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：了子另嗨 日期：7 卯9 - 年弓月犀e t 上海交通大学硕士学位论文第一章概论 第一章概论 1 1 课题的意义 离心泵作为通用机械中水泵的一种常用类型，在人类社会中有着广泛的应用，无论 是在机器工业时代，还是未来数字时代的人类生活，都离不开泵。从涉及到国民经济 命脉的大型水利工程，如南水北调、三峡水电站，到关系到人民群众日常生活的饮水、 用水问题，从农业灌溉到排涝抢险救灾，它都发挥着举足轻重的作用。在各类电站中( 火 电站和核电站) ，更是需要不同种类的离心泵，即使在航空这样的高、精、尖领域，运 载火箭所需的液体燃料的传送也是采用离心泵。可以说只要有液体需要运输的地方， 就会有水泵的用武之地。水泵已经和国家的经济发展，社会的繁荣昌盛，人民的日常 生活紧紧地联系在一起。 然而，汽蚀问题一直困扰着我们，它会对水泵系统的安全运行带来严重危害。汽 蚀对泵所造成的影响主要有以下几种：( 1 ) 造成泵性能的下降。当叶轮流道内汽泡形 成过多而造成流道的堵塞时，水泵的扬程会立即下降，从而影响了泵的运行性能和效 率，汽蚀严重时甚至会出现“断裂工况”。( 2 ) 产生噪声和振动。在汽泡破裂时产生 的微细射流的高速冲击将形成噪声，同时泵壳和管路系统的还将感到振动，大大影响 水泵机组的运行稳定性。( 3 ) 对流道材料造成破坏。据悉9 4 年国内某一著名核电站设 备冷却系统中的水泵发生汽蚀损伤事故，强烈的汽蚀造成叶轮全部报废，该系统的设 计和设备全是从国外引进的，为此给国家造成了巨大的经济损失。 为了防止汽蚀引起扬程下降而丧失给水功能，一般将3 或1 扬程下降点作为水泵 的必需汽蚀余量( n p s i dr 来设计水泵的管道系统。但是，文献 2 列举了日本从1 9 7 6 年至1 9 9 2 年中，在所谓的“安全区域”即有效汽蚀余量( n p s h ) a ( n p s t t ) r 的条件下 运行的水泵系统中出现的4 5 起由于汽蚀引起水泵材料破损而影响系统工作的重大事 故。为此，从8 6 年起日本由透平机械协会、各大水泵企业和大学联合组织专题研究活 动，一直持续到现在，取得了一系列成果。根据他们的调查结果发现损伤的水泵有以 下几个特点：( 1 ) 比转数为4 7 到1 4 2 ；( 2 ) 叶轮眼部旋转速度为2 0 m s 左右； ( 3 ) ( n p s h ) a ( n p s h ) r 在三倍以内占7 5 ；( 4 ) 设计点流量q d 和小流量o 6 0 d 附近损伤 较多。此外，为了节约材料和能源，人们需要水泵朝小型化的方向发展。实现泵的小 型化的一个主要途径就是提高其转速，但转速提高容易使泵中发生汽蚀。可见，汽蚀 上海交通大学硕士学位论文 第一章概论 损伤严重阻碍了水泵的高速化发展，国际国内都急需弄清汽蚀对水泵材料损伤的机理 和损伤发生的预估。 1 2 离心泵汽蚀损伤的机理 12 。1 定义及分类 当泵的流道中局部地方液体压力低于该液体温度下的饱和蒸汽压时，液体就会汽 化，产生汽泡。汽泡中充满着蒸汽和低压下从水中析出来的气体，随着液体进入高压区 时，蒸汽就重新凝结而使汽泡破裂。在汽泡凝结的过程中，液流以极高的速度流向汽泡 中心，使瞬间局部压力急剧升高，形成水锤作用，使流道的材料遭到破坏。