第四章：叶片式流体机械的空化与空蚀
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HSJ
（三）吸出（入）真空度
H Vpa gpSpa gp0H S2 cS g 2 H 0 S
[HV]的值由试验确定 HSJ
二、无因次空化参数 （一）空化（或空蚀）系数
装置空化系数 水力机械空化系数 初生空化条件
P
ha H
NPSaH H
hr NPSrH
HH
n qV
3
NPSH
4 r
Ka
qV
ghr 34
3
n
S
qV
3
hr 4
nqH 4
H
3 4
n3q4
C5.62n3q4 1.54n3s4
HSJ
三、 泵的空化性能与入流角度的关系
这一部分内容不再讲述，有兴趣可参阅有关书籍。
HSJ
四、 水力机械的安装高度
h ap g 0 H Sp V g a H 0 S h r12 c g L 222 w g L 2
HSZ[HV]2cSg2 H0S
非标准状况下允许吸入真空度的换算
[ H V ] [ H V ] 1 .3 0 H 3 a H V a 0 .24
HSZ[HV]H0S
cS2 2g
HSJ
第三节 空化与空蚀的防护与改善措施
一、设计
1、合理确定叶轮低压侧的几何尺寸
用HS代替ZK并令:
cL2 2g
HSL
1
cL2 2g
wK2 wL2 2g
2
wL2 2g
ES
pS
g
ZS
cS2 2g
最后得:
pg KESHS12cg L 2 22 wgL 2
HSJ
（二）空化余量
p K g p V a E S H S p V g a 12 c g L 222 w g L 2 h a h r
于（机装器置低）压给侧机压器力提的供降的低避，免称发为生动空压化降的。
它条是件水。力根机据械伯内努部利空方化程性，能h的a的度数量值，可而
与以机根器据的下安游装水位面置的和参液数体计性算质。无关。在
一定的外界条件下，hr的值越小，pK的
值越高，则发生空化的可能性就越小。
HSJ
NPSH（Net Positive Suction Head） cavitation margin
摞?<跌u孄??餽p嬑 Jk萘秣?k贤
wb#u 媜 7w兀?) {鱱H
秒?Y? 麐z 蟏?=??傉哙
`?w{[+鶋| 渹{?饓s 詐
?\瘙= 氙 ;鹵?Y%惢_?&嬟嬸
侢 } ?S? V鄟?佹饟
j
o€h?V• 孁???3黷#嬘
胳幥 I€鳻聋茓 P$ ?荱嬞{稠
- J纉 焗豒ホm?u馫VI)H纞
潈; ?揿塋!
Ki的意义
翼型特性参数 与工况有关 对既定翼型的既定工况是常数
p0－pmin↑，w0↓，Ki↑，
对既定环境,产生空化的可能性↑ 翼型的空化性能的指标。
HSJ
空化发展条件
K＞Ki，不产生空化 K＝Ki，开始空化（空化初生） K＜Ki，空化发展（加剧）
空化的相似准则
Sr，K，Ki
HSJ
三 空蚀破坏类型及对性能的影响
p＝
空化相似准则
p＋
HSJ
（二）空化（或空蚀）比转速
∵hr正比于H
∴可定义
C
5.62 n
3
qV
hr 4
效率为主：C=600~800；
兼顾效率和空化：C=800~1100；
空化性能为主：C=1100~1600； 特殊要求（例如对火箭推进泵）：C＞5500。
HSJ
吸入比转速 无量纲
S
ha
hr
水装力置机的械有必效需空空化化余余量量hah是r是与一机个器只外与部机
器环内境部（流装动置有）关有的关参的数参，数对。于是既机定器的低机压
基
器侧的液既体定总工能况头是（常折数算。到它基表准示面由）于超液过体液 准
流体动汽而化引压起力的的叶部片分上，最它低表压示力了点外处部相环对境 面
本章涉及的主要内容
叶片式水力机械的空化与空蚀机理 水力机械的空化参数 空化与空蚀的防护与改善措施
HSJ
第一节 叶片式水力机械的空化与空蚀机理
一、空化及空蚀机理 （一）空化现象
基本定义 由于压力的变化而导致 的液流内的空泡的产生、 发展和溃灭过程以及由 此而产生的一系列物理 和化学变化，称为空化
（一）空化和空蚀破坏类型（按发生的部位）分类 1、翼型空化和空蚀
I I
HSJ
泵叶轮的翼型空蚀
HSJ
2、间隙空化和空蚀
HSJ
3、空腔空化和空蚀 4、局部空化和空蚀
水轮机空蚀量合格的评定标准
HSJ
（二）空化与空蚀对叶片式水力机械性能的影响 1、机器能量特性恶化 2、引起振动和噪声 3、材料破坏
HSJ
ha的计算
hapg 0HSp V gaH0S
对水轮机
haH aH Va H S
空化的发生过程
ha> hr ha= hr ha< hr
无空化 空化初生 空化发展
HSJ
hr的测量 能量法 根据：空化初生时， hr= ha
临界值的确定 安全余量
[hr]= hcr+K
?屗塗$9
?匡?(別 ?[鲩Z0 l~ 慶琶 5艭
危??內? g??a? J ?χ??$ゥ孅?0lH `
?' R?;N?囏a杸) G????t$撈0??c+ 僿??v胐顑o 2 ??? ??
