第四章葉片式流體機(jī)械的空化與空蝕-流體機(jī)械原理VIP

第四章葉片式流體機(jī)械的空化與空蝕

§4.1流體機(jī)械的空化與空蝕機(jī)理

一、空化及空蝕的機(jī)理：

空化及空蝕是以液體為介質(zhì)的葉片式流體機(jī)械，即水力機(jī)械才有可能出現(xiàn)的一

種物理現(xiàn)象。

空化現(xiàn)象：

沸騰：液體在恒定壓力下加熱，當(dāng)液體溫度升高至某一溫度，液體開始?xì)饣纬?/p>

氣泡，這叫沸騰。

當(dāng)溫度一定，壓力降低到某一臨界壓力，也會(huì)氣化。

當(dāng)P<Pv,開始?xì)饣纬煽昭ǎ礆馀荩?，?dāng)氣泡到高壓區(qū)則，氣泡內(nèi)的蒸汽

重新凝結(jié)，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)及變化初生條件

空化初牛時(shí)空穴在局部壓力降至臨近液體蒸汽壓力的瞬間形成的c嚴(yán)格的

講，一般若空穴在均質(zhì)液體內(nèi)產(chǎn)生，液體必須破裂，破裂所需應(yīng)力不是以蒸汽壓

力來衡量，而是該溫度下液體的抗拉強(qiáng)度。液體能不受拉，回答肯定。很多人對(duì)

純水作了試驗(yàn)，證明純水的抗拉強(qiáng)度為26-27MPa。但實(shí)際上自然界的水不能承

受拉應(yīng)力，這是因?yàn)樗倪B續(xù)性破壞了。（例水溫20%,壓力2400Pa時(shí)水的連

續(xù)性就破壞了，水就氣化了）。而水的連續(xù)性的破壞是由于水中有雜質(zhì)，改變了

水的結(jié)構(gòu)，消弱了水（液體）的抗拉強(qiáng)度，而水中液體中的雜質(zhì)是多種多樣的，

主要是未溶解的氣體。

實(shí)際上，當(dāng)局部壓力降至蒸汽壓力附近，未溶解氣體首先從液體中析出，形成氣

核。故液體壓力降低是空化產(chǎn)生和發(fā)展的外部條件，而其內(nèi)因還是液體本身的特

性（含未溶解氣體的量）。

三、空化的發(fā)展及潰滅及空化的類型

當(dāng)壓力再低，氣泡長(zhǎng)大，進(jìn)入高壓區(qū)，氣泡不斷縮小，潰滅。此過程是復(fù)雜過程,

不僅和壓力及含氣量大小有關(guān)，還和液體的表面張力，粘性，可壓縮性，慣性有

關(guān)口

高速攝影拍了氣泡的潰滅過程：當(dāng)氣泡達(dá)到最大直徑時(shí)，緊接著高速潰滅至氣

泡尺寸為零，而后又再生一個(gè)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(dòng)型變化、

②固定型空化》水力機(jī)械中出現(xiàn)

③漩渦型空化，

④振動(dòng)型空化：液體中的固體邊界的機(jī)械振動(dòng)激發(fā)相鄰的液體產(chǎn)生壓力詠動(dòng)，與振幅

足夠大時(shí)，使液體產(chǎn)生空化。

四）空蝕的機(jī)理

是空泡潰滅過程中機(jī)械作用是空蝕破壞的主要原因。

有兩種理解：

①空蝕破壞基本上是由于從小空泡潰滅中心輻射出來的沖擊波而產(chǎn)生的，稱為

沖擊波模式。此沖擊使邊壁形成一個(gè)球面的凹坑；

②另一種理解認(rèn)為空蝕是由較大的空泡潰滅時(shí)形成微射流所造成的。此理論認(rèn)

為氣泡變形、分解、使之形成了流速很大的微型液體射流，如果潰滅區(qū)離邊

界很近，則射流會(huì)射向固體邊界造成空蝕。

實(shí)際流體機(jī)械內(nèi)部?jī)煞N都有，大的氣泡造成射流，小氣泡潰滅產(chǎn)生沖擊式壓力

波。

初蛤附身空泡空泡頂部受擾動(dòng)射流沖擊在表面上

oQ

初始球形空泡高樂■創(chuàng)變篇磋壓二則走成向上詡

縛續(xù)洸滅方向的射流

QIP

夕勿0%

初始球形空泡悻穿入射流的形成

扁一面

C）

圖右8射流一潰滅模式

a）用著整面的半球形空泡

b）空泡移入壓力異度區(qū)c）空泡近邊壁潰滅

射流速度很高，達(dá)100m/s-300m/s,因流速很大，故產(chǎn)生的沖擊壓力可用水

錘壓力公式來計(jì)算。p=pCaC,Ca為液體中的聲速，C為射流速度：若

C=100m/s,則壓力為200MPa這樣大的壓力作用力材料表面，引起材料表面上

的蝕坑，引起材料的疲勞破壞。

另外，由于空泡受壓，汽相凝結(jié)，放出大量的熱，使金屬表面融化破壞。還有

有的金屬表面溫度高，別的地方溫度低，形成熱電偶，產(chǎn)生電流，電流引起電解

作用使金屬產(chǎn)生電化學(xué)破壞。

三、空化數(shù)

