液壓傳動的汽蝕現象研究

劉 超，車隨心，張倩倩，魏蘭蘭，束春慧

宿州學院化學化工學院，安徽 宿州 234000

1 汽蝕的產生

在液壓系統中，當流量中某一點的壓力低于空氣分離壓力時，原先在液體中溶解的空氣被游離出來，導致液體形成大量的氣泡。汽蝕就是流體造成的連續性的破壞，它產生于壓力下降到某一臨界值（對應液體所處溫度下的飽和蒸氣壓）的流動區域中，在進行中會產生大量的氣泡，氣泡里主要含有從溶液中析出的氣體和液體蒸汽，在壓力較低的區域里氣泡進入后就會開始增長，直至變成較大的汽蝕氣泡-汽穴。然后，氣泡通過液體的流動被帶到高于臨界值壓力的區域，在氣泡中蒸汽的凝縮作用下，氣泡就在那里破裂了，形成了在流體中范圍狹小的充滿了運動氣泡的汽蝕區[1]。當液體在泵葉輪中流動時，葉輪具有特定的形狀，而液體在葉輪中流動時流向可能會急劇改變，因此葉道中液流的壓力分布呈現不均衡性，在液體流入葉片進口且葉輪未對流動液體做功前存在局部低壓區，在該溫度下，當液流壓力進入液體的飽和蒸氣壓時，液體開始汽化并形成氣泡。通過流體在流道中的流動作用，當氣泡到達壓力較高的地方時又破滅了。在氣泡破滅的一瞬間，氣泡旁的液體迅速涌入氣泡破滅時形成的空穴，并產生局部的高溫、高壓水擊現象。在水泵的運行過程中，葉輪的葉片進口附近由于沖擊或摩擦損失，加之提升的力量作用造成的壓力下降和流速水頭變化等，會使水流壓力局部下降，在壓力降至接近當時溫度條件下的水體汽化壓力時，溶解于水體中的氣泡析離出來并破裂，從而發生汽蝕。

2 汽蝕防護措施的研究現狀

自19 世紀末發現汽蝕現象以來，人們對汽蝕機理的研究一直是基于同一種假定出發的。即當流體的局部壓力降至液體溫度下該物質的汽化壓力時，就會立即發生汽蝕。然而，這個假設是不完整的，事實上氣泡內的臨界壓力并不等于流體溫度下的飽和蒸汽壓。由于液體的蒸汽形成過程需要消耗周圍液體的熱量，使得液體的溫度和汽化壓力下降，而下降程度極大地取決于汽化的強度和液體的物理性質以及熱力學性質。同時，當流體中含有非親水性的固體雜質時，固體的隙縫中可能存在未能溶解的氣核，即汽蝕核子。汽蝕的發生在一定程度上需要取決于流體中汽蝕核子的數量和大小。因此，流體可以在不同的壓力下發生汽蝕，這也就不存在明確的使汽蝕發生的壓力。隨著航空、化工技術的不斷發展，對離心泵的轉速要求越來越高，因此離心泵的汽蝕問題也越來越受到重視。隨著計算流體力學的發展，通過對離心泵內部流場的數值模擬，為研究各種因素對離心泵汽蝕性能的影響提供了一種新手段。然而，目前大多數離心泵汽蝕CFD 數值模擬仍只局限于研究單一因素對泵汽蝕性能的影響，今后的研究應更多關注于不同因素之間相互作用對離心泵抗汽蝕性能的影響。

要想解決離心泵的汽蝕問題，只有進一步了解汽蝕現象的本質和影響離心泵汽蝕的因素，才能最終解決和控制離心泵的汽蝕問題。隨著對汽蝕機理研究的不斷深入，預防離心泵汽蝕的措施也有了很大的進展[2]。例如CFD 技術在提高汽蝕性能中的應用，降低葉輪轉速或切割葉輪，使用抗汽蝕材料制造葉輪，提高吸入系統裝置的有效汽蝕余量，設置導流柵等。各種新技術、新原理相繼被應用于防止離心泵汽蝕的發生，并取得了不錯的效果，極大地提高了離心泵的抗汽蝕性能。此外，采用超聲波法、振動法和泵體外噪聲法等對汽蝕進行早期監測，可及時或提早做出預警并采取相應措施，以避免損失。

3 汽蝕的危害

當液體流動時，流體的速度和壓力會隨著流道面積或流動方向的改變而改變。如果液體是流動的，沿路徑局部區域的絕對壓力減小到等于流動的氣化壓力。在液體中形成氣泡，當氣泡流動到一個高壓區域時，氣泡中的蒸汽變形、破裂并凝結成液體。當氣泡破裂時，會產生巨大的沖擊壓力，甚至可以達到幾百個大氣壓。氣泡的不斷爆裂會使材料沖擊到流道壁面上，從而導致材料被侵蝕。氣泡形成、增加、破裂和侵蝕材料的整個過程被稱為空化。如果出現汽蝕現象，泵的性能將會下降，效率也會降低；部件容易損壞，可能產生劇烈的振動，振動會影響相鄰管件的連接，導致密封面和焊縫泄漏。當葉輪在能量交換中受到干擾而被破壞時，嚴重情況下會使泵內流體流動中斷，繼而無法工作。

