第四章叶片式流体机械的空化理论

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1、 流体机械原理、设计及应用流体机械原理、设计及应用第四章第四章 叶片式流体机械的空化理论叶片式流体机械的空化理论第一节：流体机械的空化与空蚀机理第一节：流体机械的空化与空蚀机理第二节：泵的安装高度与汽蚀余量第二节：泵的安装高度与汽蚀余量第三节：空化与空蚀的防护及改善措施第三节：空化与空蚀的防护及改善措施 流体机械原理、设计及应用流体机械原理、设计及应用第一节第一节 流体机械的空化与空蚀机理流体机械的空化与空蚀机理一、空化与空蚀机理一、空化与空蚀机理1.空化现象空化现象当当PPv P pK=pV 。 流体机械原理、设计及应用流体机械原理、设计及应用1.有效汽蚀余量有效汽蚀余量 1）定义）定义 将

2、泵吸入管路能量方程式：将泵吸入管路能量方程式：代入上式得：代入上式得： ha=f 吸水管路系统结构参数吸水管路系统结构参数吸水管路系统结构参数吸水管路系统结构参数，流量，流量 ， 而与泵的结构无关，而与泵的结构无关，故又称为装置汽蚀余量；故又称为装置汽蚀余量；ha 越大，表明该泵防汽蚀的性能越大，表明该泵防汽蚀的性能越好。越好。2）影响因素）影响因素 ，故当，故当qV ha 。 而且由于而且由于 流体机械原理、设计及应用流体机械原理、设计及应用3）倒灌高度）倒灌高度 在火力发电厂中在火力发电厂中, 凝结水泵凝结水泵和给水泵吸入容器液面压强均为和给水泵吸入容器液面压强均为相应温度下的汽化压强，则

3、下式相应温度下的汽化压强，则下式可改写为：可改写为：ha=Hghw0（2-9） 即，即，凝结水泵和给水泵均应采用倒灌高度安装凝结水泵和给水泵均应采用倒灌高度安装凝结水泵和给水泵均应采用倒灌高度安装凝结水泵和给水泵均应采用倒灌高度安装。只有：只有：- -Hg =Hd 0，才有可能使，才有可能使NPSHa0 应注意的是：应注意的是：Hg 值的正、负以吸入池液面为基准，当泵值的正、负以吸入池液面为基准，当泵轴高于吸水液面时为正。轴高于吸水液面时为正。 流体机械原理、设计及应用流体机械原理、设计及应用2.必需汽蚀余量必需汽蚀余量1）定义）定义 利用能量方程可以推得：利用能量方程可以推得： hr=f (

4、泵吸入室和叶轮进口的结构参数泵吸入室和叶轮进口的结构参数泵吸入室和叶轮进口的结构参数泵吸入室和叶轮进口的结构参数, 流速大小流速大小),即，即，hr 只与泵的结构有关，而与吸入管路无关，故又称之为泵的只与泵的结构有关，而与吸入管路无关，故又称之为泵的汽蚀余量。汽蚀余量。2）影响因素）影响因素 在泵的正常工作范围内，由于在泵的正常工作范围内，由于hr 具有流动损失的属性，具有流动损失的属性，某泵某泵hr 越小，表明该泵防汽蚀的性能越好。越小，表明该泵防汽蚀的性能越好。hr 由泵制造厂通过试验测出。由泵制造厂通过试验测出。当当qVhr 。 流体机械原理、设计及应用流体机械原理、设计及应用汽蚀区非汽

5、蚀区 泵运行中泵运行中, ha-qV 和和hr-qV的变化关系如图所示。即的变化关系如图所示。即hr-qVha- -qVH-qVqVHhOqVCC3.对汽蚀余量对汽蚀余量h的几点说明的几点说明即即hrha，泵内将产生汽蚀。，泵内将产生汽蚀。 当当qV qVC时，因时，因pKpV ,但流量不能太小：但流量不能太小：冲角冲角冲角冲角 hwNPSHr运行时的运行时的最大允许流量最大允许流量和和最小允许流量最小允许流量。 因此，应规定出泵因此，应规定出泵水温水温水温水温 tpVNPSHa1）泵运行中）泵运行中ha 与与hr 的关系的关系 流体机械原理、设计及应用流体机械原理、设计及应用2）临界汽蚀余量

6、）临界汽蚀余量hc 和允许汽蚀余量和允许汽蚀余量 h的关系的关系 hr-qVha- -qVh-qVH-qV汽蚀区非汽蚀区KqVHNPSHOqVCC设计点A 由图可知由图可知, qVha pK=pV ，液体开始汽化。此液体开始汽化。此时，时，ha就是使泵内发生汽蚀就是使泵内发生汽蚀的临界值，即：的临界值，即：该值可通过泵汽蚀试验确定。该值可通过泵汽蚀试验确定。 ha=hc=hr也有采用：也有采用： h=（1.11.3）hc 为避免泵内汽蚀，常在为避免泵内汽蚀，常在hc的基础上加上一个安全余量作的基础上加上一个安全余量作为允许汽蚀余量而载入泵的产品样本中，即：为允许汽蚀余量而载入泵的产品样本中，即