刻' N稍嶀?寃??泲? ?a碍鹄YZF猏 虓[贋用` 拷T,V3B励 =桽\= •?ST傄u烶輤 腙€鲳0_儖?絅= 计裌 巹4 ~{飪秞 ?• 塀'墕
2
最低压力点
2
Cpmin
pminp0
12w02
1wwm0ax
K p0 pVa
1 2
w02
Ki p102wpm 02 inCpmin
HSJ
空化开始 K的意义
pmin pva
K Ki
环境参数 p0↑，pva↓，w0↓，则K↑ 对既定的翼型，产生空化的可能性↓
第二节 水力机械的空化参数
一、有因次空化参数
（一）转轮叶片上的最低压力 机器的低压侧S 转轮的低压侧L 叶片最低压力点K
HSJ
逐步利用0、S、L、K间的伯努利方程可得
p g K p g S Z S 2 c g S 2 Z K ( 2 c g L 2 H S L ) w K 2 2 g w L 2 H L K u K 2 2 g u L 2
HSJ
空化发展过程
压力降低 压力升高
汽化 空泡溃灭
材料破坏
空泡形成 外特性下降
HSJ
（二）空化初生 液体的抗拉强度 实测最大26~27 Mpa 理论值160~325 Mpa
初生空泡的平衡条件
2 r ＋ r2p＝ r2pva
2
p pva r
空化核
HSJ
＝7.4×10－2 N／m
DS
cL
wL
NPSrH 1
2cgL2 2
wL2 2g
最优值：
De K0 3
qV n
HSJ
2、下环（前盖板）圆弧半径和进口边位置 3、采用双吸叶轮 4、采用诱导轮
HSJ
诱导轮
HSJ
5、采用超空化翼型
HSJ
超空化螺旋桨
HSJ
二、制造 1、提高加工精度和表面光洁度 2、采用耐空蚀破坏的材料 3、表面处理提高材料耐空蚀性能
冲击次数 100~1000/s-cm2
其他因素：
HSJ
微射流
HSJ
（四）空化现象的分类（按形态和产生原因） 1）游动型空化 2）固定型空化 3）旋涡型空化 4）振动型空化
HSJ
旋涡型空化
HSJ
泵叶轮的空化
HSJ
二、空化数
翼型的压力系数
Cp
p1 p0
1 2
w02
1
w1 w0
三、安装 合理确定吸出（入）高度
四、运行 适当限制运行工况（水轮机的补气）
HSJ
运行工况
HSJ
五、维修 采用耐空蚀材料补焊 表面喷、涂耐空蚀材料
HSJ
HSJ
第四章内容总结
比例效应
基准面 粘性 空化核子 拉应力 时间
空化相似律
NPSHr=K·H r=const S(C)=const
空化与空蚀机理
水轮机
HS1.00900KH
H S1.090(0 )H
安全余量的选择： 关系重大
HSJ
吸出高基准与安装基准
HSJ
泵的吸入高基准面与安装高程基准面相同
H S Z H 0 H V a H 0 S ( h r K )
HSJ
用允许吸入真空度计算
空化现象 溃灭过程 空化核子 临界压力 空化数 空化的分类 对外特性的影响
空化与空蚀的防护
设计
制造
叶轮几何尺寸
诱导轮 超空化翼型
加工精度 材料
安装
吸入高度
运行
安全工况
维修
补焊 表面喷涂
水力机械 空化参数
NPSHr S(c) HV
NPSpHa NPScHr cr
?i7,嬤;雞嶂嬇<槣郬杽 gZ]_
（三）空蚀破坏机理
任何固体材料（包括化学惰性的、非导电的、甚至高 强度的），在任何液体（包括海水、淡水、化学惰性 液体、甚至金属性液体如汞、钠等）的一定动力条件 作用下，都能引起空蚀破坏。
微射流理论
射流速度 100 ～300 m/s
压力
7.05108 Pa
微射流直径 2~3 m
冲抗直径 2~20 m
（三）吸出（入）真空度
H Vpa gpSpa gp0H S2 cS g 2 H 0 S
[HV]的值由试验确定 HSJ
二、无因次空化参数 （一）空化（或空蚀）系数
装置空化系数 水力机械空化系数 初生空化条件
P
ha H
NPSaH H
hr NPSrH
HH
n qV
3
NPSH
4 r
Ka
qV
ghr 34
3
n
S
qV
3
hr 4
nqH 4
H
3 4
n3q4
C5.62n3q4 1.54n3s4
HSJ
三、 泵的空化性能与入流角度的关系
这一部分内容不再讲述，有兴趣可参阅有关书籍。
HSJ
四、 水力机械的安装高度