泵在汽蝕初期，特性曲線沒有明顯變化，變化顯著時汽蝕已經發展到一定程度。當比速較低時，葉片之間的流道又窄又長，一旦發生空化，氣泡容易充滿整個流道，性能曲線急劇下降。對于中高比速，流動通道短而寬，因此需要從氣泡的發生發展到滿流通道的過渡過程。相應的泵性能曲線從緩慢下降開始，增加到一定流量時才出現急劇下降。泵拆卸后可看到靠近側高壓腔室與側板接觸的過渡區有不同尺寸的凹痕，導致端面泄漏急劇增加，嚴重影響齒輪泵的性能。

經過分析，其原因是當齒輪旋轉角速度過高時，齒凹處的油在離心力的作用下被拋出。一方面，齒凹處出現空腔；另一方面，吸力極限力增大，導致過渡區出現空化現象，從而產生巨大的沖擊，發出巨大的噪聲，引起壓力波動和振動，造成空化破壞。ITE 力的波動加劇了徑向密封塊的振動，給齒輪軸和軸承帶來額外的周期性載荷，增強了產生力的機械振動。為了解決這個問題，在側板上采用了開角槽的結構。其原理是在齒輪轉動時，將高壓油通過凹槽逐漸泵送至過渡區，直至過渡區與高壓腔連接，使高壓腔彼此不連通，降低了低壓向高壓過渡的壓力突變，防止了空化，降低了噪聲[3]。

4 汽蝕解決方案

4.1 葉輪葉片

（1）葉輪葉片進口的厚度應適當減小。葉片進口是圓形和彎曲的，使其接近線性形狀，這將減少葉片頂部周圍的加速和減壓。

（2）適當提高葉輪葉片其介質進口部分的表面光潔度，改善表面粗糙情況，可以減少阻力的損失。

（3）葉輪前蓋區域的轉彎半徑可以適當擴大，以便減少流體流出，并不斷減少葉片在進口區域阻力損失。合理調整葉輪葉片的頭部位置，進一步控制介質的流量。將葉輪進口葉片背面變薄，同時前蓋板區域的葉片也可以適當變薄。這樣不僅可以有效地延長葉輪的使用壽命，還可以降低離心泵在運行過程中所要求的汽蝕余量。

（4）當下應用較為普遍的便是含鉻的不銹鋼材料，該種材料的化學性能較為穩定、整體硬度相對較高，含鉻的不銹鋼材料具有良好的韌性和足夠的強度，因此具有很好的抗汽蝕性。為了避免離心泵出現汽蝕現象，在選型設計中可以提前選擇性能較好的材料設備，幫助離心泵進一步延長其運行周期?？梢赃x擇具有良好韌性、較高強度和綜合性能良好的抗機械剝蝕材料，促進離心泵運行周期得到有效延長。由不同材料制成的離心泵，它們在抗汽蝕性能的方面存在很大的不同。例如，不銹鋼葉輪比鑄鋼葉輪具有更好的抗汽蝕性，采用超低碳鉻鎳合金鋼制成的葉輪比采用低碳鉻鎳合金鋼制成的葉輪具有更好的抗汽蝕性；進一步提高過流件和葉輪的加工精度，可以提高通流件的表面光潔度，進一步減少水力損失，提升葉輪整體抗汽蝕性能，可以有效預防汽蝕問題出現。選用由高強度、高硬度和高韌性材料制作的葉輪，葉輪的化學穩定性越好，抗汽蝕和剝蝕性能也就越強。例如硬質合金、磷青銅、Cr、Ni 等材料的抗汽蝕性比普通鑄鐵強。

4.2 入口壓力

提升入口壓力，通過提升葉輪進口區域承受壓力，使其超過相應的液體飽和溫度。

4.3 吸入裝置和安裝位置

通過對其吸入裝置進行不斷優化，適當提高吸進罐的內部壓力；也可以調整水泵的安裝位置，適當降低高度，保證在入口處有較高的有效汽蝕余量。及時將水泵用水進行冷卻，不僅可以降低水泵內部液體的溫度，還能防止液體產生汽化現象，避免引起水泵的汽蝕。

5 結束語

汽蝕現象能縮短泵的壽命，影響泵的性能，并產生噪聲和振動，給工藝生產帶來了諸多不良影響。文章從汽蝕現象的產生入手，分析了汽蝕防護措施的研究現狀，并在此基礎上提出了汽蝕的解決方案，分別從葉輪葉片、入口壓力以及吸入裝置和安裝位置三個方面來解決，以供參考。