張俊廣

（中鐵八局集團(tuán)有限公司，四川 成都 610036）

水泵為通用流體機(jī)械，廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域和日常生活。在工程建設(shè)領(lǐng)域進(jìn)行水泵的工藝設(shè)計(jì)時(shí)，通常要考慮水泵的汽蝕特性。水泵在運(yùn)行時(shí)如果出現(xiàn)了汽蝕，泵內(nèi)流體的速度和壓力都會(huì)發(fā)生變化，流量揚(yáng)程特性就會(huì)發(fā)生惡化，并伴有噪音、振動(dòng)等現(xiàn)象，對(duì)泵體產(chǎn)生沖擊，并影響整個(gè)管道系統(tǒng)的穩(wěn)定。因此，厘清水泵的汽蝕特性至關(guān)重要。因此，如何提升泵的抗汽蝕特性成為水力機(jī)械工程研究的難點(diǎn)。本文首先闡述水泵汽蝕的形成原理及產(chǎn)生的危害，然后，采用數(shù)值模擬的手段對(duì)泵的汽蝕特性進(jìn)行研究，為工程項(xiàng)目泵站系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用及避免汽蝕發(fā)生提供參考。

1 汽蝕的產(chǎn)生

泵在運(yùn)行過程中，水流隨之進(jìn)入泵體并高速流動(dòng)。在葉輪的吸入口，水的流動(dòng)會(huì)形成低壓區(qū)，當(dāng)?shù)蛪簠^(qū)的壓力低于水的氣化壓力時(shí)，流體就會(huì)在此處發(fā)生汽化，并形成蒸汽和氣體的混合汽泡，汽泡運(yùn)動(dòng)到高壓區(qū)域時(shí)就會(huì)發(fā)生破裂，留下局部空隙，高速流動(dòng)的水則迅速?zèng)_填空隙。而汽泡中的蒸汽和氣體無法在如此短的時(shí)間溶解并凝結(jié)，伴隨著高速的水流沖擊，再次被水流沖擊、壓縮，分界成更小的汽泡，該過程如此反復(fù)。

上述反復(fù)的沖擊過程若發(fā)生在泵體流道及葉輪的表面附近，就會(huì)形成高強(qiáng)度高頻率的沖蝕，葉輪材料表面在水汽混合的反復(fù)沖刷下，最終導(dǎo)致材料疲勞，進(jìn)而遭到破壞。另外，水中溶解的自由氧也會(huì)對(duì)葉輪及流道表面的產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，加速材料的損壞。上述過程中汽泡的產(chǎn)生、破裂以及水流的沖刷致使葉輪和流道表面材料疲勞、損壞的過程，即為汽蝕。

2 汽蝕的危害

水泵的運(yùn)行一旦發(fā)生汽蝕，不僅會(huì)給設(shè)備本身帶來損傷，也會(huì)影響系統(tǒng)工作的安全。主要表現(xiàn)在以下方面：

（1）產(chǎn)生振動(dòng)和噪音。汽蝕發(fā)生時(shí)，往往伴有振動(dòng)和噪音。汽泡的破裂和高速水流的沖刷會(huì)帶來很大的噪音。根據(jù)前文所述汽蝕發(fā)生的過程，反復(fù)的破裂和沖刷過程就會(huì)伴隨著很大的脈動(dòng)力，如果脈動(dòng)的頻率接近設(shè)備和系統(tǒng)的固有頻率，則容易產(chǎn)生共振。

（2）引起材料的損壞。根據(jù)汽蝕發(fā)生的機(jī)理，由于水汽的沖刷和電化學(xué)腐蝕的共同作用，致使葉輪和流道表面受到損壞。

（3）導(dǎo)致性能的下降。當(dāng)汽蝕繼續(xù)發(fā)展，將產(chǎn)生大量汽泡，嚴(yán)重堵塞流道的截面，使流體通流面積下降，從而引起揚(yáng)程下降，效率也會(huì)降低，影響泵的運(yùn)行。

2 汽蝕余量的定義

汽蝕余量是用來描述水泵汽蝕特性的重要參數(shù)，通常用△h 表示。

就同一臺(tái)水泵而言，吸入裝置條件的變化可能直接導(dǎo)致汽蝕的發(fā)生。因此，我們把吸入裝置條件所確定的汽蝕余量稱為有效汽蝕余量，符號(hào)為Δha。根據(jù)圖1 所示，定義式如下：

圖1 水泵系統(tǒng)示意圖

根據(jù)伯努利方程：

因此有，

相同工況條件下，有的泵會(huì)發(fā)生汽蝕，而其他型號(hào)的泵則可能正常運(yùn)行。因此，汽蝕的發(fā)生還與泵本身的汽蝕特性有關(guān)聯(lián)。我們把該項(xiàng)條件所確定的汽蝕余量稱為必需汽蝕余量，符號(hào)為Δhr。定義式如下：

