葉片式流體機械的空化與空蝕流體機械原理

DOCDOC第四章葉片式流體機械的空化與空蝕§4.1流體機械的空化與空蝕機理一、 空化與空蝕的機理：空化與空蝕是以液體為介質(zhì)的葉片式流體機械，即水力機械才有可能消滅的一種物理現(xiàn)象?？栈F(xiàn)象：氣泡，這叫沸騰。當(dāng)溫度確定，壓力降低到某一臨界壓力，也會氣化。P<Pv汽重分散，氣泡潰滅，另外還伴隨著一系列物理、化學(xué)現(xiàn)象，這叫空化。二、 液體的性質(zhì)與空化初生條件空化初生時空穴在局部壓力降至接近液體蒸汽壓力的瞬間形成的。嚴(yán)格的壓力來衡量，而是該溫度下液體的抗拉強度。液體能不受拉，答復(fù)確定。很多人對純水作了試驗，證明純水的抗拉強度為26-27MPa。但實際上自然界的水不能主要是未溶解的氣體。三、空化的開展與潰滅與空化的類型不僅和壓力與含氣量大小有關(guān)，還和液體的外表X關(guān)。尺寸為零，而后又再生一個稍小的，接著又潰滅，這種再生一般二次，尺寸一次比一次小。類型：①游動型空化②固定型空化 水力機械中消滅③漩渦型空化

時，使液體產(chǎn)生空化。DOCDOC有兩種理解：沖擊波模式。此沖擊使邊壁形成一個球面的凹坑；界很近，那么射流會射向固體邊界造成空蝕。波。實際流體機械內(nèi)部兩種都有，大的氣泡造成射流，小氣泡潰滅產(chǎn)生沖擊式壓力波。DOCDOC，因流速很大，故產(chǎn)生的沖擊壓力可用水錘壓力公式來計算。pCaC ,Ca為液體中的聲速，C為射流速度，假設(shè)C=100m/s那么壓力為200MPa這樣大的壓力作用力材料外表引起材料外表上的蝕坑，引起材料的疲乏破壞。作用使金屬產(chǎn)生電化學(xué)破壞。三、 空化數(shù)流速與形成氣泡或維持氣泡的臨界壓力Pcr有關(guān)，故水動力學(xué)中期望用反映上k表示空化程度，稱為空化數(shù)，下面以孤立翼型分析之。0-01-1P w2 2 0

Pw21 2 1定義單翼的系數(shù)wPC 1P 1( 1)2wPp 1 ww2 02 01-1P P wCpmin

min 1( max)21 ww2 02 0對于葉柵有：mPCp mP2

P2w22

1 m2 w,p葉柵下游的速度和壓力，w,p葉柵上任一點ww 2 2 m mw2葉柵的最低壓力系數(shù)為：P P wC min 21( max)2wpminw

1w2 22 2PPcr，即發(fā)生空化。期望PPcr，在固定壓力下，增加相對流速w(wmin min 0 m或wP0

(P) P2

Pcr，當(dāng)空化發(fā)生時，Pcr=Pva,

P P va1w22 2

PP11 va P11w22 1

,w葉柵進口的壓力與速度1繞流翼型的流場中，假設(shè)保持w不變，降低P ，那么空化數(shù)k 降低，同0時翼型外表壓力降低當(dāng)翼型外表的最低壓力降低到P 時產(chǎn)生第一個氣泡此va時的空化數(shù)的值叫初生空化數(shù)，記為ki

，k i

P P min1w22 0ki

PP 1 minP1w22 1繞流特性，其值取決于翼型外表的速度分布。目前知k 和C 的關(guān)系為：i pmink=-C ，[ki pmin

)(w2)2pmin w1

1]w

wP(P減小，那么沿物體其它外表上的0 1 1壓力降至臨界壓力，因而空化將從空穴初生處集中。此時k<k ；而空化之前ik>k?？梢妼τ谌魏蜗到y(tǒng)，可調(diào)整w(或w)或P(P) 使k大于，等于，小i 0 1 1k從而實現(xiàn)空穴從無到初生，再到破滅。i②在確定溫度下，PvaP

(P) 愈大，k1

愈大，這說明在大的P(P)繞流這一物易消滅空化。反之，P(P)