这就是离心 泵中的汽蚀损伤现象。6 0 年代以来则认为这种冲击波实际上就是微细射流。当汽泡因周 围液体压强的升高而收缩时，汽泡开始不稳定，并在收缩过程中变为非球形形状。汽泡 崩溃时，形成的微细射流才是固壁材料受到高压的原因。此时，射流速度可达1 2 0 m s ， 严重时将使材料呈蜂窝状的空洞。汽蚀时的汽泡所造成的冲击还会形成2 0 0 0 c 以上的高 温，出现电解现象而具有强烈的化学腐蚀作用。材料在机械作用和化学腐蚀的联合作用 下，很容易受到破坏。 如果按发生的阶段来分，汽蚀可以分为以下几个阶段：( 1 ) 初生汽蚀，用肉眼或其 他手段检测出汽泡的发生。肉眼观测时，一般认为见到约3 哪直径大小的汽泡时即为 初生汽蚀。对泵而言，初生汽蚀对外特性并无影响。( 2 ) 发展汽蚀，形成了一定尺寸 的空穴，从而改变流道表面的有效形状，并使液流的有效断面缩小，造成能量损失。 此时，泵的外特性曲线开始恶化。发展汽蚀严重时，泵的工况就“断裂”，通常把这种 状态称为泵的断裂工况。( 3 ) 消失汽蚀，压强上升，汽泡消失。 也有按空泡类型来分类的，将空泡分成以下几类：( 1 ) 层状空泡，这是一种较稳定 的空泡，它的破坏性较小，即使空泡量多，危险性也不大。( 2 ) 非定常的空泡，很不 稳定，其破坏性大，空泡团断裂后在下游发生破裂时也有破坏叶轮的危险。( 3 ) 泡沫 状空泡，它是由叶片头部表面的缺口，突起，加工不良所引起的，危害性较大。( 4 ) 旋涡状空泡，这种空泡旋涡的轴和液流平行的话，危害性就小，如果旋涡的轴和液流 垂直，危害性就大：这种空泡在主流中破裂时破坏性不大，但当涡的一端吸附在固体 表面破裂时危害性较大。 12 2 汽蚀的机理 ( 1 ) 汽蚀核子的理论 从工程观点而言，认为当液体中某处的压强下降到等于或低于当时液温下的汽化压 圭塑奎望奎兰堡主兰堡丝苎苎二童塑堡 强时，就会形成汽泡，这就是汽蚀的初生。事实上，人们逐渐认识到，随着液体中所含 杂质的多少，初生汽蚀可以在高于或低于汽化强度的条件下发生。所谓杂质，是液体 中含有的可溶和不可溶气体，以及如灰尘之类的固体质点，其中以不可溶气体对汽蚀 初生的影响最大。不可溶气体隐藏在水中杂质的微小缝隙中，形成微小的汽泡，汽泡 与液体之间形成弯月形的交界面。当液体中压强降低时，微小汽泡的体积扩大到超过 缝隙的容积时，就在流体动力的作用下与固体质点脱离而形成所谓气体核子。气核的 尺寸很小，只有几微米，肉眼是不易观察到的。当液体中的压强降低时，气核就迅速 生长为肉眼可见的汽泡。气核较小时，液压必须在低于汽化压强时才能引起汽蚀，气 核较大时，则液体压强大于汽化压强时也可发生汽蚀。因此，汽蚀初生的压强并不固 定，而是取决于液体中气核的大小和数量。1 9 7 5 年，有人用全息照相的光学方法测得 了这种气核，气核直径为7 到1 0 um 。对水进行加压处理，清除杂质和气体使之接近于 纯水时，就可承受更大的张应力，即在低于当时温度下的汽化强度时，仍不发生汽蚀。 ( 2 ) 粘性的影响 汽蚀现象与汽泡的形成，增长和崩溃有关。汽泡增长和崩溃的动力学显然与液体的 一些物理性质有关，并在很大程度上与粘度有关。液体的粘度将使汽泡增长和崩溃的 速度缓慢下来，即对粘性液体来说，增长和崩溃的时间要比非粘性液体时大得多。因 此，如果液体的粘性很大，而液体在压强低于汽化压强的负压力区停留的时间很短， 则由于汽泡的体积还来不及增长到足以改变液流结构那样大的尺寸，液流中的汽蚀现 象就难以发生。