液压传动的汽蚀现象研究

2021-01-06车随心张倩倩魏兰兰束春慧

化纤与纺织技术 2021年5期

刘超，车随心，张倩倩，魏兰兰，束春慧

宿州学院化学化工学院，安徽宿州 234000

1 汽蚀的产生

在液压系统中，当流量中某一点的压力低于空气分离压力时，原先在液体中溶解的空气被游离出来，导致液体形成大量的气泡。汽蚀就是流体造成的连续性的破坏，它产生于压力下降到某一临界值（对应液体所处温度下的饱和蒸气压）的流动区域中，在进行中会产生大量的气泡，气泡里主要含有从溶液中析出的气体和液体蒸汽，在压力较低的区域里气泡进入后就会开始增长，直至变成较大的汽蚀气泡-汽穴。然后，气泡通过液体的流动被带到高于临界值压力的区域，在气泡中蒸汽的凝缩作用下，气泡就在那里破裂了，形成了在流体中范围狭小的充满了运动气泡的汽蚀区[1]。当液体在泵叶轮中流动时，叶轮具有特定的形状，而液体在叶轮中流动时流向可能会急剧改变，因此叶道中液流的压力分布呈现不均衡性，在液体流入叶片进口且叶轮未对流动液体做功前存在局部低压区，在该温度下，当液流压力进入液体的饱和蒸气压时，液体开始汽化并形成气泡。通过流体在流道中的流动作用，当气泡到达压力较高的地方时又破灭了。在气泡破灭的一瞬间，气泡旁的液体迅速涌入气泡破灭时形成的空穴，并产生局部的高温、高压水击现象。在水泵的运行过程中，叶轮的叶片进口附近由于冲击或摩擦损失，加之提升的力量作用造成的压力下降和流速水头变化等，会使水流压力局部下降，在压力降至接近当时温度条件下的水体汽化压力时，溶解于水体中的气泡析离出来并破裂，从而发生汽蚀。

2 汽蚀防护措施的研究现状

自19 世纪末发现汽蚀现象以来，人们对汽蚀机理的研究一直是基于同一种假定出发的。即当流体的局部压力降至液体温度下该物质的汽化压力时，就会立即发生汽蚀。然而，这个假设是不完整的，事实上气泡内的临界压力并不等于流体温度下的饱和蒸汽压。由于液体的蒸汽形成过程需要消耗周围液体的热量，使得液体的温度和汽化压力下降，而下降程度极大地取决于汽化的强度和液体的物理性质以及热力学性质。同时，当流体中含有非亲水性的固体杂质时，固体的隙缝中可能存在未能溶解的气核，即汽蚀核子。汽蚀的发生在一定程度上需要取决于流体中汽蚀核子的数量和大小。因此，流体可以在不同的压力下发生汽蚀，这也就不存在明确的使汽蚀发生的压力。随着航空、化工技术的不断发展，对离心泵的转速要求越来越高，因此离心泵的汽蚀问题也越来越受到重视。随着计算流体力学的发展，通过对离心泵内部流场的数值模拟，为研究各种因素对离心泵汽蚀性能的影响提供了一种新手段。然而，目前大多数离心泵汽蚀CFD 数值模拟仍只局限于研究单一因素对泵汽蚀性能的影响，今后的研究应更多关注于不同因素之间相互作用对离心泵抗汽蚀性能的影响。

要想解决离心泵的汽蚀问题，只有进一步了解汽蚀现象的本质和影响离心泵汽蚀的因素，才能最终解决和控制离心泵的汽蚀问题。随着对汽蚀机理研究的不断深入，预防离心泵汽蚀的措施也有了很大的进展[2]。例如CFD 技术在提高汽蚀性能中的应用，降低叶轮转速或切割叶轮，使用抗汽蚀材料制造叶轮，提高吸入系统装置的有效汽蚀余量，设置导流栅等。各种新技术、新原理相继被应用于防止离心泵汽蚀的发生，并取得了不错的效果，极大地提高了离心泵的抗汽蚀性能。此外，采用超声波法、振动法和泵体外噪声法等对汽蚀进行早期监测，可及时或提早做出预警并采取相应措施，以避免损失。

