水力机械空化与空蚀

pa
pa
pv
pv
§ 1-2 汽蚀性能参数
六、汽蚀系数 水力机械的汽蚀系数
装置空化系数 (托马系数) 七、安装高度的确定
进水池面与泵进口列能量方程
hr
H
pe
Hg
ps
c
2 s
2g
hw
ha
ps
cs2 2g
pv
pe
Hg
hw
pv
p (T homa)
p
ha H
H g —压力最低点到进水池面（水轮机下游水面）
2g
hsk
即：
ha
pk
pv
p
hr
p
Zk
Zs
wk2 w02 2g
c02 2g
u02
u
2 k
2g
hsk
w02 [(wk )2 2g w0
1] (1 ) c02
2g
§ 1-2 汽蚀性能参数
hr
Zk
Zs
wk2 w02 2g
c02 2g
u02 uk2 2g
hsk
w02 [(wk )2 2g w0
hrP ( D1P nP )2 ( nP ) 2
hrM
D1M nM
nM
§ 1-2 汽蚀性能参数
2、汽蚀比转速
QP QM hrP
(
D2P ) D2M ( D1P
3
nP nM nP )
2
消去 D1P D1M
hrM
D1M nM
nP
QP1/ 2 hrP 3 / 4
nM
QM1/ 2 hr3M/ 4
水力机械空化与空蚀
§1-1 空化、空蚀(汽蚀)现象
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 空化、空蚀(汽蚀)现象
pe 10.33
900
pv 0.0889 ~ 0.3299
Hg
pe
[h] hw
pv
K 的值越大，
Hg
10.0
900
K
H
H SZ H g K1D1
§ 1-2 汽蚀性能参数
H SZ H g K1D1
§ 1-2 汽蚀性能参数
2）[Hs] 已知 列进水池面与泵进口断面
pe
Hg
§ 1-2 汽蚀性能参数
• 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
ha
p0
Hg
h0s
pv
[h]
降低安装高 减少吸入管损失 补气等
空化的防护措施 （从流体机械本身着手）
空化的防护措施 （从流体机械本身着手）
空化的防护措施 （从流体机械本身着手）
空化的防护措施 （从流体机械本身着手）
§ 1-2 空蚀机理
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。
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
hr
1
c02 2g
2
w02 2g
1 1 ,
2
wk w0
2
1
• 当两台泵进口，几何相似，运动相似则有
四、允许汽蚀余量 保证不发生汽蚀的最低汽蚀余量
[h] hr K
实际中常用 hcr 代替 hr ：
K—安全余量
[h] hcr K
§ 1-2 汽蚀性能参数
五、允许吸上真空高[Hs]′ 1、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
H s
pa
ps
得
得
H s
pa
c
2 s
§1-1 空化、空蚀(汽蚀)现象
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）。
§ 1-2 空蚀机理
4）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。
§ 1-3 空蚀分类
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
§ 1-4 空蚀的危害
1、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 叶轮由于汽蚀而破坏
§ 1-4 空蚀的危害 泵性能下降
H H-Q曲线
Q
§ 1-2 汽蚀性能参数
• 一、汽蚀余量NPSH
叶栅空化数
K p pv
1 2
w2
• 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
实际中一般认为：
hcr
p
hr
§ 1-2 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）
pe
Hg
ps
c
2 s
2g
hw
得
ha
ps
c
2 s
2g
pv
pe
Hg
hw
pv
3、 a. b.
hhrrh与r越与装小h置，a 的无抗关关汽系，蚀性h能a 与越装好置有关
ns
3/4
• 九、空化的防护措施
• 1、从流体机械本身着手
• ①降低 c0 ， w0
• c0 ——加大Ds适当→ c0 减少，us大
• w0 ——加大bs（进口前伸） • ② 双吸叶轮——对于泵
大 w0
• ③ 加大下环的锥角和曲率半径——对于低比转速
• ④ 加工精度
• ⑤ 诱导轮
• ⑥ 超空化翼型
hrP 1Pc02P 2 w02P hrM 1M c02M 2M w02M
• 几何相似时，可以认为 1P 1M , 2P 2M
•
由运动相似
hrP hrM
1Pc02P 2 w02P 1M c02M 2M w02M
u12P u12M
( D1P nP )2 D1M nM
• 对于同一台泵，当转速变化时
2g
ha
pv
要不发生汽蚀 ha [h] ,当 ha [h]时,
[H s ]
pa
cs2 2g
[h]
pv
H s 有最大值
当不是标准状态时必须修正
即
[H ] [H s ] 10.33
pa
0.24
pv
[Hs ]
pa
c
2 s
2g
[h]
pv
[H s ]
pa
cs2 2g
[h]
pv
[H s ] [H s ]
ps
c
2 s
2g
hw
H s
pa
ps
要求
H S
pa
pe
cs2 2g
Hg
hw
H s [H s ]
H s
pa
pe
c
2 s
2g
Hg
hw
[H s ]
Hg
[H s ]
pa
pe
v
2 s
2g
hw
§ 1-2 汽蚀性能参数
a),b),c)为常规泵； d),e),f)为大型泵
§ 1-2 汽蚀性能参数
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 空化、空蚀(汽蚀)现象
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 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。
§1-1 空化、空蚀(汽蚀)现象
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，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。
§ 1-2 空蚀机理
2）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300°C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] (1 ) c02 2g
Zk Zs 0
u
2 0
u
2 k
0
2g
w02 [(wk 2g w0
)2
1] 2
w02 2g
(1 )
c02 2g
1
c02 2g
hsk
wenku.baidu.comc02 2g
即：
hr
1
c02 2g
2
w02 2g
当初生空化（出现第一个空化空泡）时
ha hr
要求 hr ha
临界汽蚀余量 hcr ：效率下降1%~3%时所对应的 ha
1） [h] 已知 由有效汽蚀余量公式
ha
pe
Hg
hw
pv
要求水泵不发生汽蚀
ha [h]
即
ha
pe
H g hw
pv
[h]
得
Hg
pe
[h] hw
pv
§ 1-2 汽蚀性能参数
对于水轮机：
[h] KH， K 1.05 ~ 2.2 安全系数，比转速愈高
[h] ( )H
hw 0
1-2 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。
ha
( ps
c
2 s
)
2g
pv r
• 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
hr
1
c02 2g
2
w02 2g
• C0——叶片进口前（水轮机出口）液流的绝对速度 • W0——相对速度
• 1,—2 —流速分布不均系数。由试验得出，是泵的固有参数
§ 1-2 汽蚀性能参数
Q n hr3/ 4
C
国外采用
• 我国习惯上用
5.62n Q
泵
C hr3/ 4
103/4 5.62
水轮机
3、说明：
① hr大，则C小，抗汽蚀能差
② 是设计工况下的参数计算而得
③ 有因次
④ C值的大小与扬程无关
⑤
5.62n Q
nQ
C hr3/ 4
ns
3.13 H 3/4
C 1.795
① S-0列能量方程
Zs
ps
cs2 2g
Z0
p0
c02 2g
hs0
② 0-k列相对运动伯努利方程
Z0
p0
W02 2g
u
2 0
2g
Zk
pk
wk2 2g
u
2 k
2g
h0k
③=
①+②-
pv
ps
c
2 s
2g
pv
pk pv
(Zk
Zs)
wk2 w02 2g
c02 2g
u
2 0
u
2 k