7、： hh=hhc c+0.3 m+0.3 m 流体机械原理、设计及应用流体机械原理、设计及应用3） h与与Hg 的关系的关系 在式在式h ha，可得到计算泵允许几何安装高度的另一表达式：，可得到计算泵允许几何安装高度的另一表达式： 中。用中。用 Hg Hg,上式与上式与意义。意义。比较，两者具有相同的实用比较，两者具有相同的实用 所不同是：使用所不同是：使用上上式不需要进行修正式不需要进行修正式不需要进行修正式不需要进行修正，只要把使用地点条，只要把使用地点条件下的参数值直接代入即可。件下的参数值直接代入即可。 流体机械原理、设计及应用流体机械原理、设计及应用 【例例】 有一单吸单级离心泵，流

8、量有一单吸单级离心泵，流量qV =68m3/h，hc=2m，从封闭容器，从封闭容器中抽送温度为中抽送温度为 40清水，容器中液面压强为清水，容器中液面压强为 8.829kPa ，吸入管路阻力为，吸入管路阻力为0.5m， 试求该泵的允许几何安装高度是多少？试求该泵的允许几何安装高度是多少？ 已知水在已知水在40时的密度为时的密度为992/m3。 【解解】 h= hc+0.3=2+0.3=2.3 （m） 查附录查附录得得 40的水相对应的饱和蒸汽压强为的水相对应的饱和蒸汽压强为pV = 7374Pa，于是由式，于是由式可得：可得： 计算结果计算结果Hg为负值为负值, 故该泵的叶轮进口中心应在容器液

9、面以下故该泵的叶轮进口中心应在容器液面以下2.65m。 流体机械原理、设计及应用流体机械原理、设计及应用三、汽蚀相似定律及汽蚀比转速三、汽蚀相似定律及汽蚀比转速1.汽蚀相似定律汽蚀相似定律 问题的提出：问题的提出：问题的提出：问题的提出：对几何相似的泵，在相似的运行工况下，其对几何相似的泵，在相似的运行工况下，其必需汽蚀余量如何换算？必需汽蚀余量如何换算？ 由于由于hr具有泵入口流动损失的属性，并正比于流量的平具有泵入口流动损失的属性，并正比于流量的平方，则汽蚀相似定律为：方，则汽蚀相似定律为： 实践表明：由于实践表明：由于尺寸效应尺寸效应以及以及转速效应转速效应的影响，会引起必的影响，会引起

10、必需汽蚀余量的换算误差，资料推荐换算时的转速差在需汽蚀余量的换算误差，资料推荐换算时的转速差在25%的的范围内为宜。范围内为宜。 流体机械原理、设计及应用流体机械原理、设计及应用 那么，转速高低对必需汽蚀余量换算误差的影响如何呢？那么，转速高低对必需汽蚀余量换算误差的影响如何呢？那么，转速高低对必需汽蚀余量换算误差的影响如何呢？那么，转速高低对必需汽蚀余量换算误差的影响如何呢？ 1 、当当n 时时, qV进口处反向流进口处反向流主流主流p ，游离气体，游离气体析出析出 ，hr 的的试验值试验值试验值试验值 换算值换算值换算值换算值，则，则，则，则换算值偏于不安全换算值偏于不安全换算值偏于不安全

11、换算值偏于不安全。 2 、当当n 时，进口处流速增大且分布均匀，液体时，进口处流速增大且分布均匀，液体泵进泵进口低压区的时间口低压区的时间 ，汽泡发生，汽泡发生 ，hr r 的的的的试验值试验值试验值试验值 换算值换算值换算值换算值， 则则则则换换换换算值偏于安全算值偏于安全算值偏于安全算值偏于安全。 对同一台泵，即对同一台泵，即D1m=D1p，则可将汽蚀相似定律改写为：则可将汽蚀相似定律改写为：（2-16）即：转速提高，即：转速提高， NPSHr将成平方增加。因此，泵的抗汽蚀性能将成平方增加。因此，泵的抗汽蚀性能将大大下降，故将大大下降，故泵在实际运行中不得超速泵在实际运行中不得超速泵在实际