由于液體中空穴的產(chǎn)生，發(fā)展，潰滅與流動(dòng)特征的主要因素邊界的形狀、壓力、

流速及形成氣泡或維持氣泡的臨界壓力Per有關(guān)，故水動(dòng)力學(xué)中希望用反映上訴

參數(shù)無量綱數(shù)k表示空化程度，稱為空化數(shù)，下面以孤立翼型分析之。

對(duì)()-()及1-1列伯努力方程：

2+資=4+會(huì)；

定義單翼的系數(shù)

2

cp=4—)

耳夕卬：頃

取1-1斷面在翼型上最低壓力點(diǎn)處，此時(shí)速度最大，壓力最低。于是得:

—P—PVV

Cpmi.n=i——三=1-(\―!^)7

/

對(duì)于葉柵有:

2

Cp=4—=)W2,P2葉柵下游的速度和壓力，Wm,pm葉柵上任一

■%

點(diǎn)的壓力及速度.

葉柵的最低壓力系數(shù)為:

「_Pmi.n-P2、1_(卬max)2->

J,min-[

當(dāng)Pinin<Per,即發(fā)生空化。希望Pinin<Pcr,在固定壓力下，增加相對(duì)流速WO(Wm)

或W0不變，降低壓力％(鳥)都使PminWPcr,當(dāng)空化發(fā)生時(shí)，Pcr=Pva,

定義翼型空化數(shù)為：1=與二人

葉柵空化數(shù)為：&PI,wi葉柵進(jìn)口的壓力及速度

12

5小

繞流翼型的流場(chǎng)中，若保持W0不變，降低尸00,則空化數(shù)I降低，同時(shí)翼

型表面壓力降低，當(dāng)翼型表面的最低壓力降低到九時(shí)產(chǎn)生第一個(gè)氣泡，此時(shí)的

空化數(shù)的值叫初生空化數(shù)，記為￡，￡（7匕in

5M;

同理對(duì)葉柵：尤=午峻min

產(chǎn)2

同理，保持壓力不變，而增加來流速度，同樣可使空化數(shù)降低，當(dāng)降低到一定值

時(shí)，開始產(chǎn)生空化，此時(shí)的空化數(shù)同樣為初生空化數(shù)。初生空化數(shù)取決于翼型的

繞流特性，其值取決于翼型表面的速度分布。目前知￡和1,總的關(guān)系為：

1仁二（1一。小）（出）27

由此可見，①若W。（或WI）增大，或已（R）減小，則沿物體其它表面上的壓力

降至臨界壓力，因而空化將從空穴初生處蔓延。此時(shí)k<ki；而空化之前k>kiO

可見對(duì)于任何系統(tǒng)，可調(diào)節(jié)W0（或WI）或4（R）使k大于，等于，小于ki從而

實(shí)現(xiàn)空穴從無到初生，再到破滅。

②在一,定溫度下，Pva一定。當(dāng)繞流開始出現(xiàn)空穴時(shí)，Pg（PJ愈大，ki愈大，

這說明在大的23）繞流這一物易出現(xiàn)空化。反之，匕（PJ愈小,（或wo愈大）

時(shí)才出現(xiàn)空化，此時(shí)的ki值小，則表明該物體不易產(chǎn)生空化。

③空化數(shù)k表示繞流環(huán)境條件的參數(shù)，和環(huán)境壓力，來流速度、葉柵本身特性無

關(guān)?！?午￡吧說明k增大，抑制空化發(fā)生。

④初生空化數(shù)1=與乙業(yè)是繞流物體本身的流動(dòng)特性，與環(huán)境條件無關(guān)，由

人=牛迷血可知，在相同來流下，最低壓力系數(shù)較小的物體，其初生空化數(shù)值

2刖

較大。

⑤k及ki是空化現(xiàn)象的流動(dòng)的動(dòng)準(zhǔn)則：為保證P,M空化特性相似，必須保證兩

個(gè)空化數(shù)相等。對(duì)不可壓縮水力機(jī)械。除保證幾何相似外，還必須保證Sr,Eu,kk

均相等。但實(shí)際要保證.kk相等很困難，因水中有雜質(zhì)，另外已知Re不等，要

P,M進(jìn)行特征換算時(shí)的換算，故要求空化性能換算時(shí)，也得考慮此比例效應(yīng)。

四、空化破壞的類型及對(duì)性能的影響。

（-）類型

①翼型空化和空蝕

圖440水輪機(jī)翼型空蝕的主要部位

a）軸泣式轉(zhuǎn)輪翼型空蝕的主要部位b）混汽式梏輪氯型空性的主要部位

②間隙空化和空蝕

圖812間隙空蝕破壞

2）軸流葉片間朦空蝕b）亮心泵密封環(huán)間隙空蝕

③空腔空化和空蝕

④局部空化和空蝕；由于過流表面鑄造及加工缺陷造成表面不平整（有砂眼、氣

孔）而造成局部流動(dòng)突然變化而造成的。

（二）評(píng)價(jià)

水輪機(jī)行業(yè)規(guī)定：

在水輪機(jī)運(yùn)行6000-10000小時(shí)，最長(zhǎng)運(yùn)行12000小時(shí)，再水輪機(jī)過流部件測(cè)得

空蝕量（沒超過按時(shí)間換算的空蝕量保證量Ca（即c《Ca）認(rèn)為合格：

Ca=Cr（ta/tr）n其中：Ca空蝕保證量；la—實(shí)際運(yùn)行時(shí)間；tr-基準(zhǔn)運(yùn)行時(shí)

