Факторы, влияющие на кавитацию центробежных насосов, необходимо учитывать при проектировании и использовании центробежных насосов. В последние годы в стране и за рубежом было проведено много исследований. Однако из-за различной направленности исследований, а большинство из них представляют собой исследования определенного параметра, влияющего на кавитацию центробежных насосов, результаты исследований разрознены, а некоторые точки зрения противоречивы. В данной работе синтезировано большое количество отечественной и зарубежной литературы, сопоставлены и проанализированы соответствующие результаты исследований факторов, влияющих на кавитацию центробежных насосов, и получено сравнительно полное представление об основных факторах, влияющих на кавитацию центробежных насосов.

1. Влияние физических свойств жидкости

Влияние физических свойств жидкости на кавитацию центробежного насоса в основном включает чистоту, значение pH и концентрацию электролита транспортируемой жидкости, количество растворенного газа, температуру, кинематическую вязкость, давление испарения и термодинамические свойства.

(1) Влияние чистоты (концентрации содержащихся твердых частиц). Чем больше твердых примесей содержится в жидкости, тем больше будет увеличиваться количество ядер кавитации. Тем самым ускоряется возникновение и развитие кавитации.

(2) Влияние значения pH и концентрации электролита. Кавитационный механизм центробежных насосов, транспортирующих полярные среды (например, общие водяные насосы ) и центробежные насосы, транспортирующие неполярные среды (насосы, транспортирующие органические вещества, такие как бензол и алканы). Кавитационное повреждение центробежных насосов, перекачивающих полярные среды, может включать механическое воздействие, химическую коррозию (зависит от значения pH жидкости), электрохимическую коррозию (связанную с концентрацией жидкого электролита); и кавитационное повреждение центробежных насосов, перекачивающих неполярные среды. Вероятно, только механическое воздействие.

(3) Влияние растворимости газа. Зарубежные исследования показали, что содержание растворенного газа в жидкости способствует образованию и развитию зародышей кавитации.

(4) Влияние давления газификации. Исследования показывают, что с увеличением давления газификации кавитационные повреждения сначала увеличиваются, а затем уменьшаются. Поскольку с увеличением давления газификации в жидкости увеличивается и количество нестабильных пузырьковых зародышей, что приводит к увеличению числа разрывов пузырьков, увеличению интенсивности ударных волн и увеличению скорости кавитации. Однако если давление газификации продолжает увеличиваться, количество пузырьков увеличивается до определенного предела и пузырьковая группа образует «слоевой разрыв», который препятствует распространению ударной волны и ослабляет ее силу, а степень поражения кавитации будет возрастать. постепенно уменьшаться.

(5) Влияние температуры Изменение температуры жидкости приведет к большим изменениям давления газификации, растворимости газа, поверхностного натяжения и других физических свойств, влияющих на кавитацию. Видно, что механизм влияния температуры на кавитацию относительно сложен, и его необходимо оценивать в сочетании с реальной ситуацией.

(6) Влияние поверхностного натяжения. Когда другие факторы остаются постоянными, снижение поверхностного натяжения жидкости может уменьшить кавитационные повреждения. Потому что по мере уменьшения поверхностного натяжения жидкости уменьшается интенсивность ударной волны, создаваемой схлопыванием пузырька, и снижается скорость кавитации.

(7) Влияние вязкости жидкости. Чем выше вязкость жидкости, тем ниже скорость потока, тем меньшее количество пузырьков достигает области высокого давления и тем меньше интенсивность ударной волны, создаваемой разрывом пузырьков. . При этом чем больше вязкость жидкости, тем больше ослабление ударной волны. Следовательно, чем ниже вязкость жидкости, тем серьезнее кавитационные повреждения.

(8) Влияние сжимаемости и плотности жидкости. С увеличением плотности жидкости сжимаемость уменьшается, а кавитационные потери увеличиваются.

2. Влияние характеристик материала смачиваемых деталей.

