水力机械空化与空蚀

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1、1001010110010101WUHAN UNIVERSITYWUHAN UNIVERSITY水力机械空化与空蚀水力机械空化与空蚀WUHANUNIVERSITYWUHAN UNIVERSITYWUHAN UNIVERSITY 空化与空蚀是发生于液体作为介质的水力机械中的一种特有现象，而在固体和空气中一般不会发生空化和空蚀。所以空化与空蚀同样也是反映水轮机、水泵特性的一个重要指标，是设计、试验、运行中必须考虑的问题，并且一直是国内外水力机械领域中的重要研究课题。1-1 1-1 空化、空化、空蚀空蚀(汽蚀汽蚀)现象现象 WUHANUNIVERSITYWUHAN UNIVERSITYWUHAN U

2、NIVERSITY一、空化现象 这是一种流体力学现象。临界压力把给定温度下，液体开始汽化的压力叫做临界压力。（在不同温度下，液体的临界压力是不同的）。注意：当液体温度一定，而压力降低到相应的临界压力时，也会出现汽化现象，同时溶解于液体中的气体析出，形成空泡（空穴）。1-1 1-1 空化、空化、空蚀空蚀(汽蚀汽蚀)现象现象 WUHANUNIVERSITYWUHAN UNIVERSITYWUHAN UNIVERSITY 在某个温度下，压力低到某一值时，液体发生汽化，此压力称为该温度下的汽化压力，一般用pv表示。液体流动过程中，如果某一部位的压力低于某一临界压力（一般情况，该临界压力与水的汽化压力接

3、近）时，溶解于水的气体逸出，形成空泡（空穴），当空泡随水流运动到压力较高的地方时，空泡迅速凝结而溃灭。1-1 1-1 空化、空化、空蚀空蚀(汽蚀汽蚀)现象现象 WUHANUNIVERSITYWUHAN UNIVERSITYWUHAN UNIVERSITY 空化：随着压力变化，液流中出现空泡状态（初生、发展、溃灭）及产生一系列物理化学变化称作空化（空穴）。空蚀：指当空泡的溃灭过程发生于固壁表面，而使材料破坏，即由空化引起的材料破坏（侵蚀）。空泡的产生与发展取决于液体的状态（温度和压力）以及液体本身的物理性质（所含杂质量及所溶解的气体等）。1-1 1-1 空化、空化、空蚀空蚀(汽蚀汽蚀)现象现象

4、WUHANUNIVERSITYWUHAN UNIVERSITYWUHAN UNIVERSITY 1-1 汽蚀现象汽蚀现象 某温度T下临界压力（Pv一般）空泡向高压区移动溃灭凝结破坏（疲劳破坏，剥蚀、电化学）噪音，性能下降。WUHANUNIVERSITYWUHAN UNIVERSITYWUHAN UNIVERSITY 通过水力机械流道中的液流，如果某个地方的流速增高，必然会引起此处的局部压力下降，当压力降低到当时液流下的临界压力时，这个低压区的液流就会开始汽化出现空泡（汽泡），空泡随液流运动到较高压力区，由于P，汽泡中的蒸气要重新凝结成水，汽泡溃灭。因为体积突然收缩，汽泡原先占有的空间形成真空，

5、于是周围的高压液流质点高速冲近来，将对过流表面产生非常大的瞬间脉冲压力（水锤压力）。同时，在压力增高时，原来从液流中分解出来的小汽泡，在水锤压力的作用下被急剧压缩，直到汽泡的弹性力大雨水锤压力时，汽泡将停止压缩而瞬间膨胀，所以对过流表面又形成另一种水锤压力。1-1 1-1 空化、空化、空蚀空蚀(汽蚀汽蚀)现象现象 WUHANUNIVERSITYWUHAN UNIVERSITYWUHAN UNIVERSITY1-2 空蚀机理 空蚀对过流部件造成的破坏，主要有四种理论：机械作用、电化作用、化学作用和微射流理论。1）机械作用 在过流表面的某处，随着液流不断流过，空泡不断形成溃灭压缩和膨胀，将产生很高

6、的冲击压力。通过高速摄影的圆盘实验观察到，汽泡凝结时间约万分之一秒，水锤压力可以达到几百个甚至几千个大气压，对边壁材料造成破坏。WUHANUNIVERSITYWUHAN UNIVERSITYWUHAN UNIVERSITY 1空泡在溃灭过程中产生冲击波，从空泡的中心向外放射时具有和大的冲击力，对材料产生破坏。2大的空泡在溃灭过程中会变形，空泡分裂成若干个小空泡的过程中还会产生高速的微射流束，产生很强的冲击力。在过流边壁的某一个地方，随着液流的不断流过，溃灭的空泡像尖刀一样反复锤打金属边壁（疲劳破坏），金属表面在反复打击下，金属晶格开始破坏出现裂纹。当压力升高时，高压液流深进金属裂缝，压力突然下