間,tr=8000h；n一指數(shù)

（三）空化與空蝕對(duì)葉片式水力機(jī)械性能影響：

當(dāng)其發(fā)展到一定的程度，影響性能，并妨礙運(yùn)行，表現(xiàn)為：

①機(jī)器的能量特性改變

②引起振動(dòng)及噪聲

③過流部件表面破壞

（四）利用空化和空蝕

§4.2水力機(jī)械的空化參數(shù)

為了預(yù)測(cè)和改善水力機(jī)械的空化與空蝕性能，避免或減輕空蝕的危害，必須了

解水力機(jī)械中影響空化發(fā)生及發(fā)展的主要因素。水力機(jī)械流道內(nèi)的最低壓力區(qū)是

空化、空蝕的敏感區(qū)，（泵葉輪進(jìn)口，水輪機(jī)是轉(zhuǎn)輪出口），故研究水力機(jī)械轉(zhuǎn)輪

低壓側(cè)空化特性的參數(shù)及其表示與計(jì)算，對(duì)保證水力機(jī)械的性能優(yōu)良意義重大。

一、有量綱的空化參數(shù)：

（1）水輪機(jī)運(yùn)行過程中，當(dāng)轉(zhuǎn)輪葉片最低壓力點(diǎn)壓力等于當(dāng)時(shí)溫度下的水的汽

化壓力時(shí)，便發(fā)生空蝕。前面已知，我們希望水輪機(jī)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(duì)于轉(zhuǎn)輪，流體以WI速度進(jìn)入轉(zhuǎn)輪，在A點(diǎn)處，液流速為零，由于流

速A點(diǎn)處壓力大于轉(zhuǎn)輪進(jìn)口前的壓力。當(dāng)對(duì)翼型繞流時(shí)，液流流速發(fā)生彎曲，

此時(shí)作用于液流質(zhì)點(diǎn)上的力有禽心力，此力使得液流欲從葉片上脫離，因此，壓

力急劇下降，在靠近葉柵翼型出口的兩邊所形成壓差最小，由圖可見，葉片正面

為正壓，背面為負(fù)壓，在水輪機(jī)葉柵從進(jìn)口到出口，壓力逐漸降低，背面k點(diǎn)處

的壓力比靠近出口處最低壓力點(diǎn)處壓力還低，到出口，由于正背面壓力趨于一致,

背面壓力升高。

圖4>15水輪機(jī)葉片表面壓力分布

圖446泵葉片表面壓力分布

故不發(fā)生汽蝕的條件：

為了具體計(jì)算，列k點(diǎn)和出口處2點(diǎn)的伯努力方程：

PK2g2gpg~2g2g

得：

一=一+Z2-ZA-+-.....+-------十△"卜2①

P8P82g2g

列2到。的伯努力方程:

z+匹+2L—Z+歷+△”

Z2+十C一Z°十-I-dC2F

Pg2gpg

得：

—=z-z+--—+AH②

022-0

PS-Pg

將①②合并得：

町-叫

(

『z-z+以—[-

4。4十L]+^h-o

pgpg2g

將最低壓力點(diǎn)k至下游自由液面的距離定義為水輪機(jī)的吸出高度。

z「Zo=H,又AHA_0XkH2T

---------------------ZX/72-5

由以前知：11=——一;——

匕

2g

故△斤27（認(rèn)為匕=0）

令（上皿）2一1二4為葉柵汽蝕系數(shù)

叫

又..?匕:人2歷7嗎=*2房萬

故上式可寫為:

N=-H$_H-E）

pgpg

上式表示了水輪機(jī)的汽蝕性能。

給上式兩邊同減壓并除以H得:

P8

%--[際+潞]

包-“?正

令q=題pg口=斌，2+*2

H

得：――

上式中％代表電站裝置參數(shù)決定的點(diǎn)k處的壓力值，故通常凡是裝置汽迎系

數(shù)