Кавитационные повреждения насоса выражаются преимущественно в повреждении материала проточных частей. Таким образом, свойства материала проточных частей также будут в определенной степени влиять на кавитацию центробежного насоса, а использование материалов с хорошей кавитационной стойкостью для изготовления проточных частей является эффективной мерой по снижению воздействия Кавитация в центробежных насосах.

(1) Твердость материала Если взять в качестве примера рабочее колесо из AISI304, то кавитация вызовет деформационное упрочнение и фазовое преобразование материала рабочего колеса, что приведет к образованию мартенситной стали, а это изменение, в свою очередь, предотвратит дальнейшую кавитацию материала. Кавитационная стойкость мартенситной стали, подвергнутой наклепу и фазовым превращениям, в основном зависит от твердости материала рабочего колеса.

(2) Деформационное упрочнение и сопротивление усталости. Чем выше индекс деформационного упрочнения материала, тем лучше сопротивление усталости и кавитационная стойкость материала.

(3) Влияние кристаллической структуры. В случае некоторых других условий скорость антикавитации является функцией микроструктуры. В кубической кристаллической системе из-за высокой чувствительности к скорости деформации металла объемноцентрированной кубической решетки, когда скорость деформации увеличивается, это вызывает быстрое транскристаллическое хрупкое разрушение и раскол, а также приводит к образованию питтинговой коррозии, что приводит к выше Высокая абразивная скорость. Для металлов с плотноупакованной гексагональной решеткой при соотношении осей, близком к идеальному, и в кавитационной среде активируются все шесть систем скольжения, которые быстро трансформируются в устойчивую ГЦК, поглощающую работу, совершаемую кавитационными напряжениями, и снижая скорость эрозии. Для металлов с гранецентрированной кубической решеткой существует множество систем скольжения, и при высоких нагрузках возникает пластическая реология. Таким образом, инкубационный период длится дольше, а скорость истирания снижается. Короче говоря, во время процесса кавитации переход от BCC к HCP или от FCC к HCP улучшит сопротивление кавитации.

(4) Влияние размера зерна Чем меньше размер зерна металлического материала, используемого в рабочем колесе, тем лучше сопротивление кавитации. Поскольку размер зерна металла меньше, мелкое зерно увеличивает границу зерна, скольжение дислокаций затрудняется, а сопротивление трещины при расширении увеличивается, что продлевает срок службы при истирании.

3. Влияние конструкции центробежного насоса.

С точки зрения конструкции центробежного насоса основное влияние на характеристики кавитации насоса можно разделить на два аспекта: конструкция корпуса насоса и конструкция рабочего колеса. Исследования показали, что прямым фактором, влияющим на кавитационные характеристики центробежных насосов, является локальная однородность потока на входе в рабочее колесо, поэтому конструкция конструкции рабочего колеса оказывает большее влияние на кавитацию центробежных насосов, чем конструкция корпуса насоса, и является основным влияющим фактором.

(1) Влияние конструкции рабочего колеса на кавитационные характеристики центробежного насоса.

Конструкция рабочего колеса центробежного насоса оказывает важное влияние на кавитационные характеристики насоса, а разумная конструкция рабочего колеса может улучшить кавитационные характеристики насоса.

1) Толщина входного отверстия лезвия. Смещение лопастей увеличивает скорость жидкости на входе, что приводит к потере давления. Выбор меньшей толщины входа лопасти может уменьшить влияние лопасти на поток жидкости, увеличить площадь потока на входе лопасти, уменьшить смещение лопасти, тем самым уменьшив абсолютную и относительную скорость входа лопасти, а также улучшить анти- -кавитационная производительность насоса.