h ap g 0 H Sp V g a H 0 S h r12 c g L 222 w g L 2
HSZ[HV]2cSg2 H0S
非标准状况下允许吸入真空度的换算
[ H V ] [ H V ] 1 .3 0 H 3 a H V a 0 .24
HSZ[HV]H0S
cS2 2g
HSJ
第三节 空化与空蚀的防护与改善措施
一、设计
1、合理确定叶轮低压侧的几何尺寸
用HS代替ZK并令:
cL2 2g
HSL
1
cL2 2g
wK2 wL2 2g
2
wL2 2g
ES
pS
g
ZS
cS2 2g
最后得:
pg KESHS12cg L 2 22 wgL 2
HSJ
（二）空化余量
p K g p V a E S H S p V g a 12 c g L 222 w g L 2 h a h r
于（机装器置低）压给侧机压器力提的供降的低避，免称发为生动空压化降的。
它条是件水。力根机据械伯内努部利空方化程性，能h的a的度数量值，可而
与以机根器据的下安游装水位面置的和参液数体计性算质。无关。在
一定的外界条件下，hr的值越小，pK的
值越高，则发生空化的可能性就越小。
HSJ
NPSH（Net Positive Suction Head） cavitation margin
摞?<跌u孄??餽p嬑 Jk萘秣?k贤
wb#u 媜 7w兀?) {鱱H
秒?Y? 麐z 蟏?=??傉哙
`?w{[+鶋| 渹{?饓s 詐
?\瘙= 氙 ;鹵?Y%惢_?&嬟嬸
侢 } ?S? V鄟?佹饟
j
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胳幥 I€鳻聋茓 P$ ?荱嬞{稠
- J纉 焗豒ホm?u馫VI)H纞
潈; ?揿塋!
Ki的意义
翼型特性参数 与工况有关 对既定翼型的既定工况是常数
p0－pmin↑，w0↓，Ki↑，
对既定环境,产生空化的可能性↑ 翼型的空化性能的指标。
HSJ
空化发展条件
K＞Ki，不产生空化 K＝Ki，开始空化（空化初生） K＜Ki，空化发展（加剧）
空化的相似准则
Sr，K，Ki
HSJ
三 空蚀破坏类型及对性能的影响
p＝
空化相似准则
p＋
HSJ
（二）空化（或空蚀）比转速
∵hr正比于H
∴可定义
C
5.62 n
3
qV
hr 4
效率为主：C=600~800；
兼顾效率和空化：C=800~1100；
空化性能为主：C=1100~1600； 特殊要求（例如对火箭推进泵）：C＞5500。
HSJ
吸入比转速 无量纲
S
ha
hr
水装力置机的械有必效需空空化化余余量量hah是r是与一机个器只外与部机
器环内境部（流装动置有）关有的关参的数参，数对。于是既机定器的低机压
基
器侧的液既体定总工能况头是（常折数算。到它基表准示面由）于超液过体液 准
流体动汽而化引压起力的的叶部片分上，最它低表压示力了点外处部相环对境 面
本章涉及的主要内容
叶片式水力机械的空化与空蚀机理 水力机械的空化参数 空化与空蚀的防护与改善措施
HSJ
第一节 叶片式水力机械的空化与空蚀机理
一、空化及空蚀机理 （一）空化现象
基本定义 由于压力的变化而导致 的液流内的空泡的产生、 发展和溃灭过程以及由 此而产生的一系列物理 和化学变化，称为空化
（一）空化和空蚀破坏类型（按发生的部位）分类 1、翼型空化和空蚀
I I
HSJ
泵叶轮的翼型空蚀
HSJ
2、间隙空化和空蚀
HSJ
3、空腔空化和空蚀 4、局部空化和空蚀
水轮机空蚀量合格的评定标准
HSJ
（二）空化与空蚀对叶片式水力机械性能的影响 1、机器能量特性恶化 2、引起振动和噪声 3、材料破坏
HSJ
ha的计算
hapg 0HSp V gaH0S
对水轮机
haH aH Va H S
空化的发生过程
ha> hr ha= hr ha< hr
无空化 空化初生 空化发展
HSJ
hr的测量 能量法 根据：空化初生时， hr= ha
临界值的确定 安全余量
[hr]= hcr+K
?屗塗$9
?匡?(別 ?[鲩Z0 l~ 慶琶 5艭
危??內? g??a? J ?χ??$ゥ孅?0lH `
?' R?;N?囏a杸) G????t$撈0??c+ 僿??v胐顑o 2 ??? ??
