泵叶轮气蚀机理及防范措施
作者：泵 来源：叶轮 发布时间：2021-10-08
泵内流道中，当某处液体的压强下降到等于或低于当时液温下相应的汽化压强时就会出现气泡。气泡中主要是蒸汽，但由于水中溶解有一定量的气体，所以气泡中除了蒸汽外，还夹有少量气体。这种气泡随着水流流到高压区时，蒸汽就重新凝结成水，气泡逐渐变形而破裂。气泡在壁面附近破裂时，产生很大的冲击力，可以达到几百大气压，甚至几千大气压，使管道的材料遭受破坏。气泡形成、增长，直到崩溃破裂以至造成材料侵蚀的过程称为气蚀[]。
一、气蚀的机理主要有以下几个方面：
（1）气蚀核子理论。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强时，就会形成气泡，这就是气蚀的初生。事实上，人们逐渐认识到，随着液体中所含杂质的增多或减少，初生气蚀可以在高于或低于汽化压强的条件下产生。所谓杂质，是指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气蚀初生的影响大。不可溶气体隐藏在水中杂质的微小缝隙中，形成微小的气泡，气泡与液体间形成弯月形的交界面。当液体中压强降低，微小气泡的体积扩大到超过缝隙的容积时，就在升力或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，气核就迅速生长成肉眼可见的气泡。气核较小时，液压必须在低于汽化压强时才能引起气蚀，气核较大时，则液体压强大于汽化压强时也可产生气蚀。因此，气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。
（2）黏性的影响。液体的黏度将使气泡增长和崩溃的速度缓慢下来，即对黏性液体来说，增长和崩溃的时间要比非黏性液体大得多。因此，如果液体的黏性很大，而液体在压强低于汽化压强的负压区停留的时间短，则由于气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，液流中的气蚀现象就难以发生。事实上，泵的液体因黏性而改变流体动力学特性，而速度分布的改变将可能加大发生气蚀的危险。
（3）表面张力的影响。气泡表面把压强分为气泡外和气泡内两部分，气泡外侧为液体压强，气泡内部可设为汽化压强。假定气泡是球形的，于是，在气泡表面张力作用下的平衡关系如下：
式中σ为表面张力；r0为气泡的初始半径。
由此可知，液体的表面张力越大，气泡增长所需要的压差pv-p就越大，而气泡崩溃所需的压差却越小。这意味着表面张力加快了崩溃速度，这样，气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，只有在气泡的尺寸很小时，表面张力的作用才是重要的，气泡尺寸增大时，表面张力的影响就可忽略不计。一般来说，表面张力将阻碍气蚀的发生，而在气蚀已发生的情况下，则促使气蚀更急速完成。
二、为研究方便，根据观测到的气泡形态，把气蚀分为以下四种：
（1）移动气蚀。是指由于单个瞬间气泡或小的空穴所形成的气蚀。这些气泡在液体中形成，并随液体流动而增长、收缩，以至崩溃。气泡量多时，即呈云雾状。
（2）固定气蚀。是指附着在绕流体固定边界上的气穴所形成的气蚀。固定气蚀的气穴与液体有光滑的分界面，分界面上往往可观察到小的移动气泡。
（3）旋涡气蚀。是指在旋涡中心产生的气泡，旋涡中心处的速度大、压力低，易使液体汽化产生气泡。旋涡气蚀可以是移动型的，也可以是固定型的。轴流泵叶片端部会产生这种气蚀。
（4）振动气蚀。是指液体中因连续高振幅、高频率的压力波所形成的气蚀。
固壁振动时，在液体中产生压力脉动，振动达到一定强度后，将使液体压强下降到引起振动气蚀。此时在液体和固壁交界处将产生气泡。内燃机的气缸套中可发生这种气蚀，在泵中并不多见，但人们利用这种类型的气蚀研制了磁致振动伸缩仪，用于研究材料抗气蚀破坏的能力。
离心泵叶轮中经常观测到移动气蚀和固定气蚀。发生气蚀时，会产生噪声和振动。气泡崩溃时，微细射流的高速冲击将产生噪声，在泵附近还将感到振动。在小型泵中，有时并不为人们所感知，这是因为周围其他来源的噪声把气蚀噪声掩盖起来了。在抽水机站中，这种噪声易于感知。因此，气蚀噪声的严重性往往取决于设备的情况，严重的气蚀噪声甚至像尖锐的呼啸声。
离心泵内的气蚀噪声与气蚀发展的情况有关。泵内气蚀初生时，由于气泡崩溃时微细射流的冲击作用而产生噪声。随着气蚀的发展，噪声的分贝数也逐级增大，其值在泵发生“断裂”工况之前达到大。由于气蚀的进一步发展，液体中的气泡增多而起到缓冲作用，所以噪声在断裂工况之前达到大后又很快降低，在断裂工况时噪声下降到小。一般来说，噪声大时，气蚀对材料的破坏作用也强烈，因此，气蚀噪声和材料破坏强烈的情况发生在断裂工况之前。
三、防止气蚀的主要措施：
（1）正确确定水泵的安装高程。设计泵站时，应使装置气蚀余量大于水泵的允许气蚀余量，要充分考虑水泵装置可能遇到的各种工况，以便正确地确定水泵的安装高程。
（2）尽量减少吸水管路的水流损失。设计泵站时，可适当增加吸水管直径，缩短吸水管的长度，减少管路附件，通流部分断面变化率力求小，提高管壁的光洁度。
（3）具有良好的进水条件。进水池内的水流要平稳均匀，不产生旋涡。进水流道设计要合理，使进入叶轮的水流速度和压力分布均匀，避免局部低压区。
（4）调节工作点。在水泵运行过程中，可采用调节水泵工作点的方法减轻气蚀，对于离心泵可以适当减少流量，以减少△h（气蚀余量）或增大hs值（允许吸上真空高度）。
（5）降低水泵的工作转速。降低水泵的工作转速可以减轻气蚀现象的程度。
（6）涂环氧树脂。在容易发生气蚀的部位涂一层环氧树脂，可以提高叶轮表面的抗气蚀性能，减轻叶轮表面被气蚀破坏的程度。
消除了水泵的气蚀现象，就能在一定程度上减少水泵振动。
