安徽电气职院流体力学泵与风机教案09泵的汽蚀.docx

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1、第九章泵的汽蚀第一节汽蚀现象及其对泵性能的影响第二节吸上真空高度一、教学目标：1 .深刻理解汽蚀现象及其对泵性能的影响；2 .明确吸上真空高度的概念，并进行允许安装高度与允许吸上真空而度的计算。二、教学重点与难点重点：汽蚀现象及其对泵性能的影响；难点：允许吸上真空高度的概念和计算。三、教学方式及教具教学方式：采用设问、提问和鼓励学生自行分析等与学生互动的方式，充分调动学生的听课主动性，启发学生积极思维。教具：必要的挂图、教具或多媒体幻灯教学等手段，使教学内容直观、形象化，以强化教学效果。四、教学时间分配（共100分钟）1 .复习旧课、引入新课5分钟2 .讲授新课90分钟；3 .小结3分钟，布置

2、作业2分钟。五、教学内容提要1 .汽蚀现象及其对泵性能的影响；2 .吸上真空高度六、板书设计一、汽蚀现象及其对泵性能的影响二、吸上真空高度七、本节课内容小结八、作业：Pg思考题：1;习题：6o第三节汽蚀余量一、教学目标：1 .牢固掌握有效汽蚀余量和必需汽蚀余量的概念，明确有效汽蚀余量和必需汽蚀余量对泵汽蚀性能的影响；2 .明确有效汽蚀余量和必需汽蚀余量的关系，掌握临界汽蚀余量的概念；3 .掌握允许安装高度与允许吸上真空高度与汽蚀余量之间的关系；二、教学重点与难点重点：有效汽蚀余量和必需汽蚀余量的概念，及其对泵汽蚀性能的影响；难点：允许吸上真空高度的概念和计算。三、教学方式及教具教学方式：采用设

3、问、提问和鼓励学生自行分析等与学生互动的方式，充分调动学生的听课主动性，启发学生积极思维。教具：必要的挂图、教具或多媒体幻灯教学等手段，使教学内容直观、形象化，以强化教学效果。四、教学时间分配（共100分钟）1 .复习旧课、引入新课5分钟2 .讲授新课90分钟：3 .小结3分钟，布置作业2分钟。五、教学内容提要1 .有效汽蚀余量2 .必需汽蚀余量3 .有效汽蚀余量和必需汽蚀余量的关系；4.汽蚀余量与吸上真空高度的关系。六、板书设计一、有效汽蚀余量二、必需汽蚀余量三、有效汽蚀余量和必需汽蚀余量的关系四、汽蚀余量与吸上真空高度的关系七、本节课内容小结八、作业：P125思考题：1、2、3、4、5；习

4、题：1、4、8。第四节汽蚀相似定律及汽蚀比转数第五节提高泵抗汽蚀性能的措施一、教学目标：1 .了解汽蚀相似定律；2 .会计算汽蚀比转数；3 .掌握提高泵抗汽蚀性能的措施。二、教学重点与难点重点：提高泵抗汽蚀性能的措施；难点：汽蚀相似定律及汽蚀比转数。三、教学方式及教具教学方式：采用设问、提问和鼓励学生自行分析等与学生互动的方式，充分调动学生的听课主动性，启发学生积极思维。教具：必要的挂图、教具或多媒体幻灯教学等手段，使教学内容直观、形象化，以强化教学效果。四、教学时间分配（共100分钟）1 .复习旧课、引入新课5分钟2 .讲授新课90分钟；3 .小结3分钟，布置作业2分钟。五、教学内容提要1

5、.汽蚀相似定律2 .汽蚀比转数及其说明3.提高泵抗汽蚀性能的措施六、板书设计一、汽蚀相似定律二、汽蚀比转数及其说明三、提高泵抗汽蚀性能的措施1.提高泵本身的抗汽蚀性能2.提高吸入装置的能将汽蚀余量七、本节课内容小结八、作业：Pi25思考题：6、7、9；习题：2、3、7。第九章泵的汽蚀1 .本章教学提纲：、汽蚀现象对泵工作的影响：(1)材料破坏汽蚀发生时，由于机械剥蚀与化学腐蚀的共同作用，致使材料受到破坏。(2)噪声和振动汽蚀发生时，不仅使材料受到破坏，而且还会出现噪声和振动。汽泡破裂和高速冲击会引起严重的噪声。但是，在于厂由于其他来源的噪声已相当高，一般情况下，往往感觉不到汽蚀所产生的噪声。汽