事实上，在泵内的液体，因改变了液体动力学特性而使速度分布改变， 将可能加大发生汽蚀的危险。 ( 3 ) 表面张力的影响 汽泡表面把压强分为汽泡外和汽泡内两部分，汽泡外侧为液体压强p ，汽泡内部可 设为汽化压强r 。假定汽泡是球形的，于是，在汽泡表面张力的作用下的平衡关系是 p ：r 一2o r o ，式中。为表面张力，r o 为汽泡的初始半径。 由此可知，液体的表面张力越大，汽泡增长所必需的压差p , - p 就越大，而汽泡崩 溃所需的压差却越小。这意味着表面张力加速了崩溃速度，这样，汽泡崩溃时的冲击力 将随着表面张力的增大而增大。 应该指出，只有在汽泡的尺寸很小时，表面张力的作用才是重要的，汽泡尺寸增 大时，表面张力的影响就可以忽略不计。一般来说，表面张力将阻碍汽蚀的发生，而在 汽蚀已发生的情况下，则促使汽蚀更剧烈的完成。 1 2 3汽蚀基本方程式 首先分析离心泵叶轮流道中汽蚀发生的条件。液体从叶轮进口到出口，压力因能 土塑奎望三! 三堂堡主兰垡堕苎兰二兰塑笙 量传递而有所增大，叶轮进口处的压力最低，事实上，由于叶片进口端液体绕流的作用， 泵内的最低压力点通常位于叶片进口端稍后的位置，且在进口边距轴线最远的半径处， 如图1 1 上的k 。点。这是因为k 。点处与进口边其他位置处相比，半径和圆周速度均较 大，因而相应的相对速度较大，使进口处的绕流压降也相应增大之故。此外，从轴面图 看，前盖板从轴向转为径向的圆角半径与后盖板处相比较小，因而流速大、压力低。因 此，k 。点应该是泵叶轮流道内的最低压力点，如果k ：点处液体的绝对压强等于汽化压 强p 。泵内就发生汽蚀，即pk l 。= p ，是泵发生汽蚀的条件。 设p 。和c 为泵进口法兰卜1 截面处的压强和速度。液体从卜l 截面流到k 1 。截面处 将发生压力降，该压力降由下列诸因素造成： ( 1 ) 该两截面之间的水力损失； ( 2 ) 因液流转弯而造成的绝对速度的不均匀； 由于卜1 截面处和叶片进口边前液体平均绝对速度改变。设叶片进口边前平均绝对速 度为c o ，卜l 处平均绝对速度为c ，则因速度改变引起的压降为( c 0 2 一c ，2 ) 2 9 ： 液流进入叶轮流道时，因叶片对液流的作用所引起的相对速度的分布不均匀，即 因叶片进口相对速度w 。的绕流所引起的压降为xw 0 2 z g ，其中x 为压降系数。 离心泵叶轮进口段的形状是多种多样的，对每个具体睛况来说，上述第( 1 ) 、( 2 ) 项的水力损失和因绝对速度不均匀造成的损失很难予以正确的估算。因此。在计算关系 式中常常不直接考虑这些因素，而在最后加以修正。 图l 一1 推导汽蚀基本方程式用图 f i g l 一1t h ef i gf o rd e d u c i n g t h ef u n c t i o no fc a v i t a t i o n 4 上海交通大学硕士学位论文 第一章概论 由此可知，从1 截面到k 截面之间，液流的最大压降为 pg - ( c o ”一c , 2 ) 2 9 + w 0 2 2 9( 1 1 ) 前面指出，k 。点处的压强在泵的整个流道中是最小的，而k 。截面处的压头为 p k - 。pg = p , pg 一k ，pg = p , pg 一( c 0 2 - c 。