7、降时，缝隙中的液流又吹出来，循环下去造成金属破坏，最终成块脱落剥蚀。1-2 1-2 空蚀机理空蚀机理 WUHANUNIVERSITYWUHAN UNIVERSITYWUHAN UNIVERSITY2）化学作用 当空泡被压缩时，由于体积突然缩小，温度要升高放出热量；同时水锤压力对金属表面的冲击也要产生局部高温。当空泡凝结时，局部温度可达到300C左右，所以在这种高温、高压作用下，又促使了空蚀对金属表面的氧化，这就是化学作用。3）电化作用 气泡在高温高压作用下产生放电现象，这就是电化作用。因为金属表面被高压液流反复冲击的部位会产生很大热量，温度升高，形成热端，将会与邻近点的非冲击部位(冷端)构成一

8、个热电耦，在热电耦的回路中产生电势，使金属内部有电流通过，也产生电化腐蚀(电解作用)，致金属表面变暗变毛，加速机械破坏作用。1-2 1-2 空蚀机理空蚀机理 WUHANUNIVERSITYWUHAN UNIVERSITYWUHAN UNIVERSITY4）微射流理论 空泡在溃灭过程中还会产生高速的微射流束，产生很强的冲击力，对材料表面产生破坏作用。1-2 1-2 空蚀机理空蚀机理 WUHANUNIVERSITYWUHAN UNIVERSITYWUHAN UNIVERSITY 1、空化空蚀破坏类型 1）翼型空化和空蚀 2）间隙空化和空蚀 3）空腔空化和空蚀 4）局部空化和空蚀 1-3 空蚀分类空

9、蚀分类 WUHANUNIVERSITYWUHAN UNIVERSITYWUHAN UNIVERSITY1、空化与空蚀对水力机械性能的影响 对性能产生影响，主要表现为四个方面：1）破坏过流表面 2）机器能量特性发生变化 3）引起振动和噪声 4）使机组检修频繁 1-4 空蚀的危害空蚀的危害 WUHANUNIVERSITYWUHAN UNIVERSITYWUHAN UNIVERSITY叶轮由于汽蚀而破坏 1-4 空蚀的危害空蚀的危害 WUHANUNIVERSITYWUHAN UNIVERSITYWUHAN UNIVERSITYHQH-Q曲线 1-4 空蚀的危害空蚀的危害 泵性能下降WUHANUNIV

10、ERSITYWUHAN UNIVERSITYWUHAN UNIVERSITY 1-2 1-2 汽蚀性能参数汽蚀性能参数 一、汽蚀余量NPSH 在泵进口（尾水管出口）所具有的高出汽化压力的富裕（余）能头，其大小以换算到基准面的水柱高表示 二、必须汽蚀余量 叶轮内压力最低点的压力等于汽化压力时，机器的汽蚀余量C0叶片进口前（水轮机出口）液流的绝对速度W0相对速度 流速分布不均系数。由试验得出，是泵的固有参数21,rpgcphvssa)2(2gwgchr22202201叶栅空化数221wppKvWUHANUNIVERSITYWUHAN UNIVERSITYWUHAN UNIVERSITY 1-2 1

11、-2 汽蚀性能参数汽蚀性能参数 S-0列能量方程02000222sssshgcpZgcpZkkkkkhgugwpZgugWpZ0222020002222vp 0-k列相对运动伯努利方程=+-kskkskvkvsshguugcgwwZZpppgcp222)(2220202022即：ppphvkagcwwgwhguugcgwwZZphkkskkskr2)1(1)(222220202022020202WUHANUNIVERSITYWUHAN UNIVERSITYWUHAN UNIVERSITY 1-2 汽蚀性能参数汽蚀性能参数 gcwwgwhguugcgwwZZhkkskkskr2)1(1)(222

12、2202020220202020skZZ02220guuk即：gwwwgwk2 1)(22022020gchks220gcgc22)1(20120rahharhh要求临界汽蚀余量 ：效率下降1%3%时所对应的 crh实际中一般认为：rcrhphah当初生空化（出现第一个空化空泡）时 gwgchr22202201WUHANUNIVERSITYWUHAN UNIVERSITYWUHAN UNIVERSITY 1-2 汽蚀性能参数汽蚀性能参数 三、有效汽蚀余量（装置汽蚀余量）1、定义它是装置提供给泵（水轮机）的汽蚀余量2、表达式：列进水池和水泵进口（水轮机出口）3、的关系 a.与装置无关，与装置有关

13、 b.越小，抗汽蚀性能越好四、允许汽蚀余量保证不发生汽蚀的最低汽蚀余量实际中常用代替：K安全余量wssgehgcpHp22vwgevssaphHppgcph22得arhh 与rhrhahKhhr crhrhKhhcr WUHANUNIVERSITYWUHAN UNIVERSITYWUHAN UNIVERSITY 1-2 汽蚀性能参数汽蚀性能参数 五、允许吸上真空高Hs1、定义：使之不发生气蚀，泵进口（水轮机出口）所允许的最大真空度2、表达式要不发生汽蚀 ,当 时,有最大值 当不是标准状态时必须修正 即sasppHvasasphgcpH22得得 hha hhasHvsasphgcpH22vvaa