6、蚀过程本身是一种反复凝结、冲击的过程，伴随很大的脉动力。如果这些脉动力的某一频率与设备的自然频率相等，就会引起强烈的振动。(3)性能下降汽蚀发展严重时，大量汽泡的存在会堵塞流道的截面，减少流体从叶轮获得的能量，导致扬程下降，效率也相应降低。对水泵而言，汽蚀问题是影响其向高速化发展的一个突出障碍。随着科技事业的不断发展，汽蚀研究仍将是一个重要的课题。二、反映和控制汽蚀现象的指标：(1)真空高度Hs：对某一台水泵，尽管其性能可以满足使用要求，但是如果几何安装高度不合适，由于汽蚀的原因，则会限制流量的增加，从而导致性能达不到设计要求。因此，确定泵的几伺安装高度是保证泵在设计工况下工作时不发生汽蚀的重

7、要条件。(2)汽蚀余量：用符号Ah表示，或用NPSH表示(NetPositiveSuctionHead)。汽蚀余量又分为有效汽蚀余量Aha或NPSHa和必需汽蚀余量或NPSH“(3)汽蚀相似定律及汽蚀比转数：汽蚀余量只能反映泵汽蚀性能的好坏，而不能对不同泵进行汽蚀性能的比较，因此需要一个包括泵的性能参数及汽蚀性能参数在内的综合相似特征数，这个相似特征数称为汽蚀比转数，用符号C表示。三、提高泵抗汽蚀性能的措施：(1)降低叶轮入口部分流速(2)采用双吸式叶轮(3)增加叶轮前盖板转弯处的曲率半径这样可以减小局部阻力损失。(4)叶片进口边适当加长即向吸人方向延伸，并作成扭曲(5)首级叶轮采用抗汽蚀性能

8、好的材料如采用含银格的不锈钢、铝青铜、磷青铜。(6)减小吸入管路的流动损失即可适当加大吸人管直径，尽量减少管路附件，如弯头、阀门等，并使吸人管长最短。(7)合理确定两个高度即几何安装高度及倒灌高度。(8)设置前置泵给水经前置泵升压后再进入给水泵，提高了泵的有效汽蚀余量，改善了给水泵的汽蚀性能：同时除氧器的安装高度也大为降低。这是防止给水泵产生汽蚀、简单而又可靠的一种方法。(9)采用诱导轮(10)采用双重翼叶轮(ID采用超汽蚀泵2 .本章基本概念：一、汽二、吸上真空高度Hs.(1)几何安装高度(2)允许吸上真空高度HJ三、汽蚀余量1】：(1)有效汽蚀余量Aha(2)必需汽蚀余量儿四、汽蚀比转数3

9、 .本章教学内容：第一节汽蚀现象及其对泵工作的影响一、汽蚀现象水和汽可以互相转化，这是液体所固有的物理特性，而温度和压力则是造成它们转化的条件。如果使水的某一温度保持不变，逐渐降低液面的绝对压力，当该压力降低到某一数值时，水同样也会发生汽化，把这个压力称为水在该温度下的汽化压力，用符号Pv表示。如果在流动过程中，某一局部地区的压力等于或低于与水温相对应的汽化压力时，水就在该处发生汽化。汽化发生后，就有大量的蒸汽及溶解在水中的气体逸出，形成许多蒸汽与气体混合的小汽泡。当汽泡随同水流从低压区流向高压区时，汽泡在高压的作用下，迅速凝结而破裂，汽泡破裂的瞬间，产生局部空穴，高压水以极高的速度流向这些原