b代表水輪機(jī)動(dòng)力參數(shù)決定的k點(diǎn)壓力值，b叫水輪機(jī)的汽蝕系數(shù)。

①當(dāng)Pk>Pv,不發(fā)生空蝕4〉。

②pk<pv，發(fā)生空蝕

。特點(diǎn)：①只和轉(zhuǎn)輪葉柵及翼型參數(shù)、吸出管動(dòng)力特性有關(guān)，和水輪機(jī)水頭無

關(guān)。對(duì)于兒何相似，工況相似水輪機(jī)。相等。

②希望。小好，這樣減小電站開挖，降低尤須從降低人及〃著手。即使翼型背面

壓力分布均勻。降低也值,

卬2

q是水輪裝置汽蝕系數(shù)和水輪機(jī)尺寸工況參數(shù)無關(guān)。只和安裝高層（吸出高度）

和當(dāng)?shù)販囟认碌钠瘔毫τ嘘P(guān)，即水輪機(jī)T作水頭有關(guān)°

推導(dǎo)時(shí)認(rèn)為，”二，但是對(duì)低比轉(zhuǎn)速混流式水輪，由于徑向流道長(zhǎng)，％.工人故

U2—II12_2

應(yīng)增加一項(xiàng)G/，%=%小=/由于〃故"二”/2gH為負(fù),

Ng/2-2gh

這表明徑向流道較長(zhǎng)的低比轉(zhuǎn)速水輪機(jī)由于液流受離心力影響，使。減小。

同理知：由于。是無量綱數(shù)，故相似的水輪機(jī)。相等。％是工況的函數(shù)q=f（H）

〃是工況函數(shù)和f（q、,H）代表一臺(tái)水輪的。指在最優(yōu)工況下或設(shè)計(jì)工況下

同理：對(duì)于泵：

2

定義：區(qū)+3-4L=NPSHa（和裝置參數(shù)有關(guān)，叫裝置汽蝕余量，乂叫有

Pg2gpg

效汽蝕余量）

4年+而出二NPSHr叫必須汽蝕余量

2g

如果列吸入頁面處和法蘭處波努力方程：可得:

&■=2■+/+,將此和心+f-&=NPSHa合并，故得:

■pg2gPg2gpg

NPSHa=?-Hsg-△兒---△“<一x/

PgPg

NPSHa:裝置汽蝕余量又叫有效汽蝕余量，它是由裝置提供的，在泵進(jìn)口處，單

位重量液體具有的超i出汽化壓力水頭的富余能量。外文叫AvailableNetPositive

Head.即泵進(jìn)口處液體具有的全部能量頭減去汽化壓力凈剩的值。

Available：指裝置提供給泵的泵能夠利用的能量

Net：指去掉了汽化壓力

Positive：指該值永遠(yuǎn)為正，如果負(fù)，那么在泵法蘭進(jìn)口前就汽化了，這樣在管

道中就發(fā)生了汽蝕。

NPSHa和裝置及液體性質(zhì)有關(guān)，和泵無關(guān)。對(duì)于一定的po,pv,Hsg,NPSHa隨qv

增大而減小，故，NPSHa是下降的二次曲線。

=NPSHr

A—2g+5—2g

NPSHr：是液體在泵進(jìn)口部分壓力降的程度（注意不是大?。?/p>

NPSHrXnqRequiredNetPositiveHead.所謂凈指必須提供這么大的凈正吸頭方能

補(bǔ)償泵進(jìn)口處的壓力降，方保證不發(fā)生汽蝕。正說明該值永遠(yuǎn)為正。

NPSHr和裝置無關(guān)，和液體種類無關(guān)，只和進(jìn)口運(yùn)動(dòng)參數(shù)及幾何參數(shù)有關(guān)，在

n,q、一定下只和進(jìn)口幾何參數(shù)有關(guān)。對(duì)于給定的泵無論何種液體（除粘性

大，影響到速度分布外），在一定n,q、下，泵進(jìn)口速度大小相同，故有相

同的壓力降。

NPSHr越小，要求裝置提供的NPSHa小，故抗汽蝕性能好。NPSHr隨q、.的增

大而增大，故NPSHr和5關(guān)系是一條上升的二次曲線。

由上可見，NPSHr是二次函數(shù)，不同流量、轉(zhuǎn)速的NPSHr不同。但一般講某臺(tái)

泵的NPSHr是指在最高效率點(diǎn)下講的。

實(shí)際應(yīng)用：實(shí)際當(dāng)NPSHa二NPSHr,流量為A,但外特性下降并不大，工程上規(guī)

定，NPSHa下降（Z+4）%或3%作為臨界值記為NPSHc工程規(guī)定水力機(jī)

2

械必須汽蝕余量許用值[NPSHr]=NPSHc+KK=0.3m或

NPSHa（Ll-L3）的較大值

（三）吸入（出）真空度

吸入（出）真空度是指泵進(jìn)口處（水輪機(jī)出口處）的真空度。其值已換

算到基準(zhǔn)面上的液柱高表示。吸入（處）真空

度表示吸入（處）壓力的一種方法，當(dāng)作泵（水

輪機(jī)）空化參數(shù)時(shí)有很多缺點(diǎn)，但國(guó)內(nèi)過去長(zhǎng)

期使用故簡(jiǎn)單介紹。

泵：已知泵進(jìn)口法蘭處壓力為ps則泵進(jìn)口真空

度；圖420水力機(jī)械裝置荷圖

乙+且_莊

Hv=△將二NPSHa帶入得

PgPgPg2gpg

NPSHa二互+J區(qū).H、

Pg2gpg

設(shè)匚=莊

2gpg

NPSHaelO-Hv［認(rèn)為匹=10,這樣當(dāng)知泵進(jìn)口處真空度值，就知NPSHa,當(dāng)汽

Pg

蝕發(fā)生時(shí)，NPSHa=NPSHr?10-Hvl

用裝置參數(shù)表示真空度：

2

利用波努力方程：&=包+3+"際+

pgpg2g

H=Pa-Ps=Pa-Pc+Hsg+二+△〃一

佻Pg2K

用上式計(jì)算泵幾何吸高度Hsg和用NPSHa計(jì)算Hsg相同。考慮安全余量：引入

許用真空度概念［Hv］=Hv-k或［Hv］=Hv/（1.1~1.3）

這樣用許用真空度可求得許用安裝高度：

2

區(qū)+區(qū)———工（吸上）

PgPg2g

可見求”普得還知：VS，比較麻煩

過去，泵樣本一般給的是［”田，是換算到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的（latm,20%抽清水做的