12、运行中不得超速泵在实际运行中不得超速。 流体机械原理、设计及应用流体机械原理、设计及应用2.汽蚀比转速汽蚀比转速 1）问题的提出：问题的提出：问题的提出：问题的提出： 必需汽蚀余量必需汽蚀余量只能反映只能反映某一台某一台泵泵汽蚀性汽蚀性能能的的好坏好坏，而而不能对不同泵进行汽蚀性能的比较不能对不同泵进行汽蚀性能的比较，因此需要一，因此需要一个包括设计参数在内的综合性汽蚀相似特征数，并称之为汽蚀个包括设计参数在内的综合性汽蚀相似特征数，并称之为汽蚀比转速，其构造方法和泵的比转速的推导过程类似。比转速，其构造方法和泵的比转速的推导过程类似。 目前目前, 国内习惯使用的有量纲的汽蚀比转速用符号国内习

13、惯使用的有量纲的汽蚀比转速用符号c表示，表示，其表达式如下：其表达式如下： 式中，式中，hr、qV 和和 n 的单位分别为：的单位分别为：m、m3/s 和和 r/min 。 流体机械原理、设计及应用流体机械原理、设计及应用 2 2）对汽蚀比转速的几点说明）对汽蚀比转速的几点说明）对汽蚀比转速的几点说明）对汽蚀比转速的几点说明 （1） c 值依值依 max值确定。值确定。 c 值越大，泵抗汽蚀性能越好值越大，泵抗汽蚀性能越好。 （2）c值是一个综合性汽蚀相似特征数值是一个综合性汽蚀相似特征数, 同同H 值无关。若值无关。若两台泵两台泵入口通流部分几何和运行工况相似入口通流部分几何和运行工况相似，

14、则，则c值相等，表示值相等，表示两台泵具有相同的抗汽蚀性能。两台泵具有相同的抗汽蚀性能。 （3）要提高泵的抗汽蚀性能，）要提高泵的抗汽蚀性能，只需研究泵入口通流部分只需研究泵入口通流部分的几何参数关系。的几何参数关系。 （4）对于双吸叶轮，）对于双吸叶轮， 应以其应以其qV /2 代入代入c值的表达式中。值的表达式中。 （5）汽蚀比转速的大致范围如下：）汽蚀比转速的大致范围如下： 考虑因素考虑因素主要考虑效率的泵主要考虑效率的泵兼顾汽蚀和效率的泵兼顾汽蚀和效率的泵对汽蚀性能要求高的泵对汽蚀性能要求高的泵C C值范围值范围600800800120012001600 流体机械原理、设计及应用流体机

15、械原理、设计及应用第三节第三节 提高泵抗汽蚀性能的措施提高泵抗汽蚀性能的措施 泵在运行中汽蚀与否，是由泵本身的汽蚀性能和吸入装置泵在运行中汽蚀与否，是由泵本身的汽蚀性能和吸入装置的特性共同决定的。因此，解决泵汽蚀问题可从如下四个方面的特性共同决定的。因此，解决泵汽蚀问题可从如下四个方面入手：入手： 一、降低必需汽蚀余量以一、降低必需汽蚀余量以提高提高泵抗汽蚀性能的措施泵抗汽蚀性能的措施 四、首级叶轮采用抗汽蚀性能好的材料四、首级叶轮采用抗汽蚀性能好的材料 二、提高有效汽蚀余量以二、提高有效汽蚀余量以防止防止泵汽蚀的措施泵汽蚀的措施 三、运行中三、运行中防止防止汽蚀的措施汽蚀的措施 。 流体机械

16、原理、设计及应用流体机械原理、设计及应用 一、降低必需汽蚀余量以提高泵抗汽蚀性能的措施一、降低必需汽蚀余量以提高泵抗汽蚀性能的措施 1多级泵首级叶轮采用双吸式多级泵首级叶轮采用双吸式 多级泵首级叶轮采用双吸式，在多级泵首级叶轮采用双吸式，在qV、n和和c相相同的情况下，其必需汽蚀余量变为单吸叶轮的必同的情况下，其必需汽蚀余量变为单吸叶轮的必需汽蚀余量的需汽蚀余量的0.63 倍倍？如国产如国产125MW 和和 300MW汽轮发电机组的给水泵首级叶轮均采用双吸式。汽轮发电机组的给水泵首级叶轮均采用双吸式。 2加装诱导轮加装诱导轮 其加压和强制预旋其加压和强制预旋w0 hr；其轴向流道宽而长，汽；其

17、轴向流道宽而长，汽泡泡后，后，只能沿其外缘运动，因只能沿其外缘运动，因 p 溃灭，溃灭， 限制汽泡限制汽泡, 不致不致使阻塞整个流道。在安装诱导轮之后，使阻塞整个流道。在安装诱导轮之后，c 值可由值可由8001000 3000 。目前国产火力电厂大型凝结水泵一般都装有诱导轮。目前国产火力电厂大型凝结水泵一般都装有诱导轮。 流体机械原理、设计及应用流体机械原理、设计及应用 尽可能地减少吸入管路的附件，合理地加大吸入管道的尽可能地减少吸入管路的附件，合理地加大吸入管道的d，尽量缩短吸入管道尽量缩短吸入管道L。 1、减少吸入管路的阻力损失、减少吸入管路的阻力损失 3、设置前置泵、设置前置泵 二二 、