10、汽泡占有的空间，成一个冲击力。由于汽泡中的气体和蒸汽来不及在瞬间全部溶解和凝结，因此，在冲击力的作用下又分成小汽泡，再被高压水压缩、凝结，如此形成多次反复，在流道表面形成极微小的冲蚀。冲击力形成的压力可高达几百甚至上千MPa,冲击频率可达每秒几万次。如图5-1所示，流道材料表面在水击压力作用下，形成疲劳而遭到严重破坏，从开始的点蚀到严重的蜂窝状空洞，最后甚至把材料壁面蚀穿，通常把这种破坏现象称为剥蚀。另外，由液体中逸出的氧气等活性气体，借助汽泡凝结时放出的热量，也会对金属起化学腐蚀作用。这种汽泡的形成发展和破裂以致材料受到破坏的全部过程，称为汽蚀现象。二、汽蚀对泵工作的影响由以上分析可知，在流

11、动过程中，如果出现了局部的压力降，且该处压力降低到等于或低于水温对应下的汽化压力时，则水发生汽化。随着工况的变化，汽化先后发生的部位也不同。一般在小于设计工况下运行时，压力最低点发生在靠近前盖板叶片进口处的工作面上。开始发生汽化时，因为只有少量汽泡，叶轮流道堵塞不严重，对泵的正常工作没有明显影响，泵的外部性能也没有明显变化。这种尚未影响到泵外部性能时的汽蚀称为潜伏汽蚀。泵长期在潜伏汽蚀工况下丁作时，泵的材料仍要受到剥蚀，影响它的使用寿命。当汽化发展到一定程度时，汽泡大量聚集，叶轮流道被汽泡严重堵塞，致使汽蚀进一步发展，影响到泵的外部特性，导致泵难以维持正常运行。综上所述，汽蚀对泵产生了诸多有害

12、的影响。(1)材料破坏汽蚀发生时，由于机械剥蚀与化学腐蚀的共同作用，致使材料受到破坏，图5-3所示为一个受汽蚀破坏的离心泵叶轮示例。(2)噪声和振动汽蚀发生时，不仅使材料受到破坏，而且还会出现噪声和振动。汽泡破裂和高速冲击会引起严重的噪声。但是，在于厂由于其他来源的噪声已相当高，一般情况下，往往感觉不到汽蚀所产生的噪声。汽蚀过程本身是一种反复凝结、冲击的过程，伴随很大的脉动力。如果这些脉动力的某一频率与设备的自然频率相等，就会引起强烈的振动。(3)性能下降汽蚀发展严重时，大量汽泡的存在会堵塞流道的截面，减少流体从叶轮获得的能量，导致扬程下降，效率也相应降低。这时，泵的外部性能有明显的变化。由图

13、54可知，氏二70的离心式泵，当几何安装高度为6m时，出水管阀门的开度只能开到曲线上黑点所对应的流量。如果继续开大阀门，流量进一步有所增加时，扬程曲线则急剧下降，这表明汽蚀已经达到致使水泵不能工作的严重程度。这一工况，称为断裂工况。当把几何安装高度从6m增加到7m时，断裂工况就向流量小的方向偏，可以使用的运行范围就变窄，图5-5为一ns=150的双吸离心泵在不同几何安装高度下发生汽蚀后的性能曲线，与飞=70（图5-4）的离心泵相比，其断裂工况比较缓和，没有明显的断裂点，其扬程和效率曲线是逐渐下降的。从s=690的轴流式泵汽蚀后的性能曲线图上几乎看不出汽蚀发生时的断裂工况点。N-N亚糙S心S1*

14、4httK,1.ft(w-./几何安装高度提高到8m时，断裂工况偏向更小的流量，泵的使用范围就更窄。由试验可知，4425时，在性能曲线上没有明显的汽蚀断裂点。其原因是：在低比转数的离心泵中，由于叶片宽度小，流道窄且长，在发生汽蚀后，大量汽泡很快就布满流道，影响流体的正常流动，造成断流，致使扬程、效率急剧下降。在比转数大的离心泵中，叶片宽度大，流道宽且短，因此汽泡发生后，并不立即布满流道，因而对性能曲线上断裂工况点的影响就比较缓和。在高比转数的轴流泵中，由于叶片数少，具有HaAG人-东2内次灭鼻友之联Kl?任禽偏立G.-223Qr.ouo)I安NWw4”ar*,Gj三i套。：a;4taj3“E相