愈大〕 1 1 0時才消滅空化，此時的k值小，那么說明該物體不易產(chǎn)生空化。i關(guān)。k

PPva11w22 0

說明k增大，抑制空化發(fā)生。k

PP1 min 1w22 0PP1ik 1 min可知，在一樣來流下，最低壓力系數(shù)較小的物體，其初生空化數(shù)值1iw22 0較大。kP,M空化特性相像，必需保證i兩個空化數(shù)相等。對不行壓縮水力機械。除保證幾何相像外，還必需保證Sr,Eu,k,k,k,kRe不i iP,M效應(yīng)。四、 空化破壞的類型與對性能的影響?！惨弧愁愋虳OCDOC孔〕而造成局部流淌突然變化而造成的。(二)評價水輪機行業(yè)規(guī)定：12023Ca(cCa)認(rèn)為合格:CaCr(ta/tr)n 間,tr=8000h；n—指數(shù)〔三〕空化與空蝕對葉片式水力機械性能影響：當(dāng)其開展到確定的程度，影響性能，并阻礙運行，表現(xiàn)為：①機器的能量特性轉(zhuǎn)變②引起振動與噪聲③過流部件外表破壞〔四〕利用空化和空蝕§4.2水力機械的空化參數(shù)空化、空蝕的敏感區(qū)DOC

有量綱的空化參數(shù)：DOCDOC〔1〕化壓力時，便發(fā)生空蝕。前面，我們期望水輪機轉(zhuǎn)輪出口處壓力盡量低，以便較多地利用液流的能量。但是，其壓力不能過低，現(xiàn)分析之。為了保證對于轉(zhuǎn)輪，流體以w1速度進入轉(zhuǎn)輪，在A點處，液流速為零，由于流速A點處壓力大于轉(zhuǎn)輪進口前的壓力。當(dāng)對翼型繞流時，液流流速發(fā)生彎曲，此反面壓力上升。故不發(fā)生汽蝕的條件：k點和出口處2pkzg 得：

2 2 pwu2 2 wu2 2 g g g

2 2wu 2 2wu2 2g 2g

k2p p w2w2

u2u2 k 2z z 2 k g g 2 k 2g 2g

H ①k220p v2 pz 2 2 z 0H2 g 2g 0 得：p p v2

20 2z z 0 g 0 2 g 2g

H ②20

w2w2pkz z p0

( k w2[ 2

)w v22 2

]hg 0

k g 2g

k0k至下游自由液面的距離定義為水輪機的吸出高度。z z H 又H Hk 0 s k0 25V2V2由以前知：

2 2g

25V222g故Hw

25

(1)V222g2

〔認(rèn)為V5

0〕令( k0)2w2

1為葉柵汽蝕系數(shù)2gH又V 2gH2 v2

w k2gH2 w2gHppk 0Hp

(k2 k2)g g

w2 v2上式表示了水輪機的汽蝕性能。p給上式兩邊同減P_H

vH得：g_pp p g s vk v [k2 k2]gH H

w2 v20vp Hsp0vg g令 k2zp得：k

Hpv

w2 v2gH上式中z

z代表電站裝置參數(shù)打算的點k處的壓力值，故通常z

是裝置汽蝕系數(shù)k點壓力值，叫水輪機的汽蝕系數(shù)。①當(dāng)P>P〉k②p pk

v z,發(fā)生空蝕<v z關(guān)。對于幾何相像，工況相像水輪機相等。②期望小好，這樣減小電站開挖，降低須從降低與著手。即使翼型反面w

k值，w2 是水輪裝置汽蝕系數(shù)和水輪機尺寸工況參數(shù)無關(guān)。只和安裝高層〔吸出高度〕z和當(dāng)?shù)販囟认碌钠瘔毫τ嘘P(guān)，即水輪機工作水頭有關(guān)。推導(dǎo)時認(rèn)為u u 但是對低比轉(zhuǎn)速混流式水輪由于徑向流道長，u u 故k 2 k 2u2u22