2 ) 2 9 一 w 0 2 2 9( 1 2 ) 考虑到p k 。= p ，是汽蚀发生的条件，因此，在式( 1 2 ) 中用p ，代替p k 。并经整 理后可得表示汽蚀发生条件的关系式为 p 。pg + c 1 2 2 9 p 。pg = mc 0 2 2 9 + w 。2 2 9 ( 1 3 ) 式中的系数m 是用以对上述压降诸因素中的第( 1 ) 、( 2 ) 项加以修正。 1 2 4泵的有效汽蚀余量和必需汽蚀余量 泵的有效汽蚀余量是指泵吸入口处单位重量液体所具有超过汽化压力的富裕量，用 ( n p s h ) a 表示。 ( n p s h ) 。= p 一pg + c 一2 2 9 p ，pg( 1 4 ) 也有把有效汽蚀余量理解为吸入液面上的压头在克服吸入管路中的流动损失后，并把 液流提高一定高度后，所剩余的超过汽化压头的能量。这样的话，有效汽蚀余量( n p s h ) a 还可以用下式表示 ( n p s h ) 。= p o pg - h h - p , pg( 1 4 ) 式中的p e pg 是水泵系统吸入液面上的压头，h 是液流被提到的高度，h w 是吸入管 路中的流动损失。 因此，有效汽蚀余量与泵进口法兰前的吸水管路系统的布置有关，与液体的性质有 关，雨与泵本身无关。当系统吸入液面上的压力和几何安装高度不变时，吸入管流动阻 力随泵的流量增大而增加，从而导致有效汽蚀余量减小，发生汽蚀的可能性增加。液体 的温度越高，相应的汽化压力也越大，有效汽蚀余量越小，发生汽蚀的可能性越大。 必需汽蚀余量( n p s h ) r 可用式( 1 3 ) 等号右侧的表达式来表示，即 ( n p s h ) r = m c o 。2 9 + f a 3 2 2 9( 1 5 ) 它和泵进口处的流动情况有关，它的大小取决于泵本身的设计和制造，而与吸入系 统的装置无关。它是液体进入泵后压头下降的程度，它只与叶轮进口处的运动参数有关。 除了要考虑热力学因素外，一般说来，( n p s h ) r 值与液体性质无关。( n p s h ) r 值的大小 标志着泵抗汽蚀性能的好坏，它的值越小，则泵的抗汽蚀性能越好，要求吸入系统提供 的( n p s h ) a 值越小。换而言之，在其他条件都相同的情况下，几何安装高度可以较高。 理论上，汽蚀发生的条件是( n p s h ) a _ ( n p s h ) r 。很明显，随着流量的不同，( n p s h ) r 的值是不同的。一般说来，必需汽蚀余量( n p s h ) r 还不可能用计算糟确得到，需要用试验 的方法来得到。在设计水泵时，人们一般把3 扬程下降点时的必需汽蚀余量( n p s h ) r 3 圭望銮望奎兰堡主堂垡堡茎塑二兰塑堡 作为设计的标准，就是使设计的水泵系统满足( n p s h ) a ( n p s h ) r 3 。而对于那些要求较高 的场合( 如核电厂，军舰等) ，则用汽蚀初生点时的必需汽蚀余量( n p s h ) r ( 初生) 作为设 计的标准，以保证系统不发生汽蚀。 1 3 国外的研究现状 从总体上来说，水泵汽蚀损伤的研究可以分为机理和应用两大方面的研究。目前， 研究的方法主要是试验。由于，水泵汽蚀损伤是一种与水泵形状、流量、进口压力、 运行时间等诸多因素有关的复杂现象，要想从流体力学，材料力学等方面为水泵汽蚀 损伤建立精确的数学模型，从而能够准确的预估损伤发生的部位和程度是很困难的。 