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有奖征文 | 漫谈空化(汽蚀)——空蚀新机理及超空蚀新机理

作者:蒋玲林1 王水江2 蔡朋飞2 杨飞3
1.江苏大学国家水泵及系统工程技术研究中心
2.长沙三昌泵业有限公司
3.柯逻斯泵业(上海)有限公司

注:

1. 本文参与泵友圈有奖征文活动《泵友圈有奖征文,广邀各路英雄豪杰!

2. 版权说明:版权归泵友圈所有,文章转载或引用需要征得作者同意。


摘要:现有的空蚀机理虽然为全球所公认,却不能解释和解答工程实际、实验室及日常生活中所遇到的大部分空化和空蚀的现象和问题。两位美国学者于1991年在《科学》上发表的论文所提出的空蚀新机理,经本文作者补充和据此推论出超空化不空蚀的新机理(下称超空蚀新机理)后,能圆满地解释和解答全部现有的空化、空蚀现象和问题。传热学等其他学科,也研究空化现象。为便于不同学科之间研究成果的共享,本文对各学科的专业术语进行了对比和统一。

关键词:空蚀新机理、超空蚀新机理

   1   
术语

1.1 空化(汽蚀)

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1.2 关于汽蚀余量(net positive suction head=NPSH), 仍推荐下列名词术语:

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1.3 与吸程相对应的术语,见下表:

项目

GB/T 13006-2013

推荐采用

备注

中文

灌注头

倒灌高度

倒灌高度


英文

Static suction head



习惯使用的术语

相对应的英文术语

与其它参数之间的关系

吸程=安装高度,吸上高度

Suction lift

吸程+吸入管道的阻力=吸上真空度-吸入速度头


1.4 对同一台泵,转速对吸程的影响如下表:


泵转速变化

泵临界汽蚀余量变化

泵吸程变化

升高

增大

降低

降低

减小

升高



  2  

假说


本文作者经十多年的观察、分析并参考了相关文献,提出如下假说:

2.1 关于空化和空蚀


2.1.1 目前国内的教科书、专著以及欧洲、北美对空蚀产生的机理基本上是这样说的:空泡随液流至高压区,在高压区溃灭,产生空化噪声,同时产生空蚀。


这一理论甚至已经被应用于我国的国防科技研究项目。但这一理论不能有效地解释工程实际、实验室及日常生活中出现的大部分空化和空蚀现象。


基于下述理由,我们提出关于空化和空蚀的新的机理(下称“假说1”):空泡在低压区的生成是爆炸式的,因而对紧临的壁面产生持续的冲击并产生“特有的”空化噪声和振动,导致壁面的疲劳损坏因而出现空蚀。空化噪声和空蚀的强度由“同一质量的液体的汽态和液态的体积比VV/VL”决定。VV/VL越大,空化噪声和空蚀的强度也越大。


美国加利福尼亚大学两位学者于1991年在《科学》上发表的论文《空蚀新机理》中明确指出,空蚀出现在空泡生成的地方,而不是空泡溃灭的地方。同时,该论文中虽然没有明确说明空泡是爆炸式生成,但其描述的实验中出现的现象及测量的空泡在0.02秒内生成的时间,无不说明空泡是爆炸式生成的。


这一假说能圆满地解释离心泵吸入室出现的空蚀,包括在吸入室壁面上的空蚀(无照片)及吸入室轴套表面的空蚀(请参看图1)以及铝质开水壶底、电热开水壶的电热管的表面出现的空蚀,以及舰船螺旋桨梢涡空化导致的空蚀等。


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图1 双吸中开泵吸入室轴套表面的空蚀(已拆去泵盖)