實(shí)驗(yàn)求得

［Hv］），但若泵現(xiàn)場(chǎng)條件和標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)不同，則需將“n或［”田換算成現(xiàn)場(chǎng)條件

下的”力或

［Hv］f,然后用［”可代替［Hu］,求幾何安裝高度：

10.33+區(qū)+0.24-莊

P8PS

對(duì)水輪機(jī)，同樣可得：

H,二2一〃，:P。―P。+HS+G_AH,0

PSPg2g

二、空化（空蝕）相似定律及空化比轉(zhuǎn)速

對(duì)于幾何相似的水力磯械，在相似工況下，其對(duì)應(yīng)點(diǎn)速度成比例，壓力降系數(shù)

4，辦值相等，故有：

/PS"。二（4c；+4卬＞=/=（〃切；

NPSH;（府+4何）,”一正一

此時(shí)空化相似定律：如果兩臺(tái)泵吸入部分幾何相似，運(yùn)動(dòng)相似，則表明這兩臺(tái)泵

的汽蝕余量比等于轉(zhuǎn)速與尺寸乘機(jī)平方之比。此公式誤差大，最近國(guó)外提出：

NPSHn

-----叱=（」）〃，m=1.3-2當(dāng)比轉(zhuǎn)速相差不大時(shí)準(zhǔn)。

NPS%n,n

即在相似工況下NPSH；=const=a

（nD）2

又因?yàn)橄嗨乒r下有：=const=b

nD2

組合得：c=‘a(chǎn)質(zhì)

NPSH;4

C叫空化比轉(zhuǎn)速①幾何相似，T況相似的水力機(jī)械，C等干常數(shù)c故C可以

作為空化相似準(zhǔn)則。它標(biāo)志②NPS/增大,C減小，NPSH「減小,C大，C

值大，說明泵抗汽蝕性能好。③C值是工況函數(shù)，不同工況有不同的汽蝕比轉(zhuǎn)

速。但通常說一臺(tái)泵的值指最高效率的值。

5.62〃4

④對(duì)雙吸泵

NPSH：'"

汽蝕性能和C關(guān)系：

汽蝕性差：C=6（）0-900

效率和空化性能兼顧：0800-1100

主要考慮空化：C=1100-1600

火箭發(fā)動(dòng)機(jī)：C〉5500

因C有量綱，故引入無因次的形式:ka=

g(NPSHr)%

西方國(guó)家用：S=%"3/

NPSH4

水輪機(jī)用。表示汽蝕性能指標(biāo):

（三）C和m關(guān)系：

令：NPSHr=a。叫托馬系數(shù)（相當(dāng)于水輪機(jī)汽蝕系數(shù)）

H

由于（7,小都從相似理論得；故b和m存在關(guān)系;

222

22

NPSHr=%紋+而也=K1L=KnnD

2g02g12gn

,代入得（7=Kn/3單吸K=216X10-6

雙吸K=137xl（）F

三.泵的空化性與入流角及沖角的關(guān)系：

22

已知=Z—+/l—

2g口n2g

對(duì)于泵，前蓋板ai點(diǎn)的圓周速度最大，按一元理論,這樣ai點(diǎn)處最易發(fā)生空化

（空蝕），對(duì)于直錐型吸水室：

依速度三角形:

冠）、n

cos%60cos%

離心泵葉輪簡(jiǎn)圖與進(jìn)口速度三角形

60

依連續(xù)性條件有：4=A）c0=?D：K?冠）Wg尸0“/60

K=1-與

工

以上三式整理代入NPSHr式得：

當(dāng)為,4,%或和k定后,HPSHr僅是為”的函數(shù)

dNPSHr

令=°得：吆00a種

可見為0的最優(yōu)值僅是%的函數(shù)。理論上，一臺(tái)空化性能較好的泵（葉片數(shù)無

限多無限薄）470,4=0所以poaop,的值是很小的。工程上常取

4=1.24=0.3故有矽os=0.316,凡s=17（32'

沖角

采用正沖角：在設(shè)計(jì)流量下，葉片進(jìn)口背面易產(chǎn)生流量，因背面是流道的低

壓面，這里即使有漩渦也不易向主壓側(cè)擴(kuò)散，因此漩渦是穩(wěn)定，局部的。對(duì)空化

（空蝕）性能影響小，而負(fù)沖角時(shí)，流體在葉片進(jìn)口的工作面產(chǎn)生脫流，該處葉

道的高壓而，漩渦易向低壓側(cè)擴(kuò)散，不穩(wěn)定，對(duì)汽蝕性能影響大。

采用正沖角，能改善在大流量下工作條件，若裒在大流量工況下工作，應(yīng)選較

大的沖角。

四、水力機(jī)械的安裝高度：

（一）水輪機(jī)

對(duì)水輪機(jī)

-Hs

?「%,二?——故得：出=回-五-％,H，對(duì)7K輪機(jī)幾二〃。

HPgPg

水輪機(jī)不發(fā)生空化（空蝕）條件是＜Tp〉b，當(dāng)我們已知水輪機(jī)的空化系數(shù)。,

取空化安全系數(shù)q之1,即這樣知可計(jì)算Hs

PtlPv

Hs=~-kaoH

Pg

通在水輪機(jī)安裝高程范圍，大約高程每升高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，若水輪機(jī)安裝的海報(bào)高程為▽米時(shí)，則大