刻' N稍嶀?寃??泲? ?a碍鹄YZF猏 虓[贋用` 拷T,V3B励 =桽\= •?ST傄u烶輤 腙€鲳0_儖?絅= 计裌 巹4 ~{飪秞 ?• 塀'墕
2
最低压力点
2
Cpmin
pminp0
12w02
1wwm0ax
K p0 pVa
1 2
w02
Ki p102wpm 02 inCpmin
HSJ
空化开始 K的意义
pmin pva
K Ki
环境参数 p0↑，pva↓，w0↓，则K↑ 对既定的翼型，产生空化的可能性↓
第二节 水力机械的空化参数
一、有因次空化参数
（一）转轮叶片上的最低压力 机器的低压侧S 转轮的低压侧L 叶片最低压力点K
HSJ
逐步利用0、S、L、K间的伯努利方程可得
p g K p g S Z S 2 c g S 2 Z K ( 2 c g L 2 H S L ) w K 2 2 g w L 2 H L K u K 2 2 g u L 2
HSJ
空化发展过程
压力降低 压力升高
汽化 空泡溃灭
材料破坏
空泡形成 外特性下降
HSJ
（二）空化初生 液体的抗拉强度 实测最大26~27 Mpa 理论值160~325 Mpa
初生空泡的平衡条件
2 r ＋ r2p＝ r2pva
2
p pva r
空化核
HSJ
＝7.4×10－2 N／m
DS
cL
wL
NPSrH 1
2cgL2 2
wL2 2g
最优值：
De K0 3
qV n
HSJ
2、下环（前盖板）圆弧半径和进口边位置 3、采用双吸叶轮 4、采用诱导轮
HSJ
诱导轮
HSJ
5、采用超空化翼型
HSJ
超空化螺旋桨
HSJ
二、制造 1、提高加工精度和表面光洁度 2、采用耐空蚀破坏的材料 3、表面处理提高材料耐空蚀性能
冲击次数 100~1000/s-cm2
其他因素：
HSJ
微射流
HSJ
（四）空化现象的分类（按形态和产生原因） 1）游动型空化 2）固定型空化 3）旋涡型空化 4）振动型空化
HSJ
旋涡型空化
HSJ
泵叶轮的空化
HSJ
二、空化数
翼型的压力系数
Cp
p1 p0
1 2
w02
1
w1 w0
三、安装 合理确定吸出（入）高度
四、运行 适当限制运行工况（水轮机的补气）
HSJ
运行工况
HSJ
五、维修 采用耐空蚀材料补焊 表面喷、涂耐空蚀材料
HSJ
HSJ
第四章内容总结
比例效应
基准面 粘性 空化核子 拉应力 时间
空化相似律
NPSHr=K·H r=const S(C)=const
空化与空蚀机理
水轮机
HS1.00900KH
H S1.090(0 )H
安全余量的选择： 关系重大
HSJ
吸出高基准与安装基准
HSJ
泵的吸入高基准面与安装高程基准面相同
H S Z H 0 H V a H 0 S ( h r K )
HSJ
用允许吸入真空度计算
空化现象 溃灭过程 空化核子 临界压力 空化数 空化的分类 对外特性的影响
空化与空蚀的防护
设计
制造
叶轮几何尺寸
诱导轮 超空化翼型
加工精度 材料
安装
吸入高度
运行
安全工况
维修
补焊 表面喷涂
水力机械 空化参数
NPSHr S(c) HV
NPSpHa NPScHr cr
?i7,嬤;雞嶂嬇<槣郬杽 gZ]_
（三）空蚀破坏机理
任何固体材料（包括化学惰性的、非导电的、甚至高 强度的），在任何液体（包括海水、淡水、化学惰性 液体、甚至金属性液体如汞、钠等）的一定动力条件 作用下，都能引起空蚀破坏。
微射流理论
射流速度 100 ～300 m/s
压力
7.05108 Pa
微射流直径 2~3 m
冲抗直径 2~20 m