14、ssvsasvsasppppHHphgcpHphgcpH2222vasppHH24.033.10WUHANUNIVERSITYWUHAN UNIVERSITYWUHAN UNIVERSITY 1-2 汽蚀性能参数汽蚀性能参数 七、安装高度的确定 压力最低点到进水池面（水轮机下游水面）1）已知由有效汽蚀余量公式得HhrHhap)ahomT(pgH hvwgeaphHph要求水泵不发生汽蚀 hha hphHphvwgeavwegphhpH即六、汽蚀系数 水力机械的汽蚀系数 装置空化系数(托马系数)wssgehgcpHp22vwgevssaphHppgcph22进水池面与泵进口列能量方程WUHANU

15、NIVERSITYWUHAN UNIVERSITYWUHAN UNIVERSITY 1-2 汽蚀性能参数汽蚀性能参数 对于水轮机：，安全系数，比转速愈高的值越大，HKh 2.205.1KKHh)(0wh90033.10ep3299.00889.0vpHKHg9000.1011DKHHgSZvwegphhpHWUHANUNIVERSITYWUHAN UNIVERSITYWUHAN UNIVERSITY 1-2 汽蚀性能参数汽蚀性能参数 11DKHHgSZWUHANUNIVERSITYWUHAN UNIVERSITYWUHAN UNIVERSITY 1-2 汽蚀性能参数汽蚀性能参数 2）Hs 已知

16、列进水池面与泵进口断面 要求 wssgehgcpHp22sasppHwgseaShHgcppH22ssHHwseasgswgseashgvppHHHhHgcppH2222WUHANUNIVERSITYWUHAN UNIVERSITYWUHAN UNIVERSITY 1-2 汽蚀性能参数汽蚀性能参数 a),b),c)为常规泵；d),e),f)为大型泵WUHANUNIVERSITYWUHAN UNIVERSITYWUHAN UNIVERSITY 1-2 汽蚀性能参数汽蚀性能参数 八、汽蚀比转速八、汽蚀比转速汽蚀余量或吸上（吸出）真空度（高），只能说明某台机器汽蚀性能的好坏，而不能比较不同机器的汽蚀

17、性能，为此引进包括设计参数在内的综合汽蚀性能相似特征参数汽蚀比转速C。1、汽蚀相似律由必需汽蚀余量的定义当两台泵进口，几何相似，运动相似则有gwgchr222022011,12021wwk202201202201MMMMPPPrMrPwcwchh几何相似时，可以认为 MPMP2211,由运动相似 2112121202201202201)(MMPPMPMMMMPPPrMrPnDnDuuwcwchh对于同一台泵，当转速变化时 2211)()(MPMPMPrMrPnnnnDDhhWUHANUNIVERSITYWUHAN UNIVERSITYWUHAN UNIVERSITY 1-2 汽蚀性能参数汽蚀性

18、能参数 2、汽蚀比转速 我国习惯上用 水轮机21111322)()(MPMPrMrPMPMPMPMPnnDDhhDDnnDDQQ消去ChQnhQnhQnrrMMMrPPP4/34/32/14/32/1国外采用 4/362.5rhQnC62.5104/3泵WUHANUNIVERSITYWUHAN UNIVERSITYWUHAN UNIVERSITY 大，则C小，抗汽蚀能差 是设计工况下的参数计算而得 有因次 C值的大小与扬程无关 3、说明：、说明：九、空化的防护措施九、空化的防护措施1、从流体机械本身着手降低，加大Ds适当减少，us大大加大bs（进口前伸）双吸叶轮对于泵 加大下环的锥角和曲率半径

19、对于低比转速 加工精度 诱导轮 超空化翼型rh4/34/313.362.5HQnnhQnCsr4/3795.1snC 0c0w0c0w0w0cWUHANUNIVERSITYWUHAN UNIVERSITYWUHAN UNIVERSITY 1-2 汽蚀性能参数汽蚀性能参数 九、空化的防护措施九、空化的防护措施1、从流体机械本身着手2、从装置本身着手00hphHphvsga补气等减少吸入管损失降低安装高WUHANUNIVERSITYWUHAN UNIVERSITYWUHAN UNIVERSITY空化的防护措施（空化的防护措施（从流体机械本身着手）WUHANUNIVERSITYWUHAN UNIVERSITYWUHAN UNIVERSITY空化的防护措施（空化的防护措施（从流体机械本身着手）WUHANUNIVERSITYWUHAN UNIVERSITYWUHAN UNIVERSITY空化的防护措施（空化的防护措施（从流体机械本身着手）WUHANUNIVERSITYWUHAN UNIVERSITYWUHAN UNIVERSITY空化的防护措施（空化的防护措施（从流体机械本身着手）