1.江蘇大學(xué)國(guó)家水泵及系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心 注：
1. 本文參與泵友圈有獎(jiǎng)?wù)魑幕顒?dòng)《泵友圈有獎(jiǎng)?wù)魑模瑥V邀各路英雄豪杰！》
2. 版權(quán)說(shuō)明：版權(quán)歸泵友圈所有，文章轉(zhuǎn)載或引用需要征得作者同意。
摘要：現(xiàn)有的空蝕機(jī)理雖然為全球所公認(rèn)，卻不能解釋和解答工程實(shí)際、實(shí)驗(yàn)室及日常生活中所遇到的大部分空化和空蝕的現(xiàn)象和問(wèn)題。兩位美國(guó)學(xué)者于1991年在《科學(xué)》上發(fā)表的論文所提出的空蝕新機(jī)理，經(jīng)本文作者補(bǔ)充和據(jù)此推論出超空化不空蝕的新機(jī)理（下稱(chēng)超空蝕新機(jī)理）后，能圓滿(mǎn)地解釋和解答全部現(xiàn)有的空化、空蝕現(xiàn)象和問(wèn)題。傳熱學(xué)等其他學(xué)科，也研究空化現(xiàn)象。為便于不同學(xué)科之間研究成果的共享，本文對(duì)各學(xué)科的專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)進(jìn)行了對(duì)比和統(tǒng)一。關(guān)鍵詞：空蝕新機(jī)理、超空蝕新機(jī)理
1.2 關(guān)于汽蝕余量(net positive suction head=NPSH), 仍推薦下列名詞術(shù)語(yǔ)：
1.3 與吸程相對(duì)應(yīng)的術(shù)語(yǔ)，見(jiàn)下表：項(xiàng)目 | GB/T 13006-2013 | 推薦采用 | 備注 |
中文 | 灌注頭 | 倒灌高度 | 倒灌高度 |
|
英文 | Static suction head |
|
習(xí)慣使用的術(shù)語(yǔ) | 相對(duì)應(yīng)的英文術(shù)語(yǔ) | 與其它參數(shù)之間的關(guān)系 |
吸程=安裝高度，吸上高度 | Suction lift | 吸程+吸入管道的阻力＝吸上真空度-吸入速度頭 |
1.4 對(duì)同一臺(tái)泵，轉(zhuǎn)速對(duì)吸程的影響如下表：
泵轉(zhuǎn)速變化 | 泵臨界汽蝕余量變化 | 泵吸程變化 |
升高 | 增大 | 降低 |
降低 | 減小 | 升高 |
2
假說(shuō)
本文作者經(jīng)十多年的觀察、分析并參考了相關(guān)文獻(xiàn)，提出如下假說(shuō)：
2.1 關(guān)于空化和空蝕
2.1.1 目前國(guó)內(nèi)的教科書(shū)、專(zhuān)著以及歐洲、北美對(duì)空蝕產(chǎn)生的機(jī)理基本上是這樣說(shuō)的：空泡隨液流至高壓區(qū)，在高壓區(qū)潰滅，產(chǎn)生空化噪聲，同時(shí)產(chǎn)生空蝕。
這一理論甚至已經(jīng)被應(yīng)用于我國(guó)的國(guó)防科技研究項(xiàng)目。但這一理論不能有效地解釋工程實(shí)際、實(shí)驗(yàn)室及日常生活中出現(xiàn)的大部分空化和空蝕現(xiàn)象。
基于下述理由，我們提出關(guān)于空化和空蝕的新的機(jī)理（下稱(chēng)“假說(shuō)1”）：空泡在低壓區(qū)的生成是爆炸式的，因而對(duì)緊臨的壁面產(chǎn)生持續(xù)的沖擊并產(chǎn)生“特有的”空化噪聲和振動(dòng)，導(dǎo)致壁面的疲勞損壞因而出現(xiàn)空蝕。空化噪聲和空蝕的強(qiáng)度由“同一質(zhì)量的液體的汽態(tài)和液態(tài)的體積比VV/VL”決定。VV/VL越大，空化噪聲和空蝕的強(qiáng)度也越大。
美國(guó)加利福尼亞大學(xué)兩位學(xué)者于1991年在《科學(xué)》上發(fā)表的論文《空蝕新機(jī)理》中明確指出，空蝕出現(xiàn)在空泡生成的地方，而不是空泡潰滅的地方。同時(shí)，該論文中雖然沒(méi)有明確說(shuō)明空泡是爆炸式生成，但其描述的實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的現(xiàn)象及測(cè)量的空泡在0.02秒內(nèi)生成的時(shí)間，無(wú)不說(shuō)明空泡是爆炸式生成的。
