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Ansys博客

January 30, 2020

泵气蚀产生的原因以及其预防方法

泵、叶轮和螺旋桨是日常基础设施的基本组成部分。它们能够让全世界的发电厂、船只和生产设施保持运行。

设计和使用这些机器的工程师需要解决一个主要问题,即如何避免气蚀——流体会发生突然的相变,从而对物理机置造成损坏。


泵气蚀会损坏内部机制。

为了防止这种情况发生,工程师需要确保将合适的设备安装到合适的系统中。仿真作为一种经济高效的解决方案,可以优化泵的设计和配置,以避免发生意外的相变。


导致气蚀的原因是什么?

当流体中形成气泡或空隙时,就会发生气蚀现象,因为压力会迅速降至蒸汽压力以下。当气泡承受更大的压力时,它们会破裂,产生小的冲击波,久而久之则会损坏部件。当这些压力波在部件上形成小孔时,这就被称为点蚀。


螺旋桨因气蚀而产生凹陷

噪声、振动和性能下降是泵气蚀的良好指标。当开始出现这些警告信号时,工程师应检查设备是否已形成任何点蚀。

点蚀是工程师最关心的问题之一。这是因为随着点蚀的增长和倍增,它们会降低泵的使用寿命和效率。

但还有一些其它的原因会让工程师希望减少设备中的气泡形成。例如,压力波会产生振动,从而导致其它部件(如轴承)发生故障。

由于泵气蚀还会影响设计的流速和效率,工程师将不得不增加功耗,以保持吞吐量。这会导致温室气体和燃料成本的增加。


如何防止泵气蚀

防止泵出现气蚀的最佳方法是增加泵叶轮上游的压力。该压力被称为净正吸入压头(NPSH)。


Ansys EnSight对内齿轮油泵(gerotor pump)中的油体积进行的可视化仿真,
显示了齿轮墙上气蚀(红色)的范围。

工程师增加NPSH的一些方法:

  • 提高上游水库的水位
  • 在泵入口添加导流片
  • 优化叶轮设计
  • 最大限度地减少上游的流量损失
  • 以较低的流速运行泵

在设计阶段,工程师可能无法确定如何在给定的安装中设置泵。因此,他们使用计算和仿真来测试各种配置,为最终用户提供适当的NPSH额定值。这些额定值有助于将泵与安装进行匹配。

过去,工程师使用  Rayleigh-Plesset方程 来仿真气泡形成。挑战在于,这些结果基于经验,如果输入参数调整不当,可能会得到不切实际的结果。

或者,工程师可以使用 Ansys CFX 中的平衡相变模型来仿真气蚀。它使用材料属性来预测气泡的形成,而且无需经验数据。因此,它不需要调整Rayleigh-Plesset方程即可产生准确的结果。

然后,工程师可以设置仿真参数,这样他们就可以通过各种配置加快循环仿真设计,以产生NPSH额定值。此外,他们还可以创建一个图表,以显示NPSH降低将如何减少突然的相变给泵产生的压头。

如欲了解平衡相变模型,敬请查看此 应用简介:气蚀:您必须掌握的一种关键CFD应用

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