流体机械第四章

§4.1 空化与空蚀机理
二、空蚀机理
2、空蚀机理
度很大的微型射流的形成。 微型射流速度可以很高，通 常可达100~300m/s。学者库 克对该射流产生的射流冲击 压力进行了估算（水）： p=1.4VMPa (V—射流速度) 若V=200m/s⇒p=280MPa。 该脉冲压力足以破坏材料的 晶粒，同时也导致材料的疲 劳破坏。 特点：能量集中程度高，作 用时间短。
运行6000~10000小时，最长不超过12000小时检查 实测空蚀量C，按时间换算的空蚀保证量Ca，如果
C ≤ Ca → 合格
§4.1 空化与空蚀机理
五、空蚀破坏的评定标准
⎧Cr − −空蚀保证量 ⎪ n ⎪Ta − −实际运行时间 Ca = Cr (Ta / Tr ) ⎨ ⎪Tr = 8000h − −基准运行时间 ⎪n − −运行指数 ⎩ ⎧1.0 − −Ta ≤ 10000h ⎪ n = ⎨1.6 − −Ta > 10000h(不锈钢) ⎪2.0 − −T > 10000（碳钢） h a ⎩
§4.1 空化与空蚀机理
一、空化机理 2、空化的初生、发展和溃灭 实验表明：纯净的液体能够承受拉应力。目前所测到的纯水的 最大抗拉强度为26-27MPa，利用分子动力学理论计算则更大。 实际生活中，普通水根本不能承受拉应力。温度t=20℃的水， 当压力为0.24mH2O时(即汽化压力pv=0.24mH2O),水的连续性被破 坏而汽化。 液体中存在杂质是导致不能承受拉应力的根本原因。除了固体 表面和液体中不可避免的含有一定数量的悬浮的固体粒子外； 主要杂质是未溶解的气体---称为气核（空化核） 空化核是导致空化的根本原因（内因），压力降则是外因。 “空化核”观点已被大量试验证明，也与所观察到的物理现象 相吻合。 空化初生不仅与压力有关，而且还与液体本身的特性有关（含 空化核的多少），且后者是主因，但却很难控制和度量。
§4.1 空化与空蚀机理
一、空化机理
2、空化的初生、发展和溃灭
实验表明：压力下降到液体汽化压力附近时，气核开始形成气 泡—初生；随着压力进一步下降，气泡在随流过程中进一步长 大—发展；进入高压区后，气泡不断缩小直到溃灭。新的较小 的空泡再生---称为回弹，然后重复上述过程。 初生—发展--溃灭的过程是一 个复杂的动力学过程。与气 泡本身的参数、液体的粘 性、表面张力、可压缩性和 惯性等物理性质都有关。还 与气体的扩散、溶解、热传 导等有关。当空泡中含有其 它永久性气体时，其发育、 溃灭的过程虽有不同，但类 似上述过程。
§4.1 空化与空蚀机理
四、流体机械中空蚀 破坏的类型 （1）翼型空蚀 水泵常见空蚀区 域：离心泵--进口边 背面及后盖板上。 轴流泵—进口边背 面及靠近轮毂处、 导叶进口边背面及 靠近叶轮吸水管壁 位置。 （2）间隙空蚀 存在间隙的部位发 生的空蚀破坏。
§4.1 空化与空蚀机理
四、流体机械中空蚀破坏的类型 （3）空腔空蚀
第四章
叶片式流体机械的 空化与空蚀
§4.1 空化与空蚀机理
空化与空蚀是以液体为工作 介质的流体机械（水力机 械）中可能出现的一种特有 物理现象。 一、空化机理 1、空化现象 对于任何液体：