氣壓降低約%00（米水柱）。電站水溫通常在5-25°之間時(shí)，水的氣化壓力值

Hva=0.0889?0.3229米水柱。

故Hs=\0.33----(0.0889?.3299)㈤々］0—----k㈤

9000900°

依上式計(jì)算出吸出高度Hs,依已知水輪機(jī)形式可算得安裝高度Hsz

ka=1.1-1.45,n8增

C)d)

圖423水輪機(jī)吸出高度與安裝高度的基準(zhǔn)面

（二）泵安裝高度

p-P

計(jì)算的用Hsg=」--NPSHa

Pg

當(dāng)已知NPSHr時(shí)，為了安全取余量：NPSHa=NPSHr+Q3或

NPS"a=（l.l?1.3）NRS"-但對(duì)于立式泵及大型臥式泵，注意，計(jì)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)

由于模型與原型水輪機(jī)幾何相似，則有：與=%，流過低壓區(qū)的時(shí)間,

/D,卬

由于相似水輪機(jī)在相似工況下工作時(shí)，其相對(duì)流速w與水頭H的平方根成正比,

故液流在低壓區(qū)流過模型的時(shí)間和原型的持續(xù)時(shí)間比為：

Z:刀切=。加［H7

tw,uwD叱“D（V/Hm

由上式可見，①尺寸和水頭兩個(gè)參數(shù)，尺寸對(duì)液流流過低壓區(qū)的時(shí)間影響是主

要的；②上式說明，空化發(fā)生的時(shí)間在原型水輪機(jī)時(shí)間較長(zhǎng)，一般講空蝕破壞比

模型水輪機(jī)嚴(yán)重。但水輪機(jī)的空化系數(shù)之間有何關(guān)系。

在模型試驗(yàn)中，臨界汽蝕系數(shù)外,所對(duì)應(yīng)翼型最低壓力點(diǎn)k處的壓力為

PmiYpv,此時(shí)，液體的表面張力T值為:

T=PV-P館，-7=%-九，兩端各除以汨“，整理得：

（T—-Pv、/7y7

（兩^^）MH}M（H}M

當(dāng).時(shí)，空化初生，此時(shí)的初生汽蝕系數(shù)為/

_T

故得：（2）“二°;一句湖①

在原型水輪機(jī)中有：（二工）②

汨

假設(shè)：①初生空化系數(shù)5一二/,②認(rèn)為模型及原型的水輪機(jī)發(fā)生汽泡時(shí)張力相

等，即得，TM=T

由①?②得：?！?二%+。一智）（/一。叫）

由此得：①一般，故b廣，故原型水輪機(jī)比摸型水輪機(jī)發(fā)生汽

蝕早。

②〃時(shí)，說明在此情況下可不計(jì)空化系數(shù)的比例效應(yīng)；③實(shí)際

上，此式計(jì)算量大，故一般按下式計(jì)算：

n

（二）水中含汽量的影響

水中含水多，易發(fā)生空蝕。原型水輪機(jī)液流取自和大氣相接的水庫，其含氣量多,

而模型水輪機(jī)的液流在封閉狀態(tài)下，其表面常處于真空，故大量空氣逸出，含氣

量低。

b=%+8.48（普-^-）

。,。河一原型，模型水輪機(jī)工作時(shí)水中空氣的相對(duì)體積含氣量。

（三）由于雷諾數(shù)Re/7775Rep

。=（2七2+濫2）

由于模型及原型〃不同，[可以保證速度成比例，但不能相似I

/t4—沿程損失（由于力和雷諾數(shù)無關(guān)）

dig

保證△兒_5=擴(kuò)散損失

'=漩渦損失

故。=L1LT”泣由于水力效率之比近似等于總效率之比，且水力效率不

易求得：工程上常用總效率代替：故。=1.17b”近

三、Bi的計(jì)算

假設(shè)：①汽蝕的汽泡區(qū)液體與蒸汽的溫度瞬時(shí)平衡。

②熱量交換只在汽泡區(qū)進(jìn)行，與汽泡區(qū)以外液體之間無熱量交換

③液體的咕性及表面張力等與汽蝕發(fā)展無關(guān)

設(shè)汽泡體積為V2汽化時(shí)吸收熱量為心?匕（Qz.為汽化潛熱，2為蒸汽密度）

液體體積為V],液體被吸走熱量CpOiKAr

則Q?匕=CpPM”

引入B=表征汽蝕發(fā)展程度的一個(gè)參數(shù)：B=

AP&L

依克拉貝隆一克勞修氏方程

下空=80QL(",一由于氣泡吸收汽化熱而使周圍液體的汽化壓強(qiáng)降

△T(A-p2)

低的值)

又=0gA//v，代入得：

△T=P「P2JpgbHy將AT代入B得：

PxPlQL

B=WfJgAH\,令\HV=1,則8=8i

say

_pSp-P)cT

[2rB=B

L3。jgTAH\,

意為，液體的汽化壓強(qiáng)降低1米時(shí)，汽蝕區(qū)內(nèi)氣泡體積與液體體積之比。

NPSH試驗(yàn)