15、当宽的流道，汽泡发生后，不可能布满流道，从而不会造成断流，所以在性能曲线上，当流量增加时，就不会出现断裂工况点。尽管如此，但仍有潜伏汽蚀的存在，仍需防止。第二节吸上真空高度HS如图54所示。对某一台当增加泵的几何安装高度时，会在更小的流量下发生汽蚀,水泵来说，尽管其性能可以满足使用要求，但是如果几何安装高度不合适，由于汽蚀的原因，会限制流量的增力，从而导致性能达不到设计要求。因此，确定泵的几伺安装高度是保证泵在设计工况下工作时不发生汽蚀的重要条件。中小型卧式离心泵的几何安装高度如图57所示。立式离心泵的几何安装高度是指第一级工作叶轮进口边的中心线至吸水池液面的垂直距离。对于大型泵则应按叶轮人口

16、边最高点采决定几何安装高度。图5-7G式心案的几何安装高度在泵样本中，有一项性能指标，叫作允许吸上真空高度，用符号HJ表示，这项性能指标和泵的几何安装高度有关。几何安装高度就是根据这一数值计算确定的。允许吸上真空高度HJ和几何安装高度之间的关系可通过图5-7进行讨论。流体在旋转叶轮中受离心力的作用被甩出叶轮，这时在叶轮人口处就形成了真空，于是水池中液体就在液面压力作用下经吸水管路进入泵内。取吸水池液面为基准面，列出水面ee和泵入门S-S断面的伯诺利方程式：当液面压力就是大气压力时，PC=Panh则有从上式可知，泵的几何安装高度Hg与液面压力、入口压力、入口平均速度以及吸入管路中的流动损失有关。

17、几何安装高度总是小于IOm的。上式中的前两项之差称为吸上真空高度，用HS表示。在发生断裂工况时的Hs,称为最大吸上真空高度或临界吸上真空高度，用符号Hsmax表示。最大吸上真空高度HSmaX是由试验确定的。为保证泵不发生汽蚀，允许吸上真空高度通常取为H.j-(0.3-V.5),7M-w.,a-围一儿figt当吸人容器中的压力为汽化压力时(电厂的凝结水泵和给水泵均属于这种情况)，Pc=P、：,则=HkK二、必需汽蚀余量%必需汽蚀余量%与吸人系统的装置情况无关，是由泵本身的汽蚀性能所确定的。泵吸入口处的压力并非泵内液体的最低压力。而最低压力点通常在叶片进口边稍后的k点，如图5-12所示，因为液体从

18、泵吸入口(一般指泵进口法兰ss截面处)至叶轮进口有能量损失，因而致使压力继续降低到k点。从泵吸人口至泵出口的压力变化曲线示于图5-12中。必需汽蚀余量4hr即指：液体从泵吸人口至压力最低k点的压力降。影响压力降有以下原因：(1)吸入口SS截面至kk截面间(图512)有流动损失，致使液体压力下降。(2)从ss至kk截面时，由于液体转弯等引起绝对速度分布不均匀，导致流体压力下降。(3)吸入管一般为收缩形，因速度改变而导致压力下降。(4)流体进入叶轮流道时，以相对速度绕流叶片进口边，从而引起相对速度的分布不均匀，致使压力下降。在压力降的上述因素中，(1)和(2)项的流动损失和绝对速度分布不均匀所造成

19、的损失，难以正确计算。因而在推导计算公式时，暂不考虑，以后再加以修正。利用伯诺利方程推导出的ahr计算公式为式中人、入2压降系数；W。、v。一叶片进口边稍前的相对速度和绝对速度。三、有效汽蚀余量Aha和必需汽蚀余量Ahr的关系%是吸人系统所提供的在泵吸人口大于饱和蒸汽压力的富余能量。越大，表示泵抗汽蚀性能越好。而必需汽蚀余量是液体从泵吸入口至k点的压力降，Ahr越小，则表示泵抗汽蚀性能越好，可以降低对吸人系统提供的有效汽蚀余量%的要求。由前述已知，有效汽蚀余量Aha随流量的增加是一条下降的曲线。但由上式可知，流从而致使必需汽蚀余量将随流量的增ff5-J4傀化关基量增力口会导致叶片进口前的流速V