2) Шероховатость поверхности впускного канала рабочего колеса. Шероховатость поверхности входного канала рабочего колеса центробежного насоса можно разделить на две категории: одна — это изолированные шероховатые выступы (например, явные шлаковые включения на поверхности выступающего канала потока или очевидные механическая обработка и необработка переходных кромок и т. д.). .), другой — Классы — это шероховатые выступы, равномерно распределенные по участку всей поверхности. Исследования показали, что изолированные шероховатые выступы будут вызывать дополнительные удары и завихрения в потоке жидкости, поэтому риск возникновения кавитации значительно меньше для неровностей, равномерно распределенных по всей поверхности, чем для изолированных шероховатых выступов одинаковой высоты. Видно, что необходимая шлифовка поверхности канала шероховатого потока, особенно поверхности с изолированными шероховатыми выступами, является эффективной мерой улучшения антикавитационных характеристик центробежного насоса.

3) Область входного горла лезвия. Область горловины входного отверстия лопатки оказывает большое влияние на кавитационные характеристики центробежного насоса. Если площадь горла на входе в лопатку мала, даже если отношение площади потока на входе в лопатку к площади поперечного сечения входа в рабочее колесо спроектировано разумно, идеальные характеристики кавитации все равно не могут быть достигнуты. Если площадь входного отверстия лопасти рабочего колеса слишком мала, абсолютная скорость потока жидкости на входе в лопатку увеличится, что приведет к снижению антикавитационной эффективности центробежного насоса.

4) Количество листьев. Количество лопастей рабочего колеса центробежного насоса оказывает большое влияние на подъемную силу, эффективность и кавитационные характеристики насоса. Конечно, использование меньшего количества лопаток рабочего колеса позволяет уменьшить поверхность трения и упростить его изготовление, но его направляющее воздействие на жидкость стало хуже, а использование большего количества лопаток позволяет снизить нагрузку на лопатки и улучшить начальную кавитацию. характеристики, но лопасти. Если их количество слишком велико, степень смещения увеличится, а ширина между соседними лопастями уменьшится, что приведет к легкому образованию групп пузырьков, блокирующих канал потока, что приведет к ухудшению кавитационных характеристик насоса. Поэтому при выборе количества лопаток рабочего колеса необходимо, с одной стороны, минимизировать смещение и поверхность трения лопаток, а с другой стороны, необходимо, чтобы траектория лопаток имела достаточную длину для обеспечения устойчивости. потока жидкости и полного воздействия лопастей на жидкость. В настоящее время не существует определенного и общепринятого правила определения количества листьев. Однако большое количество исследований показало, что для конкретной конструкции центробежного насоса применение метода численного моделирования поля потока CFD может эффективно определить оптимальный диапазон количества лопаток рабочего колеса.

(2) Влияние параметров всасывания рабочего колеса на кавитационные характеристики центробежного насоса.

Параметры всасывающего отверстия рабочего колеса являются соответствующими структурными параметрами, которые определяют площадь входа лопатки рабочего колеса, включая угол атаки на входе лопатки, диаметр входного отверстия рабочего колеса, ширину входного канала потока лопатки и диаметр ступицы. .

1) Угол атаки Δβ на входе лопатки обычно принимает положительный угол атаки (3°~10°). Благодаря положительному углу атаки входной угол лопасти увеличивается, что позволяет эффективно уменьшить изгиб лопасти, увеличить проходное сечение входного отверстия лопасти и уменьшить смещение лопасти. Эти факторы позволят снизить v0 и ω0 и улучшить антикавитационные характеристики насоса. А когда скорость потока центробежного насоса увеличивается, относительный угол потока на входе увеличивается, а положительный угол атаки позволяет избежать отрицательного угла атаки, когда насос работает при высокой скорости потока, что приводит к резкому увеличению λ2 (как показано на рисунке). рисунок ниже). Большое количество исследований показало, что увеличение угла входа лопатки и поддержание положительного угла атаки может улучшить антикавитационные характеристики насоса и мало повлиять на эффективность. Однако выбор угла атаки имеет оптимальное значение для антикавитационной эффективности центробежного насоса. Дело не в том, что чем больше угол атаки, тем лучше. Его следует проанализировать и выбрать в соответствии с реальной ситуацией.