這一假說(shuō)能圓滿(mǎn)地解釋離心泵吸入室出現(xiàn)的空蝕，包括在吸入室壁面上的空蝕（無(wú)照片）及吸入室軸套表面的空蝕（請(qǐng)參看圖1）以及鋁質(zhì)開(kāi)水壺底、電熱開(kāi)水壺的電熱管的表面出現(xiàn)的空蝕，以及艦船螺旋槳梢渦空化導(dǎo)致的空蝕等。
圖1 雙吸中開(kāi)泵吸入室軸套表面的空蝕（已拆去泵蓋）
圖1是用于泵送無(wú)腐蝕性的常溫清水的雙吸中開(kāi)泵，軸套材質(zhì)為不銹鋼304，軸套表面上的麻點(diǎn)只能是空蝕產(chǎn)生的。《離心泵流體力學(xué)》，西安交通大學(xué)吳達(dá)人主編，中國(guó)電力出版社，第108頁(yè)也說(shuō)明“（在低壓區(qū)）液體開(kāi)始急劇蒸發(fā)，并形成汽泡?！?。這個(gè)觀點(diǎn)支持上述假說(shuō)。《化工原理》上冊(cè)（第二版），陳敏恒、叢德滋、方圖南、齊鳴齋編，化學(xué)工業(yè)出版社，第254頁(yè)所述的“暴沸”也支持上述假說(shuō)。關(guān)于“假說(shuō)1”，是有重要的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價(jià)值的。這里跟大家分享一個(gè)真實(shí)案例：國(guó)內(nèi)泵行業(yè)某名企生產(chǎn)的泵，質(zhì)量一直不錯(cuò)。但其技術(shù)人員在其用戶(hù)—國(guó)內(nèi)某鋼廠的循環(huán)水站內(nèi)觀察到所使用的雙吸中開(kāi)泵的吸入室表面出現(xiàn)了蜂窩狀的損壞。雖然看著有明顯的空蝕特征，但受限于“空蝕只出現(xiàn)在高壓區(qū)”的固有思維（吸入室內(nèi)的壓力是越來(lái)越低），反復(fù)在腐蝕和鑄造缺陷中去找原因，遲遲不能回復(fù)用戶(hù)的詢(xún)問(wèn)，也影響到問(wèn)題的盡快解決，給用戶(hù)留下非常不好的印象。2.1.2 關(guān)于超空化（超汽蝕，Super Cavitation）不發(fā)生空蝕的機(jī)理（簡(jiǎn)稱(chēng)為超空蝕機(jī)理），目前公認(rèn)的是：超空化時(shí)因?yàn)榭张萜屏言诒槐Ｗo(hù)體之后, 所以超空化物體得以免于空蝕。我們提出關(guān)于超空化不空蝕的新的機(jī)理（簡(jiǎn)稱(chēng)為超空蝕機(jī)理，下稱(chēng)“假說(shuō)2”）：在空化嚴(yán)重，空泡達(dá)到足夠數(shù)量時(shí), 空泡周?chē)鷰缀醵际强张?周?chē)写罅靠张莸乃拿芏茸冃?，相?dāng)于“汽態(tài)和液態(tài)的體積比VV/VL”變小), 所以空泡生成時(shí)其內(nèi)部的壓力也較空泡較少時(shí)小，對(duì)壁面的沖擊力減小，因而產(chǎn)生的噪聲及振動(dòng)也低，相應(yīng)地產(chǎn)生的空蝕作用也小【根據(jù)傳熱學(xué)的研究成果，在膜態(tài)沸騰（即超空化）階段，壁面上生成一層蒸汽膜，因而隔離了新生成的空泡對(duì)壁面的轟擊】。據(jù)資料介紹，超汽蝕軸流泵已投入實(shí)用，按之前的理論，導(dǎo)葉體的空蝕應(yīng)該很?chē)?yán)重，但實(shí)際中并未見(jiàn)到這方面的報(bào)道；超空化誘導(dǎo)輪也已采用，按之前的理論，后面葉輪的空蝕應(yīng)該很?chē)?yán)重，但實(shí)際中并未見(jiàn)到這方面的消息。這也間接說(shuō)明之前關(guān)于空蝕的機(jī)理有問(wèn)題。《離心泵流體力學(xué)》第109頁(yè)介紹，“60年代，在英國(guó)的化工流程泵中則首次實(shí)現(xiàn)了超汽蝕泵?！卑粗暗睦碚?，后面泵體的空蝕應(yīng)該很?chē)?yán)重。