一般取下述4個(gè)流量點(diǎn)的NPS"?數(shù)據(jù)：最小連續(xù)穩(wěn)定流量，介于最小流量

和額定流量之間的流量，額定流量和110%額定流量。

單在做氣蝕試驗(yàn)時(shí)在抽真空降低必須保持流量不變，最好用閉式回

流量試驗(yàn)NPS”,如雙方同意還可以用吸入閥節(jié)流或改變?nèi)肟诰何坏姆椒ā?/p>

§4.6液體的熱力學(xué)特性對(duì)汽蝕的影響

一、現(xiàn)象

1.對(duì)于同一臺(tái)泵，當(dāng)抽不同溫度的同一種液體時(shí)，發(fā)現(xiàn)液體溫度越高越不

易發(fā)生汽蝕。

2.同一臺(tái)泵，抽不同介質(zhì)時(shí)，而且介質(zhì)不足以改變流態(tài)，發(fā)現(xiàn)汽蝕難易程

度也不相同，月以前流力推導(dǎo)的'內(nèi)從=45+而國(guó)的概念，不論哪

2g2g

種液體流過同一臺(tái)泵進(jìn)口，產(chǎn)生壓力降程度相同，即NPS”“札這是為

何呢？這是由于這種現(xiàn)象是從以前Pk=Pv為基準(zhǔn)，假定流體汽蝕時(shí)：①

液體不可壓縮；②氣泡發(fā)生的壓力就是液體的飽和蒸汽壓力，旦在汽泡

發(fā)展過程中，其值固定；③當(dāng)在低壓區(qū)的壓力降低到該溫度下液體的飽

和蒸汽壓力時(shí)，氣泡即發(fā)生，無時(shí)間滯后。

事實(shí)上，①當(dāng)?shù)蛪簠^(qū)的壓力降到該溫度下飽和蒸汽壓力時(shí)，液體汽化，依熱

力學(xué)第二定律，汽化膨脹是需做功的，這樣汽化的同時(shí)需要吸收熱量，這叱熱量

只能從周圍的液體中獲得。其結(jié)果使得整個(gè)液體溫度降低，相應(yīng)飽和蒸汽壓降低，

阻止氣化的發(fā)展。唯有當(dāng)環(huán)境壓力再進(jìn)一步降低時(shí)，空泡才得以發(fā)展。所以空泡

在形成長(zhǎng)大過程中，由于飽和蒸汽壓降低會(huì)使液體氣化延遲發(fā)展。同樣，對(duì)已形

成的空泡，當(dāng)壓力高于汽化壓力時(shí)它才開始凝結(jié)，凝結(jié)實(shí)時(shí)放出熱量使周圍液體

溫度升高P、，提高，延遲凝結(jié)?？梢娪捎谝后w的熱力學(xué)特性影響，使得空泡出生

壓力不定。且阻止汽蝕發(fā)生。另粘性力和液體的表面張力對(duì)空泡也起阻止作用。

②一般講汽蝕時(shí)產(chǎn)生的蒸汽越多的液體(即蒸汽的比容大)汽蝕發(fā)展的越嚴(yán)重。

拿水來講水的蒸汽比容隨溫度升高而減小，所以溫度越高汽蝕發(fā)展越弱。而不

同介質(zhì)在相同溫度下蒸汽的比容也不一樣。大的易汽蝕小的不易汽蝕。

以上兩點(diǎn)則是從熱力學(xué)觀點(diǎn)解釋的。

二.計(jì)算

1.同種介質(zhì)不同溫度斯氏公式：

(NPSHr)設(shè)二(NPSHr)a-^NPSHr

其中Sr二壽

式中，為溫度為的飽和蒸汽壓力，從是使得液體飽和蒸汽壓力下降1米時(shí)，

汽蝕區(qū)，氣泡體積和液體體積之比。

斯捷潘諾夫認(rèn)為RVPS%與液體物性及熱力學(xué)性質(zhì)有關(guān)，與泵型及工況無關(guān)。

2.不同液體：

NPS"/?特二NPSHr水-AZ?關(guān)于刖可查美國(guó)水力學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)1979版的修正曲

線，以介質(zhì)及溫度查找

=pl(p1-p2)

(0。工

其中，80為溫度為T2時(shí)，水及蒸汽的密度；QL為汽化潛熱，c為比熱,

T2為溫度。

§4.7提高抗汽蝕性能的措施

前述泵開始發(fā)生汽蝕時(shí),NPSHa=NPS"〃欲不發(fā)生汽蝕，必須增大裝置汽蝕

余量NPSHa或減小NPSm"十而也增大NPSHa是使用問題，后者是設(shè)

2g“2g

計(jì)問題，也是咱們做為水泵設(shè)計(jì)者關(guān)心的問題。我們知道是泵進(jìn)口部份

壓力降的程度，所以影響NPS”〃大小的是葉輪進(jìn)口部分的幾何形狀。對(duì)葉輪進(jìn)