u2u2k應(yīng)增加一項2gh 2 2 k

由于r rk 2

2 k/2gH2gh這說明徑向流道較長的低比轉(zhuǎn)速水輪機由于液流受離心力影響，使 減小。同理知：由于是無量綱數(shù)，故相像的水輪機相等。z

是工況的函數(shù)z

=f(H)f(qH)代表一臺水輪的指在最優(yōu)工況下或設(shè)計工況下v同理：對于泵：p p

p v2 p v2 w2k v s s v 0 0g g 2g

12g

2gp v2 p定義：sg

s 2g

v=NPSHa〔和裝置參數(shù)有關(guān)，叫裝置汽蝕余量，又叫有效g汽蝕余量〕00v2 w2NPSHr0012g 2g假設(shè)列吸入頁面處和法蘭處波努力方程：可得：p p v2 p v2 p0 s s HsgH ，將此和s s

v=NPSHag g 2g

0s

g 2g gpNPSHa=0

v

q2pg 0s p

0s v重量液體具有的超出汽化壓力水頭的充裕能量。外文叫AvailableNetPositiveHead.即泵進口處液體具有的全部能量頭減去汽化壓力凈剩的值。Available：指裝置供給應(yīng)泵的泵能夠利用的能量Net：指去掉了汽化壓力道中就發(fā)生了汽蝕。NPSHa和裝置與液體性質(zhì)有關(guān)，和泵無關(guān)。對于確定的p,p,Hsg,NPSHa隨q增0 v v大而減小, 故，NPSHa是下降的二次曲線。00v2 w2=NPSHr00 12g 2gNPSHr：是液體在泵進口局部壓力降的程度〔留意不是大小〕RequiredNetPositiveHead.所謂凈指必需供給這么大的凈正吸頭NPSHrn,qv確定下只和進口幾何參數(shù)有關(guān)。對于給定的泵無論何種液體〔除粘性大，n,q下，泵進口速度大小一樣，故有一樣的v壓力降。NPSHrNPSHaNPSHrq的增大而v增大，故NPSHr和q關(guān)系是一條上升的二次曲線。v由上可見，NPSHrNPSHrNPSHr實際應(yīng)用：實際當(dāng)NPSHa=NPSHr，流量為A，但外特性下降并不大，工程上規(guī)定，NPSHakk3%作為臨界值記為NPSHc2汽蝕余量許用值[NPSHr]=NPSHc+K K=0.3m 或NPSHa(1.1-1.3)的較大值〔三〕吸入〔出〕真空度算到基準(zhǔn)面上的液柱高表示。吸入〔處〕真空算到基準(zhǔn)面上的液柱高表示。吸入〔處〕真空DOCDOCDOC期使用故簡潔介紹。泵：泵進口法蘭處壓力為p那么泵進口真空度：sp p p v2 p

p c2 pH a s 將s s v=NPSHa帶入得NPSHa=a s vHv g g g 2g g g 2g g vc2 pv設(shè) s v2g gpv

a10，這樣當(dāng)知泵進口處真空度值，就知NPSHa，當(dāng)汽蝕g發(fā)生時，NPSHa=NPSHr10-Hv用裝置參數(shù)表示真空度：22

pcpsvs

HsgHp p p p

g g 2gc2

csH a s a cHsg s Hv g g 2g

csNPSHaHsg用真空度概念[Hv]=Hv-k[Hv]=Hv/〔1.1~1.3〕這樣用許用真空度可求得許用安裝高度：Hgr[Hv]papcsg g H v2scs 2gs

〔吸上〕

gr得還知：vsg s[Hv]1atm,200c試驗求得[Hv] ，但假設(shè)泵現(xiàn)場條件和標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)不同，那么需將Hv或[Hv] 換算成現(xiàn)場Hv或[Hv]，然后用[Hv]代替[Hv]，求幾何安裝高度：pa[H][Hv]10.33ppa

0.24 vv

g gH paps

pap0

Hsv g g 2gs

s0二、 空化〔空蝕〕相像定律與空化比轉(zhuǎn)速對于幾何相像的水力機械，在相像工況下，其對應(yīng)點速度成比例，壓力降系數(shù),1 2

值相等，故有：NPSH

(c2w2) u2 (nD)2r,p 1s 2 s p p pNPSH

(c21s

w2) 2 s m s

(nD)2mNPSH r,pNPSHr,m

n p)m m=1.3-2當(dāng)比轉(zhuǎn)速相差不大時準(zhǔn)。nm

NPSH(nD)2

rconstaq

v constbnD2

5.62n qvNPSH3/5.62n qvrC叫空化比轉(zhuǎn)速①幾何相像，工況相像的水力機械，C等于常數(shù)。故C可以作為空化相像準(zhǔn)那么。它標(biāo)志 ②NPSHr