但實(shí)際中并未見(jiàn)到這方面的報(bào)道。這也間接說(shuō)明之前關(guān)于空蝕的機(jī)理有問(wèn)題。2.1.3 下面用“假說(shuō)1”和“假說(shuō)2”來(lái)解答問(wèn)題：2.1.3.1 丁成偉教授在他的著作《離心泵與軸流泵原理與水力設(shè)計(jì)》，機(jī)械工業(yè)出版社，第76、77頁(yè)介紹的“振蕩汽蝕試驗(yàn)裝置”中提出了這樣的問(wèn)題：“根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，汽蝕對(duì)材料的侵蝕速度與振幅及頻率有關(guān)，在一定范圍內(nèi)侵蝕速度隨頻率增加而增加，但超過(guò)此范圍增加頻率反而使侵蝕速度降低?！?/span> “假說(shuō)1”和“假說(shuō)2”對(duì)這個(gè)現(xiàn)象的解釋是：頻率增加，空泡增多，空化加強(qiáng)，空蝕自然加大。但頻率再增加，就進(jìn)入超空化狀態(tài)，而超空化能減輕甚至避免空蝕。但如果采用之前的空蝕機(jī)理來(lái)解釋本問(wèn)題，是解釋不通的。因?yàn)檫M(jìn)入超空化階段，產(chǎn)生的空泡和破裂的空泡的數(shù)量大幅增加，應(yīng)該產(chǎn)生更加嚴(yán)重的空蝕才對(duì)。而實(shí)際情況是，進(jìn)入超空化階段后，空蝕變小。本案例是支持假說(shuō)1和假說(shuō)2的十分有力的證據(jù)。2.1.3.2 開(kāi)水壺的水快燒開(kāi)或已經(jīng)燒開(kāi)的時(shí)候，為什么噪聲和振動(dòng)反而小了。“假說(shuō)1”和“假說(shuō)2”對(duì)這個(gè)現(xiàn)象的解釋是：開(kāi)始沸騰時(shí)，為空化狀態(tài)，所以噪聲大；之后轉(zhuǎn)入超空化狀態(tài)，噪聲隨之變小。按照上述《化工原理》的論述，就是開(kāi)始是核狀沸騰，后轉(zhuǎn)變成膜狀沸騰。2.1.3.3 “在低壓區(qū)補(bǔ)氣能減緩甚至避免空蝕?！?/span>“假說(shuō)1”和“假說(shuō)2”對(duì)這個(gè)現(xiàn)象的解釋是：空泡生成時(shí)，旁邊補(bǔ)充的空氣泡起到氣墊的作用（相當(dāng)于“汽態(tài)和液態(tài)的體積比VV/VL”?。档土丝张莸膬?nèi)部壓力，進(jìn)入超空化狀態(tài)，噪聲、振動(dòng)和空蝕得以減輕。當(dāng)然，補(bǔ)氣能增加壓力，也是減輕空化從而避免（或減緩）空蝕的一個(gè)因素。哪個(gè)是主要因素，有待實(shí)驗(yàn)證明。2.1.3.4 “在泵進(jìn)口補(bǔ)氣能減緩甚至避免空蝕?！?/span>“假說(shuō)1”和“假說(shuō)2”對(duì)這個(gè)現(xiàn)象的解釋是：空泡生成時(shí)，旁邊的空氣泡起到氣墊的作用（相當(dāng)于“汽態(tài)和液態(tài)的體積比VV/VL”小），降低了空泡的內(nèi)部壓力，從而進(jìn)入超空化狀態(tài)，噪聲、振動(dòng)和空蝕得以減輕。2.1.3.5 西安交大吳達(dá)人教授的著作《泵與風(fēng)機(jī)》第65頁(yè)的論述“離心泵內(nèi)的汽蝕噪聲與汽蝕發(fā)展的程度有關(guān)。泵內(nèi)汽蝕初生時(shí)，由于汽泡崩潰時(shí)的微細(xì)射流的沖擊作用而產(chǎn)生噪聲。隨著汽蝕的發(fā)展，噪聲的分貝數(shù)也逐漸增大，其值在泵發(fā)生“斷裂”工況之前達(dá)到最大。由于汽蝕的進(jìn)一步發(fā)展，液體中的汽泡增多而起到了緩沖的作用，所以噪聲在斷裂工況之達(dá)到最大后又很快降低，在斷裂工況時(shí)噪聲下降到最小。一般來(lái)說(shuō)，噪聲最大時(shí)汽蝕對(duì)材料的破壞作用也最強(qiáng)烈。因此，汽蝕噪聲和材料破壞最嚴(yán)重的情況發(fā)生在斷裂工況之前?！苯榻B的就是一個(gè)離心泵內(nèi)部的空化和超空化的過(guò)程。當(dāng)然，噪聲不是空泡破裂產(chǎn)生的，而是空泡生成產(chǎn)生的。