20、O、WO增大,加是一条上升的曲线。这两条曲线交于C点，如图5-14所示。C点为汽蚀界限点，亦即临界汽蚀状态点，该点的流量为临界流量q、,c。当q、q、c，hfhaB,有效汽蚀余量所提供的超过汽化压力的富余能量，不足以克服泵入口部分的压力降，此时，最低压力pkpy,从而造成泵内汽蚀，因此W右边为汽蚀区。只有q、Pv,从而使泵不发生汽蚀，所以左边为安全区。由上述分析可知，泵不发生汽蚀的条件为4hahro在临界状态点，Ahu=ZXhr=Ahc由汽蚀试验求得，为保证泵不发生汽蚀，AhjJ口一安全量，得允许汽蚀余量!通常取4h=(l.l1.3)hc或Zh=k+K四、汽蚀余量Ah与吸上真空高度HS的关系汽

21、蚀余量Ah和吸上真空高度HS这两个表示汽蚀性能的参数之间存在一定的关系。由汽蚀余量和吸上真空高度Hs的计算和概念推出汽蚀余量与吸上真空高度Hs的关系式为HJ-A在_J-4 PtiPa,j-对于Zh和HJ这两个表示汽蚀性能的参数，我国过去多采用HJ。但因使用Zh时;不需进行换算，特别对电厂的锅炉给水泵和凝结水泵，吸人液面都不是大气压力的情况下,尤为方便。同时ZXh更能说明汽蚀的物理概念。因此，目前已较多使用ZXh.第四节汽蚀相似定律及汽蚀比转数汽蚀余量只能反映泵汽蚀性能的好坏，而不能对不同泵进行汽蚀性能的比较，因此需要一个包括泵的性能参数及汽蚀性能参数在内的综合相似特征敷，这个相似特征数称为汽蚀

22、比转数，用符号C表示。由汽蚀基本方程式，根据相似条件，推出汽蚀相似定律的表达式为汽蚀相似定律指出；进口几何尺寸相似的泵，在相似工况下运行时，原型和模型泵必需汽蚀余量之比等于叶轮进口几何尺寸的平方比和转速的平方比的乘积。对同一台泵，即DIP=Dlm，则由式(519)得券=Wz上式指出，对同一台泵来说，当转速变化时，汽蚀余量随转速的平方成正比关系变化,即当泵的转速提高后，必需汽蚀余量成平方增加，泵的抗汽蚀性能大为恶化，一、汽蚀比转数由流量相似定律和汽蚀相似定律进行变换后推得汽蚀比转数的计算式为n1.S称为吸人比转数。国外通常用吸入比转数计算。而我国习惯上采用下式计算：362”771.编一C称为汽蚀

23、比转数。式中常数5.62是为了放大C值。上式指出，必需汽蚀余量小，则汽蚀比转数值大，即表示汽蚀性能好。反之，则差。因此，汽蚀比转数的大小，可以反映泵抗汽蚀性能的好坏。但必须指出，为了提高C值往往使泵的效率有所下降，目前汽蚀比转数的大致范围如下：主要考虑效率的泵：c=600800；兼顾汽蚀和效率的泵：c=800-1200；对汽蚀性能要求高的泵：c=12001600。对一些特殊要求的泵，如电厂的凝结水泵、给水泵、火箭用的燃料泵等，c值可达16003000o与无因次型式数相类似，最近提出了无因次汽蚀比转数K：C与KS的关系为C=298M三，汽蚀比转数公式的说明(1)汽蚀比转数和比转数一样，是用最高效

24、率点的n、q、,、hr值计算的。因此，一般都是指最高效率点的汽蚀比转数。(2)凡入口几何相似的泵，在相似工况下运行时，汽蚀比转数必然相等。因此，可作为汽蚀相似准则数。与比转数上不同的是，只要求进口部分几何形状和流动相似。即使出口部分不相似，在相似工况下运行时，其汽蚀比转数仍相等。(3)汽蚀比转数公式中流量是以单吸为标准，对双吸叶轮流量应以q2代入。(4)汽蚀比转数c,吸人比转数S和无因次汽蚀比转数K三者的性质并无差别，物理意义相同。对于有因次汽蚀比转数c,由于各国使用单位不同需进行换算。第五节提高泵抗汽蚀性能的措施综上所述，泵是否发生汽蚀，是由泵本身的汽蚀性能和吸人系统的装置条件来确定的。因此