式中λl，λ2為壓降系數(shù)。

Δha和Δhr與流量的變化關(guān)系曲線見圖2 所示。

由圖2 可知，Δha和Δhr相交于C 點(diǎn)，此時(shí)，△ha=△hr=△hc，該工況點(diǎn)即為汽蝕臨界點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的流量為Qvc。當(dāng)運(yùn)行流量小于Qvc時(shí)，有效汽蝕余量減去流體汽化壓力后的富余壓頭足以克服吸入口所產(chǎn)生的壓降，此時(shí)，泵的運(yùn)行處在安全區(qū)。反之，則泵的運(yùn)行處在汽蝕區(qū)。

即保證泵不發(fā)生汽蝕的條件為Δhr＜Δha。

4 汽蝕特性的數(shù)值研究

本文以離心泵為例進(jìn)行建模，葉輪直徑尺寸為300mm，數(shù)值計(jì)算時(shí)模擬轉(zhuǎn)速為1450r/min。

圖2 Δha 和Δhr 與流量的關(guān)系曲線

首先對(duì)泵體內(nèi)流場區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，利用Gambit 軟件進(jìn)行處理，采用結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化相結(jié)合的混合網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量約為35 萬。計(jì)算模型采用κ-ε 湍流模型，采用速度入口作為進(jìn)口的邊界條件，流體出口設(shè)為自由出流。泵體內(nèi)壁則定義為靜止光滑的壁面，但是對(duì)于壁面的附近，則會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的對(duì)流，因此在壁面附件采用標(biāo)準(zhǔn)的壁面函數(shù)模型。其次，對(duì)泵的設(shè)計(jì)工況時(shí)改變吸入口的壓力，對(duì)吸入口的壓力由設(shè)計(jì)工況逐漸降低，此時(shí)，裝置的有效汽蝕余量就會(huì)減小，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，繪制出不同入口壓力下泵的汽蝕特性曲線，見圖3 所示。

圖3 汽蝕特性曲線

由圖3 可知，當(dāng)Δha在7 ～9 區(qū)間時(shí)，揚(yáng)程曲線開始呈現(xiàn)下降趨勢。此時(shí)，在泵內(nèi)流道區(qū)域會(huì)產(chǎn)生一定量的氣泡，并逐漸堵塞流道，就會(huì)導(dǎo)致泵的揚(yáng)程出現(xiàn)下降。當(dāng)繼續(xù)將Δha減小時(shí)，揚(yáng)程則呈現(xiàn)快速下降的趨勢，這時(shí)，會(huì)在泵體的流道區(qū)域聚集了大量的氣泡，幾乎占滿了通流空間，葉輪已經(jīng)無法正常對(duì)通流液體進(jìn)行做功，才會(huì)出現(xiàn)泵的揚(yáng)程迅速下降的情況。

圖4 葉輪區(qū)域壓力分布圖

圖4 給出了葉輪區(qū)域壓力分布圖，從圖中可以得出，葉輪進(jìn)出口壓力呈現(xiàn)明顯的梯度分布，自進(jìn)口的低壓區(qū)至出口的高壓區(qū)。在葉輪出口處，葉片尾部的區(qū)域流體壓力最大，而在葉輪進(jìn)口處，葉片頭部的壓力為最小，也就是此處，最先且最容易發(fā)生汽蝕；并且此處的也拼應(yīng)力變化很大，運(yùn)行環(huán)境惡劣，容易造成材料疲勞，進(jìn)而引起安全隱患。

圖5 給出了不同有效汽蝕余量對(duì)葉片表面氣泡體積分?jǐn)?shù)影響的分布圖。紅色區(qū)域?yàn)槠菁蟹植紖^(qū)域，表面此處已經(jīng)發(fā)生汽蝕。藍(lán)色區(qū)域?yàn)闊o汽泡的區(qū)域。

從圖中可以得出：當(dāng)Δha=9m 時(shí)，在葉輪的頭部區(qū)域只有少量的氣泡分布，此時(shí)，少量氣泡幾乎對(duì)泵的性能不產(chǎn)生影響。當(dāng)Δha=7m 時(shí)，泵內(nèi)的汽蝕發(fā)生了惡化，從頭部區(qū)域發(fā)展到了流道區(qū)域，造成了通流區(qū)域的堵塞，使得泵無法正常對(duì)流體做功，因此，導(dǎo)致泵的性能下降，揚(yáng)程和效率均降低，并伴有振動(dòng)和噪聲的產(chǎn)生。伴隨著進(jìn)口壓力的不斷降低，裝置的有效汽蝕余量也隨之降低，氣泡面積逐漸增大，并開始占滿葉輪通流區(qū)域，嚴(yán)重阻礙了葉輪的正常做工，進(jìn)而影響了泵的揚(yáng)程，使得揚(yáng)程曲線呈現(xiàn)快速下降的現(xiàn)象，因此，也就很好解釋了泵在嚴(yán)重汽蝕時(shí)會(huì)出現(xiàn)斷裂工況這一現(xiàn)象。

5 結(jié)語

本文對(duì)泵的汽蝕特性進(jìn)行了分析，理論闡述了泵汽蝕產(chǎn)生的機(jī)理，定義了泵的汽蝕余量，并進(jìn)一步建立泵的模型，設(shè)置計(jì)算條件，數(shù)值研究了泵的汽蝕特性，揭示汽蝕特性的影響因素及變化規(guī)律，更好地服務(wù)工程項(xiàng)目泵站的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

圖5