影响离心泵空化性能的因素分析

影响离心泵空化性能的因素分析

一、泵内发生空化在运行过程中，当液体传输的绝对压力降低到液体的温度下的汽化压时，液体开始蒸发并产生汽化气泡。随着液体的运动，气泡在高压下破裂。这个现象被称为空旷。泵内一旦发生空化,将使泵的性能降低,甚至导致泵完全不能工作。随着技术的不断进步,工程上对泵的性能指标提出了越来越高的要求,而空化是当前限制泵的性能指标进一步提高的最主要的因素。二、减薄叶片进口厚度及表面粗糙度对泵空化性能的影响离心泵的叶轮设计包括水力设计和结构设计,在叶轮的结构设计中,需要对影响离心泵整机性能的轴向力、振动等因素进行综合考虑,同时叶轮结构对泵的空化性能有着很重要的影响,合理的叶轮结构可以改善泵的空化性能。(1)叶片进口厚度为了减少叶片对液流的冲击,叶片进口厚度一般很小。对于砂型铸造的叶轮,由于受钢液流动性的影响,过薄的叶片进口厚度会影响叶片铸造成形。因此,在铸造时,一般会稍微加厚叶片进口厚度,然后在装配前打磨叶片进口的工作面,使叶片进口减薄,并使其接近流线型,以减少液流进入叶片时的冲击。同时,打磨叶片进口工作面可以增大叶片进口冲角,从而增加了叶片进口的过流面积,减少叶片的排挤,这将减少叶片进口的绝对速度和相对速度,提高泵的抗空化性能。减薄叶片进口厚度及打磨叶片进口工作面,对离心泵偏大流量的空化性能也有一定影响。(2)叶轮进口流道表面粗糙度离心泵的叶轮进口流道的表面粗糙度,对泵空化余量的影响不容忽视。因为较大的表面粗糙度,如未仔细清理掉的铸造黑皮、明显的突出流道表面的夹渣或明显的机加工与非加工过渡棱等,都会在液流中引起额外的冲击和漩涡,进而导致泵的空化性能恶化。因此在工程实践中,对较大流道的表面粗糙度,进行必要的水力打磨是必要的措施之一。(3)叶片进口喉部面积叶片进口的喉部面积对泵空化性能的影响非常大,即便叶片进口处过流面积与叶轮进口断面面积之比较为合理,但是如果叶片入口喉部面积较小,很可能仍无法达到理想的泵空化性能。叶片进口喉部面积过小时,将导致叶片进口液流的绝对速度增大,使泵的空化性能恶化。因此在工程实践中,如果叶片进口喉部面积明显较小,对成型叶轮可以斜切叶片进口边,这样可以扩大叶片进口喉部面积。实践验证,采用这种措施的判断依据为:当叶片入口喉部面积与叶轮前吸入室断面面积的比值小于0.25时,可以采用斜切叶片进口边的方法改善泵的空化性能(如图1所示)。(4)叶轮的材料采用抗空蚀性能良好的材料是一种减少泵空化和空蚀影响的可选措施。不锈钢的抗空化性能普遍高于铸铁和碳钢,而非金属包覆技术的应用扩大了抗空化材料的选择空间。三、叶轮水力设计的改进影响离心泵空化性能的主要因素主要为吸入室水力设计和叶轮的水力设计,吸入室的水力设计相对简单,目的即为了使液流均匀地流入叶轮。但叶轮的水力设计中与空化余量相关的系数则较多,且相互之间存在着相互关联及相互制约,所以叶轮入口参数合理与否,对空化性能的影响较大。(1)实例1型号为EP250—560的单级悬臂泵,合同要求性能参数:Q=763.5m3/h,H=90m,NPSHa=5m,NPSHcr=4m。工厂试验数据:Q=763.5m3/h,H=101.7m,NPSHcr=4.8m,Qmax=820m3/h。该试验结果中泵空化余量不能满足合同要求,并且扬程超过允差范围,而大流量点达不到120%的额定点流量。经拆泵检查叶轮,发现叶片型线与水力图不符,最大偏差3mm,通过三维成形,计算叶片入口喉部面积,实际叶轮入口喉部面积比图样要求少20%。基于检测结果,改进措施为:从前盖板向后盖板斜切割一部分叶片入口(如图1所示),而后将切割后的叶片工作面入口打磨成流线型,达到放大叶片入口过流面积20%左右的目的。同时为降低扬程,将叶轮直径由578mm切割到542mm。改进后再次测试,结果为:NPSHcr=3.92m,Qmax=958m3/h,空化及大流量指标均满足合同的要求。(2)实例2型号为CS50×n的多级泵,曲线要求单级性能参数:Q=55m3/h,H=47m,NPSHcr=2m。泵的试验数据见图2中的改进前曲线。试验结果为:大流量点达不到要求,同时泵的抗空化性能较差。经过对叶轮水力的三维成形,计算叶片进口喉部面积与叶轮进口断面面积的比值小于0.2。基于检测结果,判断叶轮入口喉部面积过小,因此改进措施为:叶轮结构尺寸不动,重新设计叶轮水力,保持原始设计中的前后盖板形状不变,通过加大进口冲角,达到放大叶片入口过流面积的目的。改进后的叶片进口喉部面积与叶轮进口断面面积的比值为0.3。新设计水力的试验数据如图2所示的改进后曲线,满足设计要求。由以上实例可以看出,即便叶片进口处过流面积与叶轮进口断面面积之比较为合理,如果叶片入口喉部面积过小,很可能达不到理想的泵空化性能。根据已经进行的改进实例的经验,叶片进口喉部面积与叶轮进口断面面积的比值较为合理的范围应至少大于0.28。将该比值用叶片进口面积比X来表示,则有:D0——叶轮进口直径;Dh——叶轮进口断面轮毂直径。当叶轮轴面结构尺寸确定后,在设计叶片过程中,叶片进口冲角和叶片进口安放角的取值,应充分考虑X值的影响。由于对于扭曲叶片,叶片入口喉部面积很难进行精确计算,因此建议在设计过程中应用已经普及的三维制图来求取叶片入口的喉部面积。由以上分析可以得出以下结论:1)在进行叶轮水力设计过程中,要使泵达到较高的抗空化性能,仅仅对入口水力参数的单一设计是远远不够的,应该引入一个综合性比值,即:叶片进口面积比X,该值与叶轮入口水力参数中的四个主要参数相关,即:叶轮进口直径、叶轮进口宽度、叶片进口液流角和叶片进口冲角。2)在叶轮水力设计过程中,当叶轮轴面结构尺寸确定以后,在设计叶片过程中,叶片进口液流角和叶片进口冲角的取值,应充分考虑叶片入口喉部面积与叶轮进口断面面积比值X,使其大于0.28。四、空化性能分析从以上实例可以看出,叶片进口的喉部面积对泵空化性能的影响非常大,在有些情况下,虽然单独的水力设计参数的设计相对合理,但如果叶片进口喉部面积与叶轮进口断面面积的比值过小,则泵的空化性能会严重恶化,并导致泵最佳流量点向小流量偏移,整体影响泵的外特性曲线的形状。理论上分析产生这种现象的原因,主要是因为叶片喉部面积过小,叶片进口相对速度大幅度增加,从而导致液流排挤增大所致。式中n——叶片数;随着技术的不断进步,工程上对泵的空化性能提出了越来越高的要求,而