在恒压下加热，温度上升到某一温度时，开始汽化，形成汽泡，⇒沸腾。 在恒温下降压，压力下降到某一临界压力（汽化压力）时，也会汽化，溶 解在液体中的气体析出，⇒形成汽泡（空泡、空穴） 空泡随流运动到压力较高的地方后，泡内的蒸汽重新凝结，气泡溃灭。 气泡经历了生成、发展、溃灭的过程，同时通常还伴有一系列物理和化学 变化 水力机械中，由于压力的下降而导致的液流内气泡的生成、发展、溃灭过 程以及由此而产生的一系列物理和化学变化⇒称为空化
§4.1 空化与空蚀机理
二、空蚀机理
2、空蚀机理 （2）热力熔化理论 当空泡高速受压后，汽相高速凝结，从而放出大量的热，使材料 融化造成破坏。 （3）电化腐蚀理论 该理论的必要条件是有电流形成。 热电效应：冲击导致局部温度上升⇒产生温度梯度⇒热电偶， 形成电流⇒电解作用使材料破坏。 应力电化效应：局部产生交变高应力⇒晶格之间应力差⇒金属 内部微小电池变形，形成电势差。 应变电化效应。 边界层放电电化效应。
二、空化机理
3、空化的类型 （3）旋涡空化：由液流受到强烈 的扰动而产生的旋涡形成的。 多发生在水力机械的进出口边 和绕流物体的尾部。 （4）振动空化：液体中的固体边 界机械振动激发相邻液体产生 压力脉动，当振幅较大振频较 高时导致液体发生空化。特点 是发生空泡的液体是静止的， 对材料有较大的破坏作用。在 叶片式水力机械中不多见。
§4.1 空化与空蚀机理
三、空化数
影响流动液体中空穴的产生、发展、消失以及与此相关的流 动特性的主要影响因素是边界几何形状、绝对压力、流速和形成 空泡或维持空穴的临界压力pcr。所以，在水动力学中，经常采用 反映上述参数之间关系的无量纲量K来描述流体中的空化程度， 称为空化数。
p1 − pva ρV12 2 当特征速度不变，逐步降低特征压力，则空化数亦将降低，翼型 或叶栅表面最低压力随之降至汽化压力时，将在此产生第一个气 泡，此时的空化数的值称为初生空化数，记为Ki。
空化与空蚀是提高水力机械能量指标最主要的障碍。
§4.2 水力机械的空化参数
• 低压区的出现是导致空化的根本原因。 • 水轮机转轮出口附近、水泵叶轮进口附近是低压区。 • 研究转轮低压侧的空化特性对保证水力机械的优良性 能或稳定运行具有重要意义。
一、水轮机的空化参数
1、叶片压力最低 点K处的压力 • 叶片上压力最低点 K点在叶片背面出 口边附近 • 只有
pK
γ
≥
pv
γ
才不致发生空化。
§4.2 水力机械的空化参数
一、水轮机的空 化参数
由相对运动伯努利方程 （K点到L点）和绝对 运动的伯努利方程（L 点到O点），可得：
⎧ pk Wk2 U k2 pl Wl 2 U l2 + − = Zl + + − + Δhk −l ⎪Zk + γ 2g 2g γ 2g 2g ⎪ ⎨ 2 2 ⎪ Z + pl + Vl = Z + p0 + V0 + Δh 0 l −0 ⎪ l γ 2g γ 2g ⎩ pl p0 V02 − Vl 2 ∴ = − (Zl − Z 0 ) + + Δhl −0 γ γ 2g
§4.1 空化与空蚀机理
六、空化与空蚀对机组性能的影响 1、导致能量特性的改变
初生阶段对性能没有明显影响 发展到一定阶段：水轮机--出力、效率突然下降； 水泵—扬程、效率突然下降，甚至断流
2、引起振动和噪声
水共振 噪声
3、导致过流部件的空蚀破坏
大大缩短大修周期和使用寿命。 严重时发生叶片断裂等重大事故。