18、提高有效汽蚀余量以防止泵汽蚀的措施、提高有效汽蚀余量以防止泵汽蚀的措施 2、合理的选择泵的几何安装高度、合理的选择泵的几何安装高度Hg 对给水泵和凝结水泵采取对给水泵和凝结水泵采取对给水泵和凝结水泵采取对给水泵和凝结水泵采取HHd d。确定。确定。确定。确定HHg g或或或或HHd d时，应留有较大时，应留有较大时，应留有较大时，应留有较大余量，以防止在非正常工况时产生汽蚀现象。余量，以防止在非正常工况时产生汽蚀现象。余量，以防止在非正常工况时产生汽蚀现象。余量，以防止在非正常工况时产生汽蚀现象。 单机容量单机容量锅炉给水泵的锅炉给水泵的t 和和n泵入口泵入口ha除氧器的除氧器的Hd, 安装困

19、难且不经济。为此，国内外对大容量的锅炉给水安装困难且不经济。为此，国内外对大容量的锅炉给水泵，广泛采用在其前设置低速前置泵的方法。泵，广泛采用在其前设置低速前置泵的方法。 给水经前置泵升给水经前置泵升压，相当于压，相当于pe /gha。 流体机械原理、设计及应用流体机械原理、设计及应用 （1）规定首级叶轮的汽蚀寿命。规定首级叶轮的汽蚀寿命。为了避免因汽蚀而发生泵为了避免因汽蚀而发生泵的重大损坏事故，的重大损坏事故， 火力发电厂应规定首级叶轮的汽蚀寿命，到火力发电厂应规定首级叶轮的汽蚀寿命，到时予以更换。时予以更换。 （2）泵应在规定转速下运行，不得超速。泵应在规定转速下运行，不得超速。因为当因

20、为当n泵的泵的hr ，则泵的抗汽蚀性能将显著降低。则泵的抗汽蚀性能将显著降低。 （3）不允许用泵的吸入系统上的阀门调节流量。不允许用泵的吸入系统上的阀门调节流量。否则，将否则，将导致吸入管路的导致吸入管路的hwha 。三、运行中防止汽蚀的措施三、运行中防止汽蚀的措施 （4）泵在运行时若发生汽蚀，泵在运行时若发生汽蚀，可以设法减小流量，或降低可以设法减小流量，或降低转速。转速。 流体机械原理、设计及应用流体机械原理、设计及应用 受到使用和安装条件的限制不能完全避免发生汽蚀的泵，受到使用和安装条件的限制不能完全避免发生汽蚀的泵，应采用抗汽蚀性能好的材料制成叶轮，或将这类材料喷涂在泵应采用抗汽蚀性能

21、好的材料制成叶轮，或将这类材料喷涂在泵壳、叶轮的流道表面上，以便延长叶轮的使用寿命。壳、叶轮的流道表面上，以便延长叶轮的使用寿命。四、首级叶轮采用抗汽蚀性能好的材料四、首级叶轮采用抗汽蚀性能好的材料 如高压给水泵广泛采用各种等级的铬不锈钢，目前国外认如高压给水泵广泛采用各种等级的铬不锈钢，目前国外认为满意的材料是含铬为满意的材料是含铬17% 、镍、镍4%的马氏体沉淀硬化不锈钢。的马氏体沉淀硬化不锈钢。 一般来说，材料的强度高、韧性好、硬度高、化学稳定性一般来说，材料的强度高、韧性好、硬度高、化学稳定性好，则它抗汽蚀性能也好。好，则它抗汽蚀性能也好。 流体机械原理、设计及应用流体机械原理、设计及

22、应用1、泵泵运运行行时时，为为什什么么应应规规定定出出泵泵的的最最大大允允许许流流量量和和最最小小允许流量？允许流量？ 2、泵转速变化较大时，为什么用汽蚀相似定律换算的必、泵转速变化较大时，为什么用汽蚀相似定律换算的必需汽蚀余量与试验值存在误差？需汽蚀余量与试验值存在误差？ 高低转速的误差偏差方向一高低转速的误差偏差方向一样吗？为什么？何时换算值偏于不安全？样吗？为什么？何时换算值偏于不安全？ 3 3、泵内汽蚀的产生与那些因素有关？又如何防止呢？泵内汽蚀的产生与那些因素有关？又如何防止呢？ 4 4、在在火火力力发发电电厂厂中中, 凝凝结结水水泵泵和和给给水水泵泵为为什什么么要要采采用用倒灌高度？倒灌高度受哪些因素制约，如何解决？倒灌高度？倒灌高度受哪些因素制约，如何解决？