水力机械空化与空蚀

010100011001010110010101WUHANUNIVERSITY水力机械空化与空蚀WUHANUNIVERSITYWUHANUNIVERSITY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WUHANUNIVERSITYWUHANUNIVERSITY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WUHANUNIVERSITYWUHANUNIVERSITY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空化、空蚀(汽蚀)现象WUHANUNIVERSITYWUHANUNIVERSITY•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空化、空蚀(汽蚀)现象WUHANUNIVERSITYWUHANUNIVERSITY§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。WUHANUNIVERSITYWUHANUNIVERSITY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。§1-1空化、空蚀(汽蚀)现象WUHANUNIVERSITYWUHANUNIVERSITY1-2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。WUHANUNIVERSITYWUHANUNIVERSITY1°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。§1-2空蚀机理WUHANUNIVERSITYWUHANUNIVERSITY2）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。§1-2空蚀机理WUHANUNIVERSITYWUHANUNIVERSITY4）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空蚀机理WUHANUNIVERSITYWUHANUNIVERSITY1、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WUHANUNIVERSITYWUHANUNIVERSITY1、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WUHANUNIVERSITYWUHANUNIVERSITY叶轮由于汽蚀而破坏§1-4空蚀的危害WUHANUNIVERSITYWUHANUNIVERSITYHQH-Q曲线§1-4空蚀的危害泵性能下降WUHANUNIVERSITYWUHANUNIVERSITY§1-2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(2gwgchr22202201叶栅空化数221wppKvWUHANUNIVERSITYWUHANUNIVERSITY§1-2汽蚀性能参数①S-0列能量方程02000222sssshgcpZgcpZkkkkkhgugwpZgugWpZ0222020002222vp②0-k列相对运动伯努利方程③=①+②-kskkskvkvsshguugcgwwZZpppgcp222)(2220202022即：ppphvkagcwwgwhguugcgwwZZphkkskkskr2)1(]1)[(222220202022020202WUHANUNIVERSITYWUHANUNIVERSITY§1-2汽蚀性能参数gcwwgwhguugcgwwZZhkkskkskr2)1(]1)[(2222202020220202020skZZ02220guuk即：g]1)[(22022020gchks220gcgc22)1(20120rahharhh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：rcrhphah当初生空化（出现第一个空化空泡）时gwgchr22202201WUHANUNIVERSITYWUHANUNIVERSITY§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）3、的关系a.与装置无关，与装置有关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wssgehgcpHp22vwgevssaphHppgcph22得arhh与rhrhahKhhr][crhrhKhhcr][WUHANUNIVERSITYWUHANUNIVERSITY§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sasppHvasasphgcpH22得得][hha][hhasHvsasphgcpH][2][2vvaassvsasvsasppppHHphgcpHphgcpH][][][2][][2][22vasppHH24.033.10][][WUHANUNIVERSITYWUHANUNIVERSITY§1-2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HhrHhap)ahomT(pgH][hvwgeaphHph要求水泵不发生汽蚀][hha][hphHphvwgeavwegphhpH][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)wssgehgcpHp22vwgevssaphHppgcph22进水池面与泵进口列能量方程WUHANUNIVERSITYWUHANUNIVERSITY§1-2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][2.2~05.1KKHh)(][0wh90033.10ep3299.0~0889.0vpHKHg9000.1011DKHHgSZvwegphhpH][WUHANUNIVERSITYWUHANUNIVERSITY§1-2汽蚀性能参数11DKHHgSZWUHANUNIVERSITYWUHANUNIVERSITY§1-2汽蚀性能参数2）[Hs]已知列进水池面与泵进口断面要求wssgehgcpHp22sasppHwgseaShHgcppH22][ssHHwseasgswgseashgvppHHHhHgcppH2][][222WUHANUNIVERSITYWUHANUNIVERSITY§1-2汽蚀性能参数a),b),c)为常规泵；d),e),f)为大型泵WUHANUNIVERSITYWUHANUNIVERSITY§1-2汽蚀性能参数•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•当两台泵进口，几何相似，运动相似则有gwgchr222022011,12021wwk202201202201MMMMPPPrMrPwcwchh•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)()(MPMPMPrMrPnnnnDDhhWUHANUNIVERSITYWUHANUNIVERSITY§1-2汽蚀性能参数•2、汽蚀比转速•我国习惯上用水轮机21111322)()(MPMPrMrPMPMPMPMPnnDDhhDDnnDDQQ消去ChQnhQnhQnrrMMMrPPP4/34/32/14/