3 汽蚀的危害

当液体流动时，流体的速度和压力会随着流道面积或流动方向的改变而改变。如果液体是流动的，沿路径局部区域的绝对压力减小到等于流动的气化压力。在液体中形成气泡，当气泡流动到一个高压区域时，气泡中的蒸汽变形、破裂并凝结成液体。当气泡破裂时，会产生巨大的冲击压力，甚至可以达到几百个大气压。气泡的不断爆裂会使材料冲击到流道壁面上，从而导致材料被侵蚀。气泡形成、增加、破裂和侵蚀材料的整个过程被称为空化。如果出现汽蚀现象，泵的性能将会下降，效率也会降低；部件容易损坏，可能产生剧烈的振动，振动会影响相邻管件的连接，导致密封面和焊缝泄漏。当叶轮在能量交换中受到干扰而被破坏时，严重情况下会使泵内流体流动中断，继而无法工作。

泵在汽蚀初期，特性曲线没有明显变化，变化显著时汽蚀已经发展到一定程度。当比速较低时，叶片之间的流道又窄又长，一旦发生空化，气泡容易充满整个流道，性能曲线急剧下降。对于中高比速，流动通道短而宽，因此需要从气泡的发生发展到满流通道的过渡过程。相应的泵性能曲线从缓慢下降开始，增加到一定流量时才出现急剧下降。泵拆卸后可看到靠近侧高压腔室与侧板接触的过渡区有不同尺寸的凹痕，导致端面泄漏急剧增加，严重影响齿轮泵的性能。

经过分析，其原因是当齿轮旋转角速度过高时，齿凹处的油在离心力的作用下被抛出。一方面，齿凹处出现空腔；另一方面，吸力极限力增大，导致过渡区出现空化现象，从而产生巨大的冲击，发出巨大的噪声，引起压力波动和振动，造成空化破坏。ITE 力的波动加剧了径向密封块的振动，给齿轮轴和轴承带来额外的周期性载荷，增强了产生力的机械振动。为了解决这个问题，在侧板上采用了开角槽的结构。其原理是在齿轮转动时，将高压油通过凹槽逐渐泵送至过渡区，直至过渡区与高压腔连接，使高压腔彼此不连通，降低了低压向高压过渡的压力突变，防止了空化，降低了噪声[3]。

4 汽蚀解决方案

4.1 叶轮叶片

（1）叶轮叶片进口的厚度应适当减小。叶片进口是圆形和弯曲的，使其接近线性形状，这将减少叶片顶部周围的加速和减压。

（2）适当提高叶轮叶片其介质进口部分的表面光洁度，改善表面粗糙情况，可以减少阻力的损失。

（3）叶轮前盖区域的转弯半径可以适当扩大，以便减少流体流出，并不断减少叶片在进口区域阻力损失。合理调整叶轮叶片的头部位置，进一步控制介质的流量。将叶轮进口叶片背面变薄，同时前盖板区域的叶片也可以适当变薄。这样不仅可以有效地延长叶轮的使用寿命，还可以降低离心泵在运行过程中所要求的汽蚀余量。

（4）当下应用较为普遍的便是含铬的不锈钢材料，该种材料的化学性能较为稳定、整体硬度相对较高，含铬的不锈钢材料具有良好的韧性和足够的强度，因此具有很好的抗汽蚀性。为了避免离心泵出现汽蚀现象，在选型设计中可以提前选择性能较好的材料设备，帮助离心泵进一步延长其运行周期。可以选择具有良好韧性、较高强度和综合性能良好的抗机械剥蚀材料，促进离心泵运行周期得到有效延长。由不同材料制成的离心泵，它们在抗汽蚀性能的方面存在很大的不同。例如，不锈钢叶轮比铸钢叶轮具有更好的抗汽蚀性，采用超低碳铬镍合金钢制成的叶轮比采用低碳铬镍合金钢制成的叶轮具有更好的抗汽蚀性；进一步提高过流件和叶轮的加工精度，可以提高通流件的表面光洁度，进一步减少水力损失，提升叶轮整体抗汽蚀性能，可以有效预防汽蚀问题出现。选用由高强度、高硬度和高韧性材料制作的叶轮，叶轮的化学稳定性越好，抗汽蚀和剥蚀性能也就越强。例如硬质合金、磷青铜、Cr、Ni 等材料的抗汽蚀性比普通铸铁强。