锅炉给水泵空化和空蚀现象分析研究

     1、锅炉给水泵空化术语

        1）锅炉给水泵空化（汽蚀）：

    关于锅炉给水泵汽蚀余量(net positive suctionhead=NPSH), 仍推荐下列名词术语：

    2）与吸程相对应的术语，见下表：

    3）对同台泵，转速对吸程的影响如下表：

    2、长沙三昌泵业有限公司的技术人员经过数十年的观察和分析，提出如下假说(蔡氏猜想)：

        1）关于空化和空蚀

        （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。

        这理论甚至已经被应用于我国的国防科技研究项目。但这理论不能解释在离心泵吸入室、叶轮叶片背面压力低处出现的空蚀以及在铝质开水壶壶底、电热开水壶的电热管的表面出现的空蚀。

        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，因而产生“特有的”空化噪声和振动，并在空泡生成处产生空蚀。空化噪声和空蚀的强度由“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。

        这假说能圆满地解释离心泵吸入室出现的空蚀、叶轮叶片背面压力低处出现的空蚀（请参看图1和图2）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。

图1 叶轮叶片背面靠近吸入边的空泡（白色部分）

图2 锅炉给水泵叶轮叶片吸入边的空蚀（已拆去泵盖）

        （4）下面用“假说1”和“假说2”来解答问题：

        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。

        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。

        “在低压区补气能减缓甚至避免空蚀。”

        “假说2”对这个现象的解释是：补气量足够多时，就进入超空化状态。而超空化能减轻甚至避免空蚀。当然，补气能增加压力，也是减轻空化从而避免（或减缓）空蚀的个因素。哪个是主要因素，有待实验证明。

        3> “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，降低了空泡的内部压力，从而进入准超空化状态，噪声、振动和空蚀得以减轻。

        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），是空化与超空化的种形式。

        （1）空化发生必然伴随的几个特征：

        a、在液体内有小部分液体转变成蒸汽泡（空泡）；

        b、产生“特有的”噪声和振动；

        c、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种形式。

        长沙三昌泵业有限公司的技术人员，曾经在铝质水壶的壶底观察到空蚀坑洞密布于壶底中央；在电热水壶的电热管的表面，也观察到很多小孔洞，这个是不是空蚀，有待泵业同仁继续观察和分析(本文作者倾向于是空蚀)。

上述情况也说明，空蚀出现在空泡产生的地方。

        空化产生的“特有的”噪声和振动也是我们判断泵内是否发生空化的重要的而且是容易得到的依据。下述事例能充分说明这点：

        上海某中型泵企派出新上任的售后服务部经理赴四川宜宾某化工公司处理中开泵振动大的问题。该经理有多年泵行业经验，从理论到实践，都是比较丰富的，曾在短时间内，成功找出某世行贷款项目兴建的某大型泵站流量逐渐减少的问题（该泵站存在这问题数年，曾遍请各方专会诊，皆没有找出原因。）。但该经理独缺空化实践，因而到达用户现场后，误以为泵振动是由于转子不平衡引起，采用将转子拆下做平衡的办法处理，自然没有及时解决问题。后在用户方技术人员的指点下才找到原因：是因为泵内发生了比较严重的空化，引起振动并产生噪声。

        其实空化噪声、振动与不平衡产生的振动、噪声，区别是明显的。

        （2）《化工泵》第108页“汽蚀发生过程中的液体蒸发（实际指的是沸腾）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。

        （3）《离心泵流体力学》第124页认为空化和沸腾不是同种概念。但其理由是不充分的，并且人为地将同自然现象按学科割裂开，更不是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，在流体工程中则是种常识。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。

      3、与化工原理上的相关术语对照：

        某大型化工企业（下称用户）新上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℃。

        1）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。

        2）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起形成较大气泡时的CO2气体，其密度比很小(相当于VV/VL很小)，所以根据“假说1”，不会出现空蚀。