口直徑D,葉片形狀、葉輪進(jìn)口流道形狀，下面分別講述：

1.葉輪進(jìn)口百■杼D

NPSHr=%迎+加

2g112g

假設(shè)進(jìn)口速度分布不均勻4=1

而葉柵汽蝕系數(shù)，它和進(jìn)口直徑無關(guān)。假設(shè)是直錐形吸入室匕。=0,得

卬2=說+噂當(dāng)Do增大，則Vo減小，uo的平均值增大，wo對(duì)于泵一般增大，故

有一個(gè)最佳的Dn,使得NPSHr最小。這是一個(gè)求極值的問題，由于泵最易發(fā)生

汽蝕點(diǎn)在葉輪前蓋板，因此按此求D。

4Q

匕二(2(K2是系數(shù)，修正葉片進(jìn)口稍前和葉片進(jìn)口不同的系數(shù))

(￡)；-點(diǎn))町,

*:①此處Uo大

②由于液體轉(zhuǎn)變，受離心力作用液體靠近前蓋板處速度大則壓力低。

將上述代入NPSHr式中,并令D；=-d；

且令：券j片勺

Ko巾人,抬，弓,而)

顯然：增加Ko可以減小Vo,從而減小NPSHr,改變泵的汽蝕性能。但Ko太大,

液流在進(jìn)口處擴(kuò)散嚴(yán)重，破壞了流動(dòng)平順和穩(wěn)定性，形成漩渦使水力效率下降。

另一方面，Do太大，口環(huán)所在直徑變大，泄露增大，容積效率下降。一般Ko按

下述原則?。簩?duì)于高的抗汽蝕性能葉輪：K。=4.5?5.5

高的效率：K。=3.5~4.0

兼顧效率及汽蝕：K。=4.0?4.5

圖4-28轉(zhuǎn)輪低壓邊直徑

②增大葉輪進(jìn)口寬度bl,（對(duì)于水輪機(jī)增大下環(huán)圓弧半

杼RA

bi大，過流面積大，Vo,Wo小，從而減小NPSHr,

這是一種有效的方法，高汽蝕性能的冷凝采用上述方

法：但bi太大，效率低。

增大R2使得該處軸面速度降低。有利于改善空化。

③葉片進(jìn)口邊位置前移：

圖3-17增加0和％的葉輪

使液體早進(jìn)入葉片增大了葉片受壓面積，減輕了葉片

負(fù)荷.減小正反面壓差，另外能使進(jìn)口邊半徑小，是uo,wo小，降低NPS4廠。

④進(jìn)口邊傾斜：

使得進(jìn)口邊各點(diǎn)半徑不同，因此u和w不同，因前蓋板處半徑大，相對(duì)速度大,

故將汽蝕盡量控制在前蓋板附近。

⑤進(jìn)口邊厚度：進(jìn)口邊薄，最大厚度區(qū)離進(jìn)口遠(yuǎn)，進(jìn)口壓降小，泵抗汽蝕性能好。

⑥平衡孔：平衡孔對(duì)主流其破壞但面積應(yīng)不小于環(huán)的五倍，以減小泄露，減小對(duì)

主流影響。

⑦進(jìn)口邊沖角：一般進(jìn)口安放角尸s大于進(jìn)口相對(duì)液流角4即采用正沖角

正沖角能提高抗汽蝕性能：原因a）:增大兒b，減小了葉片彎曲，增加了進(jìn)口過

流面積，減小了排擠，使得Vo,Wo小，NPSH川、,b）:在設(shè)計(jì)流量下液體易在

葉片進(jìn)口背面產(chǎn)生脫流，因背面是低壓區(qū)采用正沖角，由流力知該脫流引起的漩

渦不易向高壓側(cè)擴(kuò)散，而是控制在局部，對(duì)汽蝕影響小。

圖3-18沖角對(duì)汽蝕性能的影響

沖用對(duì)葉片形狀和潦動(dòng)的影響方)沖角dB和壓降系數(shù)幺的關(guān)系

⑧粗糙度：其值應(yīng)盡量小，水力損失小。

⑨光潔度：防止NPSHa=------Hsg-h\KQ2

PR

a)減小幾何高度Hsg(Hsg為正)

b)減小損失

c)采用雙吸泵，減小進(jìn)口速度

d)泵發(fā)生汽蝕應(yīng)將Q減小，

e)流量大時(shí)，NPSHr大,NPSHa小,故大流量下運(yùn)行時(shí)，應(yīng)使得安裝

高度小些。

0在某些氣蝕條件比較差的工況下運(yùn)行時(shí)，可加裝誘導(dǎo)論.

§4.7誘導(dǎo)輪

以前講的是從結(jié)構(gòu)上，但實(shí)際知，泵發(fā)生汽蝕是由于Pk<pv,如果能提高液體

在泵進(jìn)口的壓力，則泵不發(fā)生汽蝕u這個(gè)裝置就是誘導(dǎo)輪：

誘導(dǎo)輪是在四十年代初，在法國(guó)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)上使用，目的是在很高的轉(zhuǎn)速

(n=l7000~20000r/min)下正常的供給燃料。60年代后逐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c為3()(X),有的高達(dá)

6300o

二、結(jié)構(gòu)

誘導(dǎo)輪葉片數(shù)很少，一般為兩片，多則三片，好似軸流泵葉片，但是葉片一

般設(shè)計(jì)成低負(fù)荷葉片，即葉片特別是在葉片的進(jìn)出口，工作面和背面的壓差

圖830帶誘導(dǎo)輪