高速部分流泵汽蝕的成因及防護對策

龍慧斌 孟晶晶

[摘 要]汽蝕是高速部分流泵研究當中目前急需解決的關鍵性問題之一，本文通過分析發現高速部分流泵進口結構參數、泵前吸水管路系統設計不合理，以及泵過流部件制造材料抗汽蝕性能不強是汽蝕產生的主要原因，提出了一系列具體的汽蝕防護對策，如優化泵進口結構設計參數、合理布置泵吸水管路系統、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、提高其運行效益提供借鑒。

[關鍵詞]部分流泵;汽蝕;成因;防護對策

[中圖分類號]TH311 [文獻標識碼]A

部分流泵又稱為切線泵、桑達依泵或巴斯克泵，當其轉速超過3600 r/min時，通常又稱之為高速泵，其葉輪通常為開式徑向直葉片葉輪，蝸殼為環形，屬于流量小揚程高的低比轉速泵。因部分流泵在小流量高揚程工況運行時，與普通的離心泵相比，具有單級揚程高、運行效率好、結構簡單緊湊、維護方便、工作可靠、壽命長、揚程曲線平坦等優點，目前廣泛應用于航空航天、石油化工、消防等領域，已成為多級普通離心泵的有力競爭者。但因高速部分流泵轉速高，泵內高速流體水力損失大，極易出現汽蝕現象，造成泵運行時振動強、噪聲大、性能下降，嚴重時甚至會導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對策就顯得尤為重要。

1 高速部分流泵內汽蝕現象及其危害

1.1 泵的汽蝕現象

部分流泵高速運轉時，流體壓力從入口管至葉片進口處逐漸下降，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。當葉片入口附近的流體壓力最低值低于相應溫度的汽化壓力時，流體便會汽化，產生氣泡。當氣泡流經葉輪高壓區時，高壓流體使得氣泡急劇縮小以至破裂。氣泡破裂的同時，周圍流體質點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，瞬時沖擊應力大且沖擊頻率高，久而久之，泵內過流部件就會嚴重受損甚至破壞，此過程即為泵的汽蝕現象。

1.2 汽蝕對高速部分流泵的危害

當高速部分流泵發生汽蝕后，隨著時間的推移，將對泵的正常運行造成明顯的危害，主要表現在以下三個方面：

1.2.1 產生振動和噪聲。當汽蝕現象發生在泵內，會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生撞擊，這種撞擊非常強烈，會產生很大的噪聲，嚴重時還會引起泵的強烈振動，這種振動將會對部分流泵的正常運行產生嚴重的影響，甚至會導致泵停止運行。

1.2.2 導致泵的性能下降。汽蝕對部分流泵性能的影響不是立刻產生的，在汽蝕發生的初期，部分流泵性能參數并無顯著變化，很難被發現。隨著時間的推移，汽蝕將會破壞泵的過流部件，另外大量產生的氣泡會對泵的過流通道產生一定的阻塞，高速部分流泵的流量、揚程、效率將會受到明顯的影響，從泵的性能曲線上看，會發現泵的性能明顯下降。

1.2.3 侵蝕破壞泵的過流部件。泵內汽蝕一旦發生，將對過流通道的金屬表面產生機械撞擊及電化學腐蝕，這對過流部件會產生嚴重的危害，在汽蝕發生的初期，過流部件的金屬表面會出現麻點，隨著發生汽蝕時間的延長，過流部件的金屬表面損壞得會更嚴重，最后會導致過流部件穿孔，直至報廢。

2 高速部分流泵汽蝕形成的原因

2.1 泵進口結構參數設計不合理

當高速部分流泵前蓋板和葉輪兩者的進口附近結構參數設計不合理時，泵自身的進口吸入性能將嚴重變差，導致流體在葉輪進口附近流速較大，流動方向變化較快，流體與流道壁面的撞擊較強，流體水力損失較大，壓力下降較快，此時泵進口附近易發生汽蝕現象，即泵自身的抗汽蝕能力變差。泵進口結構參數設計不合理的情況一般包括：前蓋板進口段的曲率半徑較小;葉輪進口直徑較小;葉輪輪轂直徑選擇過大;葉片進口處厚度較大，且葉片進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;葉片進口形狀設計不當且葉片數設置偏多;對于某些要求具有高汽蝕性能的部分流泵，葉輪進口前未設置合理的增壓裝置。

2.2 泵吸水管路系統設計不合理

當高速部分流泵的吸水管路系統設計不當時，泵前吸水管路的水力特性變差，導致流體在進入泵前阻力損失過大，壓力不足，為泵內進口附近發生汽蝕提供了條件。泵吸水管路系統設計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

當采用一般的金屬材料如鑄鐵制造高速部分流泵時，因泵的過流部件材質強度、硬度、韌性及化學穩定性不好，一旦泵內發生汽蝕，過流部件金屬表面在高強度、高頻次的機械撞擊及電化學腐蝕作用下，時間一長，過流部件表面會出現麻點甚至穿孔，嚴重縮短泵的使用壽命。

3 高速部分流泵汽蝕的防護對策

3.1 優化泵進口結構設計參數

適當增大葉輪前蓋板進口段圓弧曲率半徑，減小后蓋板曲率半徑，使流體在葉輪進口部分轉彎處緩慢流過，減緩流體急劇加速及降壓;適當減小輪轂直徑，加大葉輪進口直徑和葉片進口邊寬度，以此增大過流面積，減小葉輪進口流體流速，減少水力損失，減小流體壓降;適當減小葉片入口厚度，對葉片入口修圓，減小葉片進口對流體的沖擊，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延伸，使流體提前接受做功，提高其壓力;適當增大葉片進口角，采用正沖角設計，減小葉片入口處彎曲，減小葉片進口阻塞，增大進口過流面積，降低流速，減少流動損失;適當減少葉片數，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;采用長短葉片結構形式的葉輪，增加葉輪出口葉柵稠密度，提高葉片的導流作用，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，避免汽蝕發生。

3.2 合理布置泵吸水管路系統

提高泵吸水管路系統抗汽蝕性能，關鍵在于提高泵入口前流體壓力，其主要措施有：適當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水口，適當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節流量，及時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阻力損失;減小部分流泵作為吸上裝置泵時的安裝高度，有效減小泵的吸上真空度;將泵前管路系統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;當輸送流體接近飽和溫度時，可適當降低泵入口液流溫度。

3.3 提高泵制造材料抗汽蝕性能

當高速部分流泵內汽蝕不可避免時，一方面可采用抗汽蝕性能強的材料如不銹鋼、合金鑄鐵及高鎳合金等來制造泵的過流部件，實踐表明，材料的強度越高、硬度越大、韌性越強、化學穩定性越好、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行表面防護處理，如化學涂層、表面化學熱處理及合金粉末噴焊等表面防護技術，以便提高過流部件表面的抗汽蝕、抗磨損性能。抗汽蝕材料及金屬表面防護技術的使用，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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