1 3 1 汽蚀损伤机理方面的研究 在机理研究方面，人们首先需要掌握的是汽蚀损伤的形态，损伤部位，以及它 与各种因素如流速、流量、有效汽蚀余量( n p s h ) a 、运行时间、空气含量、汽蚀发展 阶段等和水泵叶轮自身材料，尺寸等因素的关系。 这方面的文献很多。n w k i n g 在文献 3 中论述了汽蚀损伤与流速、n p s h 、流 量的关系。他认为流速对汽蚀损伤的影响很大，损伤率( = 损伤深度时间) 与流速的 2 5 次方成正比；当工作流量为设计点流量的7 5 时吸力面的损伤最厉害，工作流量 为设计点流量的5 0 时吸力面的损伤最弱；在小流量时，n p s h 值越低，压力面上的损 伤越厉害。文献c 4 提到小流量时，时轮进口外周有回流，回流与正流边界有非常不 稳定的切向涡，其中心液体汽化形成空泡，这种涡状空泡有很强的损伤潜力，在叶片 压力面及叶片与前盖板根部有损伤。w k c h a r t ”1 甩涂层剥蚀法发现顺流时，即使运 行时间延长，油漆脱落面积不变，回流发生流量时油漆脱落面积随运行时间增加：损 伤量在汽蚀初生到扬程下降3 的( n p s h ) a 值的变化中有最大值和最小值。m r ，r a y a n 等专门研究了损伤量与时间的关系，他们发现当运行5 0 小时后损伤量急剧增加，而 运行1 0 0 小时之后损伤量变化不大。日本学者也作了这方面的研究，他们除了得到了 损伤量与运行时间，n p s h ，流量的关系曲线，还采用可视化方法，用高速摄影纪录下 了汽蚀空泡的形态。 在汽蚀发展的不同阶段，汽蚀空泡的形态不同，这对汽蚀损伤的影响很大。文 献 1 0 中将叶片上的损伤部位及面积与空泡相对于叶片的位置和形态作了对比得到 以下结论：汽蚀损伤与汽蚀种类有关；在汽蚀初生时无损伤或损伤面积很小；损伤位 置在汽泡下游的分部很广，表明汽泡为不规则破裂；层状空泡可保护叶片，但在汽蚀 下游有强烈损伤。 在机理研究中得到共识的有以下几个方面。 6 圭塑至望查兰堡主堂堡堕苎。 苎二! 塑兰 ( 1 ) 汽蚀的速度效应 液流速度对剥蚀的影响特别显著，多数研究表明，在相似系统内，汽蚀系数相同 的情况下，以剥蚀的坑数或体积损失测定的剥蚀强度与液流速度的n 次方成正比。n 的变化范围为p _ 9 其中n = 5 的例子较多。剥蚀强度随速度增强，是由于紊流强度，脉 动强度，脉冲数和冲击能量等都随速度增加而增加的缘故。根据s t i n ge b r i n g 等人 的研究，大约每个损伤点的体积与流速的5 2 次方成比例增加，考虑全体损伤点是以 流速的“2 次方增加，然而损伤小点的平均直径却随着流速的增加而变小。 ( 2 ) 空气含有量，汽泡核 一般认为液体中含气量大，可减少损伤，这是由于当汽泡溃灭时，液体中的汽 泡起到了阻尼缓冲和吸收能量的作用。补气可以防止剥蚀，减弱振动和噪声，其根据 也在于此。但相反的，若空气含量增加，损失也增加的情况也有。在大空穴汽泡少时， 汽泡数增加，噪音，振动反而变得激烈；小汽泡多时，汽泡数增加，由于相互干涉， 崩裂速度受到抑制，嗓音，振动就减少了。 ( 3 ) 汽蚀发展阶段效应 汽蚀发展阶段对剥蚀有显著影响。各种材料在汽蚀发展不同阶段，剥蚀强度也 不同。汽蚀初生，剥蚀弱，甚至无剥蚀。汽蚀发展强烈，甚至达到超汽蚀态，剥蚀强 度也减小甚至无剥蚀。