§ 5.10 反向流与汽蚀

我们已经知道，随着流量的减小在离心泵叶轮的进口处将形成反向流，反向流以环形旋涡的形式出现，并随着流量的进一步减小而从叶片进口边逐渐向吸人管内延伸在反向流情况下，叶轮进口处的流动测量表明，靠近管壁处具有轴向分速，即称为反向流，同时又具有切向分速，即称为预旋。

反向流是液流和叶片进口部分能量交换的结果，反向流所具有的能量，使液流向吸入管上游传播。在传播过程中逐渐消耗所挟带的能量，最后，反向流被主流重新带回而流入叶轮。从理想流体的观点而言，反向流的能量是由叶轮提供的，最后又倒回到叶轮中去，所以流出叶轮液流的动量矩与返回流入叶轮的动量矩是相等的，因而不会对泵的性能指标发生影响。但是在事实上，这是一种损失，从叶轮流出的液体能量不可能再重新送回叶轮，也不可能以任何形式重新加以利用。这种损失在泵的性能上表现为所需的轴功率增大，由于 反向流的强度随流釐的减小而增大，所以消耗的轴功率也将随流量的减小而增大。

在叶片进口边最大直径处出现反向流时时流量称为临界流量，用Q_c表示。为了对不同比转数的叶轮进行比较起见，往往用无量纲的比值Q_c/Q_n来表示。其中Q_n为额定流量。

在小流量下形成强烈的反向流时，将会造成严重的压力脉动和振动，因此在离心泵中往往把临界流量Q_c作为运行的安全界限。泵的结构参数将对临界流置的大小发生影响，例如增大叶轮进口直径、增大叶片进口角和进口边向进口延伸等都可以改善泵的抗汽蚀性能，但却会增大临界流量，便反向流提前发生，显然，叶轮的设计是起着重要作用的。

反向流与汽蚀的初生也有着联系。实验表明，离心泵的汽蚀余量曲线是随流量的减小而降低的，如图5-10中的NPSH所示。NPSH曲线是在进行汽蚀试验时由扬程下降某一百分比来确定的，此时，泵叶轮内实际上已经存在着所谓潜伏汽蚀，只是这种汽蚀汽泡还未能影响叶轮出口的速度三角形，从而不影响泵的汽蚀性能。因此，如果从肉眼可见的初生汽蚀汽泡的出现而言，随着流量的减小将出现如图中虚线所示的汽蚀余量曲线，称为初生汽蚀余量曲线，符号为NPSH₁。目测表明，在大流量区域内，汽泡发生在叶片的压力侧， 而在小流量区域内则汽泡发生在叶片进口边的吸力侧。曲线表明，NPSH₁具有最小值，此时的NPSH₁, NPSH的偏差为最小，这相当于叶轮进口处冲角接近于零时的情况_t增大流量或减小流量都将使冲角增大，从而使NPSH₁和NPSH的偏差也增大。此外，由图可知，还在临界流量Q_c处达到最大值，同时随流量的继续减小而逐渐降低。

一般说来，在叶片进口边圆周速度为最大的 最大直径处是最初形成汽泡的位置，目测表明，当流量减小到Q_c时，进口边最大直径处的汽蚀将在叶片的吸力侧有所发展，因该处的相对速度较大。

同时，在靠近叶片进口边处流动将发生分离，因为此时该处的冲角随之增大。有趣的是，NPSH为最大时的流量正好与反向流发生的临界流量Q_c接近于相等，显然，两者之间可能有着某种联系。此外还需指出，当流量减小到Q_c时，由于反向流而使进口边最大直径处的压强升高，因而使汽泡发生位置随流量的减小而向轮毂方向移动。

根据上述目测实验可作如下分析：当流量减 小时，来流与进口边形成较大的正冲角，从而在靠近进口边的最大直径处因较大的速度差而形成较高的叶片载荷。在某一流量下，冲角达到极限的失速状态而形成分离，此时因背压的增大而立即在叶轮进口处产生反向流，同时，因反向流造成的剪切应力而迫使液体产生预旋，在此情况下，叶片进口边最大直径处在吸力侧所形成的汽泡朝轮毂方向转移，以致影响进口流道而导致NPSH₁达到最大值。

叶轮进口结构参数显然对NPSH和NPSH₁都会产生影响，例如进口处向进口延伸不仅使NPSH减小，而且也将使NPSH₁的最大值有所减小。实验表明，采用这类措施后虽然使反向流提前发生（Q_c增大），但在整个流量范围内却基本上都使NPSH₁值有所减小。 由此可知，Q_c的增大并不总是与吸入性能的降低相联系的。

临界流量限制了泵的安全运行范围，所以预测临界流量是泵设计人员的基本任务之一。有人试图把临界流量的相对值Q_c/Q_n与比转数相联系以求得其相互关系，但并未能找出其间有任何单一的联系。也有人从流道的扩散因子、叶片的流体动力性能以及小流量下实际滑移系数的变化等方面试图找到与临界流量间的某种关系，但也未获得满意的结果。从目前的情况而言，似乎叶片的进口角可能是对反向流起支配作用的重要因素，既然反向流形成的临界流量随不同的叶轮而变化，而初生汽蚀余量的最大值又与临界流量有关，所以对具体的泵而言，的最大值必然是要通过专门的目测实验来确定。显然，要使泵内完全不发生汽蚀，即没有潜伏汽蚀，必须大大降低吸上高度或增加倒灌高度，这在工程实践中是不可取的。因此，就像目前所规定的那样以断裂工况作为标准，即以扬程下降某一百分比作为标准来获得的临界值，而允许泵内有一定的潜伏汽蚀存在。