2) Диаметр входного отверстия рабочего колеса. В случае постоянного расхода абсолютная и относительная скорость потока жидкости на входе в рабочее колесо зависит от диаметра всасывающей трубы. Поэтому для улучшения антикавитационных характеристик центробежного насоса существует оптимальное значение входного диаметра рабочего колеса. Когда диаметр входного отверстия рабочего колеса меньше оптимального значения, скорость потока на входе уменьшается с увеличением диаметра рабочего колеса, и кавитационные характеристики центробежного насоса продолжают улучшаться. Однако при превышении диаметра рабочего колеса оптимального значения при заданном расходе по мере увеличения входного диаметра на входе в рабочее колесо будет образовываться застойная зона и обратный поток, что будет постепенно ухудшать кавитационные характеристики центробежного насоса.

3) Ширина входного лотка лопатки. Когда условия работы центробежного насоса остаются неизменными, увеличение ширины канала потока на входе в лопатку уменьшит осевую поверхностную составляющую скорости абсолютной скорости потока жидкости, тем самым улучшая кавитационные характеристики центробежного насоса и влияя на гидравлическое давление центробежного насоса. КПД и объемный КПД страдают меньше.

4) Диаметр ступицы. Уменьшение диаметра ступицы рабочего колеса увеличит фактическую площадь входного канала проточного канала рабочего колеса, тем самым улучшив кавитационные характеристики центробежного насоса.

5) Радиус кривизны передней крышки крыльчатки. Когда жидкость течет из всасывающего отверстия центробежного насоса на вход рабочего колеса, из-за сужения канала скорость жидкости увеличивается, что приводит к определенной потере давления. При этом, поскольку в ходе этого процесса направление потока жидкости меняется с осевого на радиальное, то также произойдет некоторая потеря давления из-за неравномерности поля течения на повороте. Видно, что радиус кривизны передней крышки рабочего колеса напрямую влияет на потерю давления, а затем влияет на кавитационные характеристики центробежного насоса. Использование большего радиуса кривизны может уменьшить изменение скорости потока в точке поворота потока жидкости на передней крышке, сделать скорость потока равномерной и стабильной, а также улучшить кавитационные характеристики центробежного насоса.

4. Другие влияния:

1. Взаимодействие параметров

До сих пор исследования факторов влияния кавитации центробежных насосов проводятся только для определенного параметра, а взаимное влияние различных параметров изучается редко. Однако влияние структурных параметров представляет собой единое целое, они взаимно ограничивают и влияют друг на друга. Будущие исследования должны развиваться в направлении комплексного воздействия факторов.

2. Условия эксплуатации центробежного насоса

Во время фактического использования центробежного насоса из-за чрезвычайно сложных условий эксплуатации расход и давление на входе насоса постоянно изменяются. Поэтому фактические условия работы центробежного насоса часто сильно отличаются от экспериментальных и расчетных условий работы. Возможность кавитации выходит далеко за рамки предсказаний эксперимента.

краткое содержание

Поскольку механизм кавитации очень сложен, существует множество факторов, влияющих на кавитацию центробежных насосов, причем различные факторы не действуют изолированно, а между различными влияющими факторами существуют взаимодействия и взаимовлияния. Поэтому при изучении кавитационных характеристик центробежных насосов механизм и факторы, влияющие на кавитацию насоса, следует рассматривать комплексно в сочетании с реальной ситуацией. В последние годы, с развитием технологии CFD, численное моделирование поля потока в центробежном насосе предоставило новые средства для изучения кавитационных характеристик центробежного насоса под воздействием различных факторов. Однако в настоящее время большинство численных моделей CFD центробежный насос кавитации пока ограничиваются изучением влияния одного фактора на кавитационные характеристики насоса. В дальнейших исследованиях следует уделить больше внимания влиянию взаимодействия различных факторов на антикавитационные характеристики центробежных насосов.