龍慧斌 孟晶晶

[摘 要]汽蝕是高速部分流泵研究當(dāng)中目前急需解決的關(guān)鍵性問題之一，本文通過分析發(fā)現(xiàn)高速部分流泵進(jìn)口結(jié)構(gòu)參數(shù)、泵前吸水管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理，以及泵過流部件制造材料抗汽蝕性能不強(qiáng)是汽蝕產(chǎn)生的主要原因，提出了一系列具體的汽蝕防護(hù)對策，如優(yōu)化泵進(jìn)口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(yùn)行效益提供借鑒。

[關(guān)鍵詞]部分流泵;汽蝕;成因;防護(hù)對策

[中圖分類號(hào)]TH311 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

部分流泵又稱為切線泵、桑達(dá)依泵或巴斯克泵，當(dāng)其轉(zhuǎn)速超過3600 r/min時(shí)，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(yáng)程高的低比轉(zhuǎn)速泵。因部分流泵在小流量高揚(yáng)程工況運(yùn)行時(shí)，與普通的離心泵相比，具有單級(jí)揚(yáng)程高、運(yùn)行效率好、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、維護(hù)方便、工作可靠、壽命長、揚(yáng)程曲線平坦等優(yōu)點(diǎn)，目前廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工、消防等領(lǐng)域，已成為多級(jí)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(yùn)行時(shí)振動(dòng)強(qiáng)、噪聲大、性能下降，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)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(hù)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(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，流體壓力從入口管至葉片進(jìn)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(dāng)葉片入口附近的流體壓力最低值低于相應(yīng)溫度的汽化壓力時(shí)，流體便會(huì)汽化，產(chǎn)生氣泡。當(dāng)氣泡流經(jīng)葉輪高壓區(qū)時(shí)，高壓流體使得氣泡急劇縮小以至破裂。氣泡破裂的同時(shí)，周圍流體質(zhì)點(diǎn)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(shí)沖擊應(yīng)力大且沖擊頻率高，久而久之，泵內(nèi)過流部件就會(huì)嚴(yán)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(dāng)高速部分流泵發(fā)生汽蝕后，隨著時(shí)間的推移，將對泵的正常運(yùn)行造成明顯的危害，主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

1.2.1 產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲。當(dāng)汽蝕現(xiàn)象發(fā)生在泵內(nèi)，會(huì)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(qiáng)烈，會(huì)產(chǎn)生很大的噪聲，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引起泵的強(qiáng)烈振動(dòng)，這種振動(dòng)將會(huì)對部分流泵的正常運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，甚至?xí)?dǎo)致泵停止運(yùn)行。

1.2.2 導(dǎo)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(shí)間的推移，汽蝕將會(huì)破壞泵的過流部件，另外大量產(chǎn)生的氣泡會(huì)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(yáng)程、效率將會(huì)受到明顯的影響，從泵的性能曲線上看，會(huì)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(jī)械撞擊及電化學(xué)腐蝕，這對過流部件會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的危害，在汽蝕發(fā)生的初期，過流部件的金屬表面會(huì)出現(xiàn)麻點(diǎn)，隨著發(fā)生汽蝕時(shí)間的延長，過流部件的金屬表面損壞得會(huì)更嚴(yán)重，最后會(huì)導(dǎo)致過流部件穿孔，直至報(bào)廢。

2 高速部分流泵汽蝕形成的原因

2.1 泵進(jìn)口結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)不合理

當(dāng)高速部分流泵前蓋板和葉輪兩者的進(jìn)口附近結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)不合理時(shí)，泵自身的進(jìn)口吸入性能將嚴(yán)重變差，導(dǎo)致流體在葉輪進(jìn)口附近流速較大，流動(dòng)方向變化較快，流體與流道壁面的撞擊較強(qiáng)，流體水力損失較大，壓力下降較快，此時(shí)泵進(jìn)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(jìn)口結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)不合理的情況一般包括：前蓋板進(jìn)口段的曲率半徑較小;葉輪進(jìn)口直徑較小;葉輪輪轂直徑選擇過大;葉片進(jìn)口處厚度較大，且葉片進(jìn)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(jìn)口形狀設(shè)計(jì)不當(dāng)且葉片數(shù)設(shè)置偏多;對于某些要求具有高汽蝕性能的部分流泵，葉輪進(jìn)口前未設(shè)置合理的增壓裝置。

2.2 泵吸水管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理

當(dāng)高速部分流泵的吸水管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)不當(dāng)時(shí)，泵前吸水管路的水力特性變差，導(dǎo)致流體在進(jìn)入泵前阻力損失過大，壓力不足，為泵內(nèi)進(jìn)口附近發(fā)生汽蝕提供了條件。泵吸水管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)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(dǎo)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(qiáng)

當(dāng)采用一般的金屬材料如鑄鐵制造高速部分流泵時(shí)，因泵的過流部件材質(zhì)強(qiáng)度、硬度、韌性及化學(xué)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(qiáng)度、高頻次的機(jī)械撞擊及電化學(xué)腐蝕作用下，時(shí)間一長，過流部件表面會(huì)出現(xiàn)麻點(diǎn)甚至穿孔，嚴(yán)重縮短泵的使用壽命。

3 高速部分流泵汽蝕的防護(hù)對策

3.1 優(yōu)化泵進(jìn)口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

適當(dāng)增大葉輪前蓋板進(jìn)口段圓弧曲率半徑，減小后蓋板曲率半徑，使流體在葉輪進(jìn)口部分轉(zhuǎn)彎處緩慢流過，減緩流體急劇加速及降壓;適當(dāng)減小輪轂直徑，加大葉輪進(jìn)口直徑和葉片進(jìn)口邊寬度，以此增大過流面積，減小葉輪進(jìn)口流體流速，減少水力損失，減小流體壓降;適當(dāng)減小葉片入口厚度，對葉片入口修圓，減小葉片進(jìn)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(jìn)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(dāng)延伸，使流體提前接受做功，提高其壓力;適當(dāng)增大葉片進(jìn)口角，采用正沖角設(shè)計(jì)，減小葉片入口處彎曲，減小葉片進(jìn)口阻塞，增大進(jìn)口過流面積，降低流速，減少流動(dòng)損失;適當(dāng)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(jié)構(gòu)形式的葉輪，增加葉輪出口葉柵稠密度，提高葉片的導(dǎo)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(dǎo)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(guān)鍵在于提高泵入口前流體壓力，其主要措施有：適當(dāng)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(jìn)水口，適當(dāng)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(shí)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(dòng)阻力損失;減小部分流泵作為吸上裝置泵時(shí)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(dāng)輸送流體接近飽和溫度時(shí)，可適當(dāng)降低泵入口液流溫度。

3.3 提高泵制造材料抗汽蝕性能

當(dāng)高速部分流泵內(nèi)汽蝕不可避免時(shí)，一方面可采用抗汽蝕性能強(qiáng)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(shí)踐表明，材料的強(qiáng)度越高、硬度越大、韌性越強(qiáng)、化學(xué)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(jìn)行表面防護(hù)處理，如化學(xué)涂層、表面化學(xué)熱處理及合金粉末噴焊等表面防護(hù)技術(shù)，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(hù)技術(shù)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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