图1是用于泵送无腐蚀性的常温清水的双吸中开泵,轴套材质为不锈钢304,轴套表面上的麻点只能是空蚀产生的。

《离心泵流体力学》,西安交通大学吴达人主编,中国电力出版社,第108页也说明“(在低压区)液体开始急剧蒸发,并形成汽泡。”。这个观点支持上述假说。

《化工原理》上册(第二版),陈敏恒、丛德滋、方图南、齐鸣斋编,化学工业出版社,第254页所述的“暴沸”也支持上述假说。

关于“假说1”,是有重要的现实意义和实用价值的。这里跟大家分享一个真实案例:国内泵行业某名企生产的泵,质量一直不错。但其技术人员在其用户—国内某钢厂的循环水站内观察到所使用的双吸中开泵的吸入室表面出现了蜂窝状的损坏。虽然看着有明显的空蚀特征,但受限于“空蚀只出现在高压区”的固有思维(吸入室内的压力是越来越低),反复在腐蚀和铸造缺陷中去找原因,迟迟不能回复用户的询问,也影响到问题的尽快解决,给用户留下非常不好的印象。

2.1.2 关于超空化(超汽蚀,Super Cavitation)不发生空蚀的机理(简称为超空蚀机理),目前公认的是:超空化时因为空泡破裂在被保护体之后, 所以超空化物体得以免于空蚀。

我们提出关于超空化不空蚀的新的机理(简称为超空蚀机理,下称“假说2”):在空化严重,空泡达到足够数量时, 空泡周围几乎都是空泡(周围含有大量空泡的水的密度变小,相当于“汽态和液态的体积比VV/VL”变小), 所以空泡生成时其内部的压力也较空泡较少时小,对壁面的冲击力减小,因而产生的噪声及振动也低,相应地产生的空蚀作用也小【根据传热学的研究成果,在膜态沸腾(即超空化)阶段,壁面上生成一层蒸汽膜,因而隔离了新生成的空泡对壁面的轰击】。

据资料介绍,超汽蚀轴流泵已投入实用,按之前的理论,导叶体的空蚀应该很严重,但实际中并未见到这方面的报道;超空化诱导轮也已采用,按之前的理论,后面叶轮的空蚀应该很严重,但实际中并未见到这方面的消息。这也间接说明之前关于空蚀的机理有问题。

《离心泵流体力学》第109页介绍,“60年代,在英国的化工流程泵中则首次实现了超汽蚀泵。”按之前的理论,后面泵体的空蚀应该很严重。但实际中并未见到这方面的报道。这也间接说明之前关于空蚀的机理有问题。

2.1.3 下面用“假说1”和“假说2”来解答问题:

2.1.3.1 丁成伟教授在他的著作《离心泵与轴流泵原理与水力设计》,机械工业出版社,第76、77页介绍的“振荡汽蚀试验装置”中提出了这样的问题:“根据经验,汽蚀对材料的侵蚀速度与振幅及频率有关,在一定范围内侵蚀速度随频率增加而增加,但超过此范围增加频率反而使侵蚀速度降低。”

“假说1”和“假说2”对这个现象的解释是:频率增加,空泡增多,空化加强,空蚀自然加大。但频率再增加,就进入超空化状态,而超空化能减轻甚至避免空蚀。

但如果采用之前的空蚀机理来解释本问题,是解释不通的。因为进入超空化阶段,产生的空泡和破裂的空泡的数量大幅增加,应该产生更加严重的空蚀才对。而实际情况是,进入超空化阶段后,空蚀变小。
   
本案例是支持假说1和假说2的十分有力的证据。

2.1.3.2 开水壶的水快烧开或已经烧开的时候,为什么噪声和振动反而小了。
 
“假说1”和“假说2”对这个现象的解释是:开始沸腾时,为空化状态,所以噪声大;之后转入超空化状态,噪声随之变小。按照上述《化工原理》的论述,就是开始是核状沸腾,后转变成膜状沸腾。

2.1.3.3 “在低压区补气能减缓甚至避免空蚀。”

“假说1”和“假说2”对这个现象的解释是:空泡生成时,旁边补充的空气泡起到气垫的作用(相当于“汽态和液态的体积比VV/VL”小),降低了空泡的内部压力,进入超空化状态,噪声、振动和空蚀得以减轻。当然,补气能增加压力,也是减轻空化从而避免(或减缓)空蚀的一个因素。哪个是主要因素,有待实验证明。