25、，提高泵本身的抗汽蚀性能，尽可能减小必需汽蚀余量以及合理的确定吸人系统装置，以提高有效汽蚀余量Ahil,i般采用以下的措施。一、提高泵本身的抗汽蚀性能(1)降低叶轮入口部分流速由汽蚀基本方程式可知，在压降系数不变时，减小VoW0可使Ahr减小，而VosWO均与入口几何尺寸有关。因此，改进入口几何尺寸，可以提高泵的抗汽蚀性能，一般采用两种方法：适当增大叶轮入口直径Do;增大叶片人口边宽度b,如图516所示。也有同时采用既增大Do又增大如的方法。这些结构参数的改变，均应有一定的限度，否则将影响泵效率。(2)采用双吸式叶轮此时单侧流量减小一半，从而使VO减小。如果汽蚀比转数c、转数n和流量相同时，采

26、用双吸式叶轮，相当于单级叶轮的0.63倍，即双吸式叶轮的必需汽蚀余量是单吸式叶轮的63%,因而提高了泵的抗汽蚀性能。如国产125MW和300MW机组的给水泵，首级叶轮都采用的双吸式叶轮。(3)增加叶轮前盖板转弯处的曲率半径这样可以减小局部阻力损失。(4)叶片进口边适当加长即向吸人方向延伸，并作成扭曲(5)首级叶轮采用抗汽蚀性能好的材料如采用含银铭的不锈钢、铝青铜、璘青铜。二、提高吸入系统装置的有效汽蚀余量(1)减小吸人管路的流动损失即可适当加大吸人管直径，尽量减少管路附件，如弯头、阀门等，并使吸人管长最短。(2)合理确定两个高度即几何安装高度及倒灌高度。(3)设置前置泵随着单机容量的提高，锅炉

27、给水泵的水温和转速也将随之增加，则要求泵人口有更大的有效汽蚀余量。为此，除氧器的倒灌高度随之增加。而除氧器装置高度过高，不仅造成安装上的许多困难，同时也不经济。所以，目前国内外对大容量的锅炉给水泵,广泛采用在给水泵前装置低速前置泵，使给水经前置泵升压后再进入给水泵，从而提高了泵的有效汽蚀余量，改善了给水泵的汽蚀性能：同时除氧器的安装高度也大为降低。这是防止给水泵产生汽蚀、简单而又可靠的一种方法。(4)采用诱导轮诱导轮是与主叶轮同轴安装的一个类似轴流式的叶轮，其叶片是螺旋形的，叶片安装角小，一般取1012,叶片数较少，仅23片，而且轮毂直径较小，因此流道宽而长，如右图所示。主叶轮前装诱导轮，使液

28、体通过诱导轮升压后流入主叶轮(多级泵为首级叶轮)，因而提高了主叶轮的有效汽蚀余量，改善了泵的汽蚀性能。装设诱导轮之后，c值可达3000以上。目前国内的凝结水泵一般都装有诱导轮。(5)采用双重翼叶轮双重翼叶轮由前置叶轮和后置离心叶轮组成，如左图所示，前置叶轮有23个叶片，呈斜流形，与诱导乾相比，其主要优点是轴向尺寸小，结构简单，且不存在诱导轮与主叶轮配合不好，而导致效率下降的问题。所以，双重翼离心泵不会降低泵的性能，却使泵的抗汽蚀性能大为改善。(6)采用超汽蚀泵近年来，发展了一种超汽蚀泵。在主叶轮之前装一个类似轴流式的超汽蚀叶轮，如图5-19所示。其叶片采用了薄而尖的超汽蚀翼型，如图5-20所示，使其诱发一种固定型的汽泡，覆盖整个翼型叶片背面，并扩展到后部，与原来叶片的翼型和空穴组成了新的翼型。其优点是汽泡保护了叶片，避免汽蚀并在叶片后部溃灭，因而不损坏叶片。