上述斷裂工況就是超空化工況，超空化時(shí)空蝕作用減輕甚至消失。2.2 假說(shuō)4：上述《化工原理》中所述的“大容積沸騰”（類(lèi)似于用水壺?zé)_(kāi)水時(shí)的沸騰現(xiàn)象），是空化與超空化的一種形式。2.2.1 空化發(fā)生必然伴隨的幾個(gè)特征：（1）在液體內(nèi)部有一部分液體氣化(沸騰)形成蒸汽泡（空泡）；（2）產(chǎn)生“特有的”噪聲和振動(dòng)；（3）有可能出現(xiàn)空蝕（如果空化作用時(shí)間或強(qiáng)度不夠，或處于超空化狀態(tài)，則不易出現(xiàn)空蝕。）。因?yàn)樯鲜觥痘ぴ怼分兴龅摹按笕莘e沸騰”（類(lèi)似于用水壺?zé)_(kāi)水時(shí)的沸騰現(xiàn)象），同時(shí)具有上述3項(xiàng)特征，所以是空化和超空化的一種形式。2.2.2 《化工泵》[(日)好川紀(jì)博著，機(jī)械工業(yè)出版社]第108頁(yè)“汽蝕發(fā)生過(guò)程中的液體蒸發(fā)（實(shí)際指的是沸騰，本文作者注）是所謂熱力學(xué)過(guò)程”。所以反過(guò)來(lái)說(shuō)，熱力學(xué)過(guò)程中的液體沸騰，也就是流體工程中的空化過(guò)程。2.2.3 《離心泵流體力學(xué)》第124頁(yè)認(rèn)為空化和沸騰不是同一種概念。但其理由是不充分的，并且人為地將同一自然現(xiàn)象按學(xué)科割裂開(kāi)，更不是一種科學(xué)的態(tài)度和方法，會(huì)影響我們對(duì)自然規(guī)律的認(rèn)識(shí)。這點(diǎn)從下述情況，就能得到充分的說(shuō)明：上述《化工原理》第253頁(yè)上所述的過(guò)冷沸騰，實(shí)際上就是流體工程中常見(jiàn)的空化。而空化產(chǎn)生的機(jī)理（局部壓力等于或低于同溫度下液體的蒸氣壓），在流體工程中則是一種常識(shí)。但在該書(shū)中，對(duì)過(guò)冷沸騰是這樣描述的：“過(guò)冷沸騰的機(jī)理復(fù)雜，至今尚未弄清?！?/span>由此可見(jiàn)跨學(xué)科合作的重要性和迫切性。 3
與其它學(xué)科的相關(guān)術(shù)語(yǔ)對(duì)照
某大型化工企業(yè)（下稱(chēng)用戶(hù)）新上一套水力能量回收裝置。水力回收渦輪機(jī)的進(jìn)口壓力為1.7 MPa，出口壓力為0.7 MPa。介質(zhì)主要成分是水，但內(nèi)含部分CO2氣體，溫度為45℃。
用戶(hù)擔(dān)心在壓力從1.7 MPa降低到0.7 MPa的過(guò)程中，介質(zhì)中含有的CO2氣體會(huì)析出形成氣泡， 從而會(huì)使渦輪機(jī)產(chǎn)生空蝕。
用戶(hù)的擔(dān)心是不必要的。因?yàn)榉稚⒋嬖谟谒械?span lang="EN-US" style="margin:0px;padding:0px;outline:0px;max-width:100%;box-sizing:border-box !important;overflow-wrap:break-word !important;color:#000000;text-align:start;font-size:16px;font-family:"PingFang SC";">CO2氣體和由于壓力降低從而析出并匯集于一起形成較大氣泡時(shí)的CO2氣體，并非由液態(tài)CO2蒸發(fā)所產(chǎn)生，因而根據(jù)“假說(shuō)1”，不會(huì)出現(xiàn)空蝕。（本套設(shè)備由長(zhǎng)沙三昌泵業(yè)有限公司生產(chǎn)，現(xiàn)已在浙江晉巨化工有限公司正常運(yùn)，并無(wú)空蝕現(xiàn)象出現(xiàn)。）
根據(jù)4.1.4.4條的論述，分散存在于水中的CO2氣體相當(dāng)于在泵進(jìn)口補(bǔ)充的氣體。所以CO2氣體的存在，不但不會(huì)引起空蝕，而且能減緩空蝕。
更多精彩內(nèi)容，關(guān)注泵友圈微信號(hào)（ID：bengyouquan）