增大,CNPSHr

減小，C大，C值大，說明泵抗汽蝕性能好。③C速。但通常說一臺泵的值指最高效率的值。5.62n qv④對雙吸泵c5.62n qvNPSH3/4rC汽蝕性差：C=600-900：C=800-1100主要考慮空化：C=1100-1600火箭發(fā)動機：C〉5500 qvg(NPSHr) qvg(NPSHr)34an qvNPSHr3n qvNPSHr34水輪機用表示汽蝕性能指標(biāo)：〔三〕Cns關(guān)系：NPSHr叫托馬系數(shù)〔相當(dāng)于水輪機汽蝕系數(shù)〕H由于，ns都從相像理論得：故ns存在關(guān)系：00NPSHrc2 w20012g 2g

K u22g

K n2D2qv

K

Kn4343

單吸K216106雙吸 K137106NPSHr

c2 w2002g 2g00aa1 1依速度三角形：w 依速度三角形：w 0aucos1aDn60coss0a 0ac u tanDntgs0 1a 0a依連續(xù)性條60件0a有：q Acv 00

D4

2KDs

ntg0a

/60d2dK1 nD2s以上三式整理代入NPSHr式得：

n223 2gNPSHr

v

2 tg43 cos2 K cos2

2 30a 0a3

0a當(dāng)，,n,q和k定后，HPSHr僅是 的函數(shù)1 2 v 0a12122112112令dtg0a

0 得:tg

0a,opt1 2可見0a

的最優(yōu)值僅是11

的函數(shù)。理論上，一臺空化性能較好的泵〔葉片數(shù)無1

0,2

oa,opt

1.2,1 2

0.3故有tg

0a,opt

oa,opt

=17032沖角道的高壓面，漩渦易向低壓側(cè)集中，不穩(wěn)定，對汽蝕性能影響大。較大的沖角。四、水力機械的安裝高度：對水輪機0p0 g

p Hsvp g 故得：Hs 0 vvp

H，對水輪機p pp H g g p a 0水輪機不發(fā)生空化〔空蝕〕條件是p

，當(dāng)我們水輪機的空化系數(shù) ，取空化平安系數(shù)k1, 即p

k，這樣知HsHs

p paga

vkH通在水輪機安裝高程X圍，大約高程每上升900米，大氣壓降低月1米〔水柱。每平面平均大氣壓為10.33米水柱，假設(shè)水輪機安裝的海報高程為 米時，那么大氣壓降低約900

5-250之間時，水的氣化壓力值Hva0.0889~0.3229米水柱。故Hs10.33 900

(0.0889~.3299)k

900

kH增s大，k增大DOCDOCDOC〔二〕泵安裝高度PP計算的用Hsg0 vHg

os

NPSHa當(dāng)NPSHr

時，為了平安取余量：NPSHaNPSHr0.3 或NPSHa(1.1~1.3)NPSHr但對于立式泵與大型臥式泵，留意，計算基準(zhǔn)面不再是泵的中心線。§4.5空化參數(shù)的比例效應(yīng)

Lm

D1m ，流過低壓區(qū)的時間l D1tl wHw成正比，故液流在低壓區(qū)流過模型的時間和原型的持續(xù)時間比為：tmlm

l D wDDDHHm/ 1 t w w D wm m 1由上式可見，①尺寸和水頭兩個參數(shù)，尺寸對液流流過低壓區(qū)的時間影響是主模型水輪機嚴(yán)峻。但水輪機的空化系數(shù)之間有何關(guān)系。在模型試驗中臨界汽蝕系數(shù) 所對應(yīng)翼型最低壓力點k處的壓力為p<p，lj min vXTTp p ,Tp p,兩端各除以H ，整理得：v min min v MpaHspv