声学测试表明，剥蚀强度最大的情况与噪音或声波声压级最大 的时期基本是一致的。 ( 4 ) 材料抗汽蚀能力 虽然现有几种试验设备对同种材料测得的抗汽蚀强度不同但同一种设备对不 同材料测得的抗汽蚀强度的排列顺序基本相同。对于抗汽蚀能力的评价，虽然还没有 一个单一的关系式，但研究表明，通常具有高硬度和高弹性的材料，其抗汽蚀剥蚀能 力较强。这点是得到公认的。 ( 5 ) 代表尺寸 对于机器大小对汽蚀损伤的影响，现有的研究结果趋势杂乱，有的相互矛盾。1 。 需要进一步的研究。 1 3 2 离心泵的进口结构参数对汽蚀性能的影响 根据文献，泵的进口结构参数包括叶轮的进口直径，叶片进口角，叶片进口 边的位置，叶片进口宽度以及泵进口吸入室的结构形状等都将影响副离心泵的汽 蚀性能。 ( 1 ) 叶轮进口直径 因为必需汽蚀余量的值与叶轮的进口速度有关，要降低必需汽蚀余量，可以 上海交通大学硕士学位论文第一章概论 用减小进口速度的方法。而叶轮进口速度的大小与时轮的进口直径存在一定的关 系式。通过计算知道，为了减小必需汽蚀余量( n p s h ) r ，可以增大叶轮进口直径。 但叶轮的进口直径并非是越大越好，超过最佳直径后，必需汽蚀余量又重新增大。 此外，过大的进口直径将使进口流道严重扩散，破坏流动的良好速度分布并形成 旋涡区，从而使泵的效率鹏玎氐。同时，过大的叶轮进口直径还将使密封环处的间 隙面积增大，从而使泄漏损失增大，容积效率降低。 ( 2 ) 叶轮进口宽度 由上述可知，降低进口流速是提高泵汽蚀性能的方法，可以通过增大进口通 流面积的措施来实现。增大进口直径是增大进口通流面积的措施之一，此外，还 可以增大叶轮的进口宽度。如果在加宽叶轮的宽度的同时也加大叶轮的进口直 径，则提高汽蚀性能的效果更为显著。 汽泡最初在叶片的进口边靠近前盖板处开始发生，然后逐渐沿轴向发展，最 后再沿叶片朝出口方向发展。加宽叶片的进口宽度，等于给汽蚀汽泡的发展过程 增加了朝轴向发展的余地，从而延迟了汽泡朝出口的发展过程。即加宽了叶片的 进口宽度可以延长汽蚀的“潜伏期”，从而延迟了断裂工况。 但是过大的进口宽度是不足取的，一方面将使叶轮轴面投影图的绘制发生困 难，另一方面也将使叶轮流道的面积变化变得不规则，从而使水力损失增大，泵 的效率降低。一般，加宽进口宽度在低比转数的离心泵中比较有效。在高比转数 的离心泵中，由于叶片的相对长度小，汽蚀汽泡易于影响叶轮的出口，因此，对 比转数较高的泵，单纯加宽叶轮的进口宽度来提高其汽蚀性能，可能效果较差。 ( 3 ) 叶片进口角 叶片进口安装角是根据相对速度的流动角加上一个冲角确定的。在确定流动 角之后，必须加正冲角。加正冲角的原因是使叶片进口安装角增大。其优点是 可以增大叶片间的通流面积。此时由于减小了叶片的弯曲，也减小了叶片的排挤， 从而加大了叶片间的通流面积。降低了进口流速，使抗汽蚀性能得以提高；可 以在设计流量下把脱流限制在叶片的背面( 吸力侧) ，叶片吸力侧的脱流不易向 压力侧扩散，对汽蚀的影响较小。此外，压力侧是传递能量的表面。脱流发生在 吸力侧对叶片传递能量的影响较小，因此对泵的效率也无显著影响；流量增大 时，流动角也增大，采用正冲角可以避免在大流量下运行时出现负冲角。通常选 用的正冲角为3 0 到8 “ ( 4 ) 叶片进口边位置和叶片进口端形状 叶片进口边的位置有平行于轴线和向叶轮进口延伸两种形式。