常出现在偏离工况。空腔内 压力很底，充满蒸汽或其它 气体。涡带呈螺旋状，通常 以低于机组转频的速度旋转 并周期性的撞击管壁。空腔 空化的主要危害是造成机组 强烈的振动、噪声和压力脉 动(也会导致管壁的空蚀)。 特别当低频的压力脉动与机 组或过流部件的自振频率一 致时，引起共振，导致出力 严重的波动。 水轮机中常出现在尾水管。 水泵则出现在吸水管。
§4.2 水力机械的空化参数
§4.1 空化与空蚀机理
四、流体机械中空蚀破坏的类型 （4）局部空蚀
由于过流部件结构或制造上的缺陷引起的局部空蚀现象。如表 面不平整、砂眼、气孔、凹入或突出的叶片固定用螺钉或密封 螺钉处、混流式水轮机的减压孔等。 把局部空蚀与翼型空蚀分开是因为局部空蚀的发生与机组的工 作原理无关。
四、空蚀破坏的评定标准 水泵行业还没有制定标准。水轮机行业标准如下： （1）GB/T15469-1995
§4.1 空化与空蚀机理
片状空化
空化云
超空化
§4.1 空化与空蚀机理
二、空蚀机理 1、空蚀
空泡溃灭的过程如果发生在固体表面 及其附近，会使材料受到破坏。这种 由空化引起的材料破坏，称为空蚀。
§4.1 空化与空蚀机理
二、空蚀机理
2、空蚀机理 （1）机械作用理论
机械作用理论被学界广泛 认同： A、冲击压力波模式 空泡溃灭中心辐射出来的冲 击压力波导致空蚀。 空泡越大，溃灭点距边壁的 距离越近，溃灭能及冲击压力就越大，对材料的破坏作用就越大。 B、微射流模式 空泡溃灭时形成微射流造成空蚀。空泡溃灭前首先发生变形，变形 程度随压力梯度的增加和距壁面距离的减少而增大；变形导致了速
∂E ω ∂ ( rCu ) ⎫ = ⎪ ∂l g ∂l ⎪ ∂Er =0 ⎬⇒ 2 ∂l p C ⎪ E=Z+ + ρg 2 ⎪ ⎭ l ——相对流线 p W 2 u2 Er = Z + + − 2 ρg 2 单位质量流体相对运动的机械能
§4.2 水力机械的空化参数
一、水轮机的空化参数
Wl 2 − Wk2 U l2 − U k2 = − (Z k − Zl ) + − + Δhk −l γ γ 2g 2g p0 Vl 2 − V02 = − [( Zl − Z 0 ) + ( Z k − Zl )] − − γ 2g Wk2 − Wl 2 U l2 − U k2 − + Δhk −l + Δhl −0 2g 2g 讨论: 1) 令H sk = zk − z0 --称为吸出高度 2) K 接近L, 令：Δhk -l = 0。 U k = U l pk pl Vl 2 V02 − Δhl −0 是尾水管内 3) 令: − 2g 2g 回收的能量, 用相对值表示，即 :
§4.1 空化与空蚀机理
§4.1 空化与空蚀机理
空化在水力机械运行过程中均有发生，包括泵、水轮机、船舶 推进器以及绕流水翼等。 大多数情况下，空化是一种有害的现象，因此要避免发生。 一般来讲，水力机械中的空化现象按照其存在的形式及产生机 理，大致可以分为：游离型空化、附着型空化、旋涡型空化和振 动型空化等四类。 在叶片式水力机械中，主要是前三种影响机械的性能并造成材 料的破坏，且以附着型空化最为普遍。对于附着型空化，按照空 化的形态特征及发展程度又可以分为空化初生（Cavitation Inception）、片状空化（Sheet Cavitation）、空化云（Cloud Cavitation）和超空化（Super Cavitation）等四个阶段 不同阶段空化的形成与发展的机理也不尽相同，尤其对于空化 云及超空化，它们伴随着空化云的脱落和空泡的破灭等多种复杂 的非定常流动现象。