paHs

pminT p p (H)M

( mn

v) (M H

) ( )M H M當(dāng)p pk v

時，空化初生，此時的初生汽蝕系數(shù)為*T)H M

*M

①ljM在原型水輪機中有：TH

) *②lj

*=*XM等，即得，T TMH由①-②得：lj

ljM

H

)ljM由此得：①一般H H ，故 ，故原型水輪機比摸型水輪機發(fā)生汽M lj ljM蝕早。H H時，M

ljM

上，此式計算量大，故一般按下式計算：H lj

ljM

m(1

H

)ljM〔二〕水中含汽量的影響量低。M

8.48( )mH Hmm,M

—原型，模型水輪機工作時水中空氣的相對體積含氣量?！踩秤捎诶字Z數(shù)RemRep(k2k2)1v2 u2c2c22 5h2g 25 w ( k)21c2 w2 22g由于模型與原型不同，[可以保證速度成比例，但不能相像]l v2d2g

沿程損失〔由于

和雷諾數(shù)無關(guān)〕保證h =集中損失25=漩渦損失故1.17M

M 由于水力效率之比近似等于總效率之比，且水力效率不M易求得：工程上常用總效率代替：故1.17 MM 假設(shè)：①汽蝕的汽泡區(qū)液體與蒸汽的溫度瞬時平衡。②熱量交換只在汽泡區(qū)進展，與汽泡區(qū)以外液體之間無熱量交換X設(shè)汽泡體積為v2

汽化時吸取熱量為QL

V2

Q L

為蒸汽密度)2液體體積為v，液體被吸走熱量c

VT1那么Q

V=c

p 11VTL 2 2 p 11B

表征汽蝕開展程度的一個參數(shù):BV2V2V

c QV2V11V2V11依克拉貝隆—克勞修氏方程Tpv

1 2 Q

—由于氣泡吸取汽化熱而使四周液體的汽化壓強T (1

) L v2又 pv

gH1

，代入得：T

12 Q12

gHV

將TB1(B 1 1

2 L)cT2 p

gH

令H

=1，BB(Q)2 V V 12 L(B 1 1

)cT2 p

gB=BH1 (Q)2 1 V2 L意為，液體的汽化壓強降低1米時，汽蝕區(qū)內(nèi)氣泡體積與液體體積之比。NPSH試驗一般取下述4個流量點的NPSHr數(shù)據(jù)：最小連續(xù)穩(wěn)定流量，介于最小流量110%額定流量。單在做氣蝕試驗時在抽真空降低NPSHa必需保持流量不變，最好用閉式回流量試驗NPSH，如雙方同意還可以用吸入閥節(jié)流或轉(zhuǎn)變?nèi)肟诰何坏姆椒?。DOCDOC一、

§4.6液體的熱力學(xué)特性對汽蝕的影響易發(fā)生汽蝕。同一臺泵，抽不同介質(zhì)時，而且介質(zhì)缺乏以轉(zhuǎn)變流態(tài)，覺察汽蝕難易程NPSHr

v2 w2002g 2g00

的概念，不管哪NPSHr相，這是為Pk=Pv液體不行壓縮；②氣泡發(fā)生的壓力就是液體的飽和蒸汽壓力，且在汽泡和蒸汽壓力時，氣泡即發(fā)生，無時間滯后。事實上，①當(dāng)?shù)蛪簠^(qū)的壓力降到該溫度下飽和蒸汽壓力時，液體汽化，依熱溫度上升Pv力不定。且阻擋汽蝕發(fā)生。另粘性力和液體的外表X力對空泡也起阻擋作用。拿水來講水的蒸汽比容隨溫度上升而減小，所以溫度越高汽蝕開展越弱。而不同介質(zhì)在一樣溫度下蒸汽的比容也不一樣。大的易汽蝕小的不易汽蝕。二．計算1．同種介質(zhì)不同溫度斯氏公式：NPSHr〕=〔NPSHr〕NPSHrt2 t12g其中NPSHr=

B4/3Hv1式中，Hv為溫度為的飽和蒸汽壓力，B 是使得液體飽和蒸汽壓力下降1米時，1汽蝕區(qū)，氣泡體積和液體體積之比。斯捷潘諾夫認(rèn)為NPSHr與液體物性與熱力學(xué)性質(zhì)有關(guān)，與泵型與工況無關(guān)。2．不同液體：NPSHr