叶片进口边延 伸时，一方面增大了叶片的面积，使相同扬程下叶片单位面积上的载荷减小，另 上海交通大学硕士学位论文第一章概论 一方面则因进口边上中点的所在半径减小，使平均圆周速度和相应的相对速度也 减小，因而使( n p s h ) r 减小，有利于泵的抗汽蚀性能。当叶片进口边朝进口延 伸时，汽蚀汽泡首先发生在圆周速度最大的进口直径处，即只在局部区域发生汽 蚀汽泡。进口边与轴线平行时，进口边上的每一点的圆周速率相等，且大于延伸 时的圆周速度，所以易于产生汽蚀汽泡，并严重堵塞流道。 叶片进口边延伸除了有利于抗汽蚀性能外，也有利于扬程曲线和效率曲线。 叶片延伸后，其扬程曲线与未延伸时相比较形状比较平缓，减轻了驼峰，这对运 行而言是有利的。此外，效率曲线的最高效率点朝小流量方向偏移，且最高效率 点的绝对值也稍有提高。 叶片进口边延伸后，叶片就应制造成扭曲形状，通常称为扭曲叶片。这是因 为进口边上各点的所在半径各不相同，以致圆周速度也各不相同之故。此时，相 应各点上的相对速度和流动角并不相同，所以叶片进口安装角沿进口边也是不等 的，从而要制造成扭曲的形状。扭曲叶片的生产制造比较麻烦，但由于能改善泵 的抗汽蚀性能和扬程，效率曲线的形状，所以现在大多数泵的叶片都设计制造成 扭曲叶片。 然而，如果叶片进口边朝叶轮进口延伸得太多。则叶片将严重扭曲，易于造 成流道的堵塞并且设计和制造也将造成困难。 叶片进口端的形状也不能忽视，因为形状的好坏同样会影响泵的汽蚀性能。 有些试验显示，在相同工况下，进口端越薄，汽蚀性能越好。因此，叶片的进口 端应从正常厚度逐渐过渡削薄，并制成较小的圆角。同时，从进口端头部过渡到 正常的距离不宜太短，否则将会破坏良好的绕流情况。 ( 5 ) 前盖板转向半径和轮毂直径 汽蚀汽泡首先发生在叶片进口边靠近前盖板处，因为该处液流的相对速度最 大。因此，前盖板转向半径的大小将影响泵的汽蚀性能。 当液体绕弯道流动时，沿壁面的切向速度c 与流道的转向半径r 之间存在如 下关系：c 与r 的乘积为常数。前盖板转向半径较小时，叶片进口边靠近前盖板 处的速度比较大，该处易于形成汽蚀汽泡。因此，增大前盖板的转向半径也是提 高泵的抗汽蚀性能的措施之一。当前盖板转向半径较大时，液流转弯较平缓，这 将会在所有工况下都对叶轮的抗汽蚀性能起到良好的影响。此外，随着转向半径 的增大，进口宽度也增大，这也为提高汽蚀性能提供了良好的条件。 轮毂直径的大小将在时轮进口直径不变的情况下改变叶轮的进口面积，从而 改变进口速度，对泵的汽蚀性能产生影响。如果条件允许，可以把轮毂直径设计 小一些，减小轮毂直径与增大叶轮进口直径和加宽叶片进口宽度一样，也会增大 9 上海交通大学硕士学位论文第一章概论 液流的进口面积，从而改善汽蚀性能。可以认为，减小轮毂直径将比增大叶轮进 口直径更有利，因为此时减少了进口边最大直径处发生汽蚀汽泡的倾向。此外， 泄漏损失也不会增大，从而可以保持不变的容积效率。但是，轮毂直径是受转轴 强度限制的。 ( 6 ) 吸入室形状 离心泵的吸入室因泵的结构而有所不同，在悬臂式的泵中，吸入室是简单的直锥管， 在多级泵和双吸泵中则经常采用环行吸入室或半螺旋形吸入室。直锥管的面积朝叶轮 进口方向逐渐收缩，一方面对液流起一定的稳定作用，另一方面也能保证液流以较均 匀的速度进入叶轮。在设计工况下，即无强制预旋，也无自由预旋。环行吸入室易于 在泵轴后面形成旋涡，使叶轮进1 3 处的速度分布不均匀，从而导致泵效率降低。