泵葉輪氣蝕機理及防范措施
作者：泵 來源：葉輪 發布時間：2021-10-08
泵內流道中，當某處液體的壓強下降到等于或低于當時液溫下相應的汽化壓強時就會出現氣泡。氣泡中主要是蒸汽，但由于水中溶解有一定量的氣體，所以氣泡中除了蒸汽外，還夾有少量氣體。這種氣泡隨著水流流到高壓區時，蒸汽就重新凝結成水，氣泡逐漸變形而破裂。氣泡在壁面附近破裂時，產生很大的沖擊力，可以達到幾百大氣壓，甚至幾千大氣壓，使管道的材料遭受破壞。氣泡形成、增長，直到崩潰破裂以至造成材料侵蝕的過程稱為氣蝕[]。
一、氣蝕的機理主要有以下幾個方面：
（1）氣蝕核子理論。從工程觀點而言，認為當液體中某處的壓強下降到等于或低于當時液溫下的汽化壓強時，就會形成氣泡，這就是氣蝕的初生。事實上，人們逐漸認識到，隨著液體中所含雜質的增多或減少，初生氣蝕可以在高于或低于汽化壓強的條件下產生。所謂雜質，是指液體中含有的可溶和不可溶氣體，以及如灰塵之類的固體質點，其中以不可溶氣體對氣蝕初生的影響大。不可溶氣體隱藏在水中雜質的微小縫隙中，形成微小的氣泡，氣泡與液體間形成彎月形的交界面。當液體中壓強降低，微小氣泡的體積擴大到超過縫隙的容積時，就在升力或流體動力的作用下與固體質點脫離而形成所謂氣體核子。氣核的尺寸很小，只有幾微米，肉眼是不易觀察到的。當液體中的壓強降低時，氣核就迅速生長成肉眼可見的氣泡。氣核較小時，液壓必須在低于汽化壓強時才能引起氣蝕，氣核較大時，則液體壓強大于汽化壓強時也可產生氣蝕。因此，氣蝕初生的壓強并不固定，而是取決于液體中氣核的大小和數量。
（2）黏性的影響。液體的黏度將使氣泡增長和崩潰的速度緩慢下來，即對黏性液體來說，增長和崩潰的時間要比非黏性液體大得多。因此，如果液體的黏性很大，而液體在壓強低于汽化壓強的負壓區停留的時間短，則由于氣泡的體積還來不及增長到足以改變液流結構那樣大的尺寸，液流中的氣蝕現象就難以發生。事實上，泵的液體因黏性而改變流體動力學特性，而速度分布的改變將可能加大發生氣蝕的危險。
（3）表面張力的影響。氣泡表面把壓強分為氣泡外和氣泡內兩部分，氣泡外側為液體壓強，氣泡內部可設為汽化壓強。假定氣泡是球形的，于是，在氣泡表面張力作用下的平衡關系如下：
式中σ為表面張力；R0為氣泡的初始半徑。
由此可知，液體的表面張力越大，氣泡增長所需要的壓差Pv-P就越大，而氣泡崩潰所需的壓差卻越小。這意味著表面張力加快了崩潰速度，這樣，氣泡崩潰時的沖擊力將隨著表面張力的增大而增大。
應該指出，只有在氣泡的尺寸很小時，表面張力的作用才是重要的，氣泡尺寸增大時，表面張力的影響就可忽略不計。一般來說，表面張力將阻礙氣蝕的發生，而在氣蝕已發生的情況下，則促使氣蝕更急速完成。
二、為研究方便，根據觀測到的氣泡形態，把氣蝕分為以下四種：
（1）移動氣蝕。是指由于單個瞬間氣泡或小的空穴所形成的氣蝕。這些氣泡在液體中形成，并隨液體流動而增長、收縮，以至崩潰。氣泡量多時，即呈云霧狀。
（2）固定氣蝕。是指附著在繞流體固定邊界上的氣穴所形成的氣蝕。固定氣蝕的氣穴與液體有光滑的分界面，分界面上往往可觀察到小的移動氣泡。
（3）旋渦氣蝕。是指在旋渦中心產生的氣泡，旋渦中心處的速度大、壓力低，易使液體汽化產生氣泡。旋渦氣蝕可以是移動型的，也可以是固定型的。軸流泵葉片端部會產生這種氣蝕。
（4）振動氣蝕。是指液體中因連續高振幅、高頻率的壓力波所形成的氣蝕。
固壁振動時，在液體中產生壓力脈動，振動達到一定強度后，將使液體壓強下降到引起振動氣蝕。此時在液體和固壁交界處將產生氣泡。內燃機的氣缸套中可發生這種氣蝕，在泵中并不多見，但人們利用這種類型的氣蝕研制了磁致振動伸縮儀，用于研究材料抗氣蝕破壞的能力。
離心泵葉輪中經常觀測到移動氣蝕和固定氣蝕。發生氣蝕時，會產生噪聲和振動。氣泡崩潰時，微細射流的高速沖擊將產生噪聲，在泵附近還將感到振動。在小型泵中，有時并不為人們所感知，這是因為周圍其他來源的噪聲把氣蝕噪聲掩蓋起來了。在抽水機站中，這種噪聲易于感知。因此，氣蝕噪聲的嚴重性往往取決于設備的情況，嚴重的氣蝕噪聲甚至像尖銳的呼嘯聲。
離心泵內的氣蝕噪聲與氣蝕發展的情況有關。泵內氣蝕初生時，由于氣泡崩潰時微細射流的沖擊作用而產生噪聲。隨著氣蝕的發展，噪聲的分貝數也逐級增大，其值在泵發生“斷裂”工況之前達到大。由于氣蝕的進一步發展，液體中的氣泡增多而起到緩沖作用，所以噪聲在斷裂工況之前達到大后又很快降低，在斷裂工況時噪聲下降到小。一般來說，噪聲大時，氣蝕對材料的破壞作用也強烈，因此，氣蝕噪聲和材料破壞強烈的情況發生在斷裂工況之前。
三、防止氣蝕的主要措施：
（1）正確確定水泵的安裝高程。設計泵站時，應使裝置氣蝕余量大于水泵的允許氣蝕余量，要充分考慮水泵裝置可能遇到的各種工況，以便正確地確定水泵的安裝高程。
（2）盡量減少吸水管路的水流損失。設計泵站時，可適當增加吸水管直徑，縮短吸水管的長度，減少管路附件，通流部分斷面變化率力求小，提高管壁的光潔度。
（3）具有良好的進水條件。進水池內的水流要平穩均勻，不產生旋渦。進水流道設計要合理，使進入葉輪的水流速度和壓力分布均勻，避免局部低壓區。
（4）調節工作點。在水泵運行過程中，可采用調節水泵工作點的方法減輕氣蝕，對于離心泵可以適當減少流量，以減少△h（氣蝕余量）或增大Hs值（允許吸上真空高度）。
（5）降低水泵的工作轉速。降低水泵的工作轉速可以減輕氣蝕現象的程度。
（6）涂環氧樹脂。在容易發生氣蝕的部位涂一層環氧樹脂，可以提高葉輪表面的抗氣蝕性能，減輕葉輪表面被氣蝕破壞的程度。
消除了水泵的氣蝕現象，就能在一定程度上減少水泵振動。