2.1.3.4 “在泵进口补气能减缓甚至避免空蚀。”

“假说1”和“假说2”对这个现象的解释是:空泡生成时,旁边的空气泡起到气垫的作用(相当于“汽态和液态的体积比VV/VL”小),降低了空泡的内部压力,从而进入超空化状态,噪声、振动和空蚀得以减轻。

2.1.3.5 西安交大吴达人教授的著作《泵与风机》第65页的论述“离心泵内的汽蚀噪声与汽蚀发展的程度有关。泵内汽蚀初生时,由于汽泡崩溃时的微细射流的冲击作用而产生噪声。随着汽蚀的发展,噪声的分贝数也逐渐增大,其值在泵发生“断裂”工况之前达到最大。由于汽蚀的进一步发展,液体中的汽泡增多而起到了缓冲的作用,所以噪声在断裂工况之达到最大后又很快降低,在断裂工况时噪声下降到最小。一般来说,噪声最大时汽蚀对材料的破坏作用也最强烈。因此,汽蚀噪声和材料破坏最严重的情况发生在断裂工况之前。”介绍的就是一个离心泵内部的空化和超空化的过程。

当然,噪声不是空泡破裂产生的,而是空泡生成产生的。上述断裂工况就是超空化工况,超空化时空蚀作用减轻甚至消失。

2.2 假说4:上述《化工原理》中所述的“大容积沸腾”(类似于用水壶烧开水时的沸腾现象),是空化与超空化的一种形式。

2.2.1 空化发生必然伴随的几个特征:

(1)在液体内部有一部分液体气化(沸腾)形成蒸汽泡(空泡);
(2)产生“特有的”噪声和振动;
(3)有可能出现空蚀(如果空化作用时间或强度不够,或处于超空化状态,则不易出现空蚀。)。

因为上述《化工原理》中所述的“大容积沸腾”(类似于用水壶烧开水时的沸腾现象),同时具有上述3项特征,所以是空化和超空化的一种形式。

2.2.2 《化工泵》[(日)好川纪博著,机械工业出版社]第108页“汽蚀发生过程中的液体蒸发(实际指的是沸腾,本文作者注)是所谓热力学过程”。所以反过来说,热力学过程中的液体沸腾,也就是流体工程中的空化过程。

2.2.3 《离心泵流体力学》第124页认为空化和沸腾不是同一种概念。但其理由是不充分的,并且人为地将同一自然现象按学科割裂开,更不是一种科学的态度和方法,会影响我们对自然规律的认识。

这点从下述情况,就能得到充分的说明:上述《化工原理》第253页上所述的过冷沸腾,实际上就是流体工程中常见的空化。而空化产生的机理(局部压力等于或低于同温度下液体的蒸气压),在流体工程中则是一种常识。但在该书中,对过冷沸腾是这样描述的:“过冷沸腾的机理复杂,至今尚未弄清。”

由此可见跨学科合作的重要性和迫切性。


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与其它学科的相关术语对照


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实例

某大型化工企业(下称用户)新上一套水力能量回收装置。水力回收涡轮机的进口压力为1.7 MPa,出口压力为0.7 MPa。介质主要成分是水,但内含部分CO2气体,温度为45℃。


用户担心在压力从1.7 MPa降低到0.7 MPa的过程中,介质中含有的CO2气体会析出形成气泡,   从而会使涡轮机产生空蚀。


用户的担心是不必要的。因为分散存在于水中的CO2气体和由于压力降低从而析出并汇集于一起形成较大气泡时的CO2气体,并非由液态CO2蒸发所产生,因而根据“假说1”,不会出现空蚀。(本套设备由长沙三昌泵业有限公司生产,现已在浙江晋巨化工有限公司正常运,并无空蚀现象出现。)


根据4.1.4.4条的论述,分散存在于水中的CO2气体相当于在泵进口补充的气体。所以CO2气体的存在,不但不会引起空蚀,而且能减缓空蚀。


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