采用 半螺旋形吸入室能改善绕流泵轴的流动，消除泵轴后面的旋涡，并使叶轮进口处的速 度均匀。半螺旋形吸入室还能产生强预旋，减小相对速度。因此，采用半螺旋形吸入 室能使泵的汽蚀性能得以改善。 1 33 材料的抗汽蚀特性研究 汽蚀对材料的破坏及材料的抗汽蚀能力方面的研究也是汽蚀损伤研究的一个重 要课题。直接用水泵汽蚀试验来进行这方面的研究，既费时间又费电，故未得到较多 的应用，常规的方法有，磁振动法，圆盘法，文土里法和射流冲击法等。对金属和非 金属材料的许多试验研究表明，影响材料抗汽蚀能力的因素有；化学成分，晶体结构， 硬度，加工方法，处理( 热处理，表面处理) 方法，极限强度，屈服强度或应变能力 等。目前，尚未发现具有较高计算精度，一致认可的综合以上各因素的单一关系式。 但有关其中某一方面的文献不少。如日本的北岛宣光在文献中详细讨论了汽蚀损伤与 材料的晶体结构之间的关系。a s a k a m o t o 等在文献中论述了应用三种不同试验装置 对五种金属进行汽蚀损伤试验的结果。这三种试验装置分别是：( a ) 振动装置，试件 在试验流体中高频振动；( b ) 振动装置，但试件是静止的。由一振针引起振动；( c ) 方形水管，让水流通过管壁上相错开的两个半圆柱以产生汽蚀。从前两种振动装置中 得到的试验结果是这些材料的抗汽蚀能力与材料的强度大小一致，而第三种装置得到 的结果不同。 1 33 水泵汽蚀损伤的应用研究 水泵汽蚀损伤的应用研究主要包括对汽蚀损伤的预估及防治。 ( 1 ) 汽蚀损伤的预估 噪声和振动法是目前用于判断汽蚀发生和预估损伤危险的最简单可行的方法。 上海交通大学硕士学位论文第一章概论 空泡振荡和空泡溃灭均产生噪声，空泡溃灭产生冲击波，微射流冲击则产生振动。噪 声与振动的强弱与空泡溃灭的数量、空泡溃灭前的尺寸、液体和空泡内的压力等有关。 汽蚀噪声级和振动加速度或振幅与汽蚀的发展程度有关。可见各种影响水泵汽蚀强度 的参数，都对汽蚀噪声有影响，由于声压的增加是随汽泡破裂的增加而增加的，则所 测得的信号强度是与汽蚀的强度一一对应的。这样，液体噪声就可以用来表征水力汽 蚀强度。然而， 贝4 得的声压值与汽泡破裂压力相比很小。如果要预估损伤的发生及损 伤率，就要用到与材料抗汽蚀性能有关的材料的各强度参数。文献对这种方法进行了 详细的论述，并提出可以得到一个相对简单的基于噪声测量的用于确定材料损伤率的 仪器。具体的噪声法可分为水中噪声法和泵外噪声法，前者受环境噪声的影响小但实 施起来不方便，后者受环境噪声的影响大，但简便易行。 其他相类似的方法有压力脉动法、电测法、能量法等。压力脉动法是通过测量 泵进口或出口处水中的压力脉动值来表征汽蚀强度，其优点是频率可以低些，但其灵 敏度没有水中噪声法高。电测法的原理是：因为一般的自来水含有大量的杂质微粒， 其导电率很高。但气体的导电率是非常低的，几乎为零，而汽蚀发生的最大特征就是 在液流中产生汽泡，所以液流电阻与汽蚀汽泡浓度有关。能量法是确定汽蚀对泵h ，n ， n 影响的常规方法，一直被广泛采用，但它对汽蚀初生和剥蚀| 青况却无法反映实际情 况，这是其最大的缺陷。此外噪声和振动法、压力脉动法的共同缺点是：随着汽蚀的 发展，汽泡数大大增加，未溃灭的空泡又会起到阻尼和吸收空泡溃灭能的作用，所以 在不能连续测量汽蚀发展过程时，不能单凭某一点的噪声或振动加速度值来判