=NPSHr特

h關(guān)于h可查美國水力學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)1979版的修正曲線，以水介質(zhì)與溫度查找h。(B 1

)2 cTg1 (Q)2 22 L1 2T2

T2

時，水與蒸汽的密度;QL

為汽化潛熱，c§4.7提高抗汽蝕性能的措施NPSHaNPSHrNPSHaNPSHr

v2 w2002g 2g00

增大NPSHa問題，也是咱們做為水泵設(shè)計者關(guān)心的問題。我們知道NPSHr是泵進口部份壓力降的程度，所以影響NPSHr大小的是葉輪進口局部的幾何外形。對葉輪進口D，葉片外形、葉輪進口流道外形，下面分別表達：DNPSHr=

v2 w2002g 2g00假設(shè)進口速度分布不均勻1 葉柵汽蝕系數(shù)，它和進口直徑無關(guān)。假設(shè)是直錐形吸入室V

0w2u2v2DVuw

對于泵一般增大，故0 0 0 0 0 0有一個最正確的D，使得NPSHr最小。這是一個求極值的問題，由于泵最易發(fā)n生汽蝕點在葉輪前蓋板，因此按此求D0V 4Q

(K0 (D20

2 2h vu0②由于液體轉(zhuǎn)變，受離心力作用液體靠近前蓋板處速度大那么壓力低。NPSHrD2n

0

d2nd(NPSHr)且令：dDn

0得 DKn

K=f(Q3n0Q3n

,K,K,)1 2 明顯：增加K可以減小VNPSHr，轉(zhuǎn)變泵的汽蝕性能。但K太大，0 0 0液流在進口處集中嚴(yán)峻，破壞了流淌平順和穩(wěn)定性，形成漩渦使水力效率下降。另一方面，D太大，口環(huán)所在直徑變大，泄露增大，容積效率下降。一般K按下0 0K0

4.5~5.5K0

3.5~4.0K0

4.0~4.5②增大葉輪進口寬度b1R2②增大葉輪進口寬度b1R2b大，過流面積大，V，W小，從而減小NPSHr，這100是一種有效的方法，高汽蝕性能的冷凝承受上述方b太大，效率低。12③葉片進口邊位置前移：R0 0④進口邊傾斜：使得進口邊各點半徑不同，因此uw故將汽蝕盡量把握在前蓋板四周。主流影響。⑦進口邊沖角：一般進口安放角 1b

大于進口相對液流角1

即承受正沖角 1b 1正沖角能提高抗汽蝕性能：緣由a):增大1b

，減小了葉片彎曲，增加了進口過V0，W0NPSHr小，b):在設(shè)計流量下液體易在渦不易向高壓側(cè)集中，而是把握在局部，對汽蝕影響小。⑧粗糙度：其值應(yīng)盡量小，水力損失小。PP NPSHa=

vHsghg

KQ2減小幾何高度Hsg( Hsg為正)減小損失承受雙吸泵，減小進口速度泵發(fā)生汽蝕應(yīng)將Q減小， NPSHrNPSHa小，故大流量下運行時，應(yīng)使得安裝高度小些。在某些氣蝕條件比較差的工況下運行時，可加裝誘導(dǎo)論?！?.7誘導(dǎo)輪以前講的是從構(gòu)造上，但實際知，泵發(fā)生汽蝕是由于pk<pv，假設(shè)能提高液體在泵進口的壓力，那么泵不發(fā)生汽蝕。這個裝置就是誘導(dǎo)輪：誘導(dǎo)輪是在四十年月初，在法國火箭發(fā)動機上使用，目的是在很高的轉(zhuǎn)速(n=17000~20230r/min)下正常的供給燃料。60年月后漸漸用于離心泵中以便大幅地提高泵的吸入性能，帶有誘導(dǎo)輪的離心泵吸入比轉(zhuǎn)速c3000，有的高達6300。二、 構(gòu)造差提高抗汽蝕性能由于誘導(dǎo)輪產(chǎn)生的揚程對后邊的離心輪起增加能量的作用，防止泵汽蝕發(fā)生。而誘導(dǎo)輪只需很低的吸入余量，從而按給定的裝置使用條件，計算NPSHa，然后按HiNPSHrNP