叶片式流体机械的空化与空蚀

第四章 叶片式流体机械的空化与空蚀

§4.1 流体机械的空化与空蚀机理

一、

空化及空蚀的机理：

空化及空蚀是以液体为介质的 叶片式流体机械，即水力机械才有可能出现的一种物理现象。 空化现象：

沸腾：液体在恒定压力下加热，当液体温度升高至某一温度，液体开始气化形成气泡，这叫沸腾。

当温度一定，压力降低到某一临界压力，也会气化。

当P<Pv ，开始气化，形成空穴（即气泡），当气泡到高压区则，气泡内的蒸汽重新凝结，气泡溃灭，另外还伴随着一系列物理、化学现象，这叫空化。 二、

液体的性质及空化初生条件

空化初生时空穴在局部压力降至临近液体蒸汽压力的瞬间形成的。严格的 讲，一般若空穴在均质液体内产生，液体必须破裂，破裂所需应力不是以蒸汽压力来衡量，而是该温度下液体的抗拉强度。液体能不受拉，回答肯定。很多人对纯水作了试验，证明纯水的抗拉强度为26-27MPa。但实际上自然界的水不能承受拉应力，这是因为水的连续性破坏了。（例水温200c ，压力2400Pa时水的连续性就破坏了，水就气化了）。而水的连续性的破坏是由于水中有杂质，改变了水的结构，消弱了水（液体）的抗拉强度，而水中液体中的杂质是多种多样的，主要是未溶解的气体。

实际上，当局部压力降至蒸汽压力附近，未溶解气体首先从液体中析出，形成气核。故液体压力降低是空化产生和发展的外部条件，而其内因还是液体本身的特性（含未溶解气体的量）。

三、空化的发展及溃灭及空化的类型

当压力再低，气泡长大，进入高压区，气泡不断缩小，溃灭。此过程是复杂过程，不仅和压力及含气量大小有关，还和液体的表面张力，粘性，可压缩性，惯性有关。

高速摄影拍了气泡的溃灭过程：当气泡达到最大直径时，紧接着高速溃灭至气泡尺寸为零，而后又再生一个稍小的，接着又溃灭，这种 再生一般二次，尺寸一次比一次小。

类型：①游动型空化

②固定型空化 水力机械中出现 ③漩涡型空化

④振动型空化：液体中的固体边界的机械振动激发相邻的液体产生压力脉动，与振幅

足够大时，使液体产生空化。

四）空蚀的机理

是空泡溃灭过程中机械作用是空蚀破坏的主要原因。 有两种理解：

① 空蚀破坏基本上是由于从小空泡溃灭中心辐射出来的冲击波而产生的，称为冲击波模式。此冲击使边壁形成一个球面的凹坑；

② 另一种理解认为空蚀是由较大的空泡溃灭时形成微射流所造成的。此理论认为气泡变形、分解、使之形成了流速很大的微型液体射流，如果溃灭区离边界很近，则射流会射向固体边界造成空蚀。

实际流体机械内部两种都有，大的气泡造成射流，小气泡溃灭产生冲击式压力波。

射流速度很高，达100m/s—300m/s ，因流速很大，故产生的冲击压力可用水锤压力公式来计算。p CaC ,Ca为液体中的声速，C为射流速度，若C=100m/s ，则压力为200MPa这样大的压力作用力材料表面，引起材料表面上的蚀坑，引起材料的疲劳破坏。

另外，由于空泡受压，汽相凝结，放出大量的热，使金属表面融化破坏。还有有的金属表面温度高，别的地方温度低，形成热电偶，产生电流，电流引起电解作用使金属产生电化学破坏。

三、 空化数

由于液体中空穴的产生，发展，溃灭与流动特征的主要因素边界的形状、压力、流速及形成气泡或维持气泡的临界压力Pcr 有关，故水动力学中希望用反映上诉参数无量纲数k 表示空化程度，称为空化数，下面以孤立翼型分析之。 对0-0及1-1列伯努力方程：

P

2

2

w0 P1

2

w12

定义单翼的系数

p

P1 P w

1 (1)2 1w02 w02

取1-1断面在翼型上最低压力点处，此时速度最大，压力最低。于是得：

pmin

wPmin P

1 (max)2

1w02 w02

对于叶栅有：

Cp

Pm P2w

1 (m)2 w2 ,p2 叶栅下游的速度和压力， wm ,pm 叶栅上任一

1w22 w22

点的压力及速度.

叶栅的最低压力系数为：

Cpmin

wPmin P2

1 (max)2

1w22 w22

当Pmin Pcr ，即发生空化。希望Pmin Pcr，在固定压力下，增加相对流速w0(wm) 或 w0不变，降低压力P (P2) 都使Pmin Pcr ，当空化发生时，Pcr=Pva,

定义翼型空化数为：k

P Pva

12 w22

P1 Pva

P1 ,w1 叶栅进口的压力及速度 1 w122

叶栅空化数为：k

绕流翼型的流场中，若保持w0不变，降低P ，则空化数 降低，同时翼型表面压力降低，当翼型表面的最低压力降低到Pva 时产生第一个气泡，此时的空化数的值叫初生空化数，记为i ， i

P Pmin

12 w02

同理对叶栅：ki

P1 Pmin

1 w122

同理，保持压力不变，而增加来流速度，同样可使空化数降低，当降低到一定值时，开始产生空化，此时的空化数同样为初生空化数。初生空化数取决于翼型的绕流特性，其值取决于翼型表面的速度分布。目前知i 和pmin 的关系为 ：

i=-pmin，[ki (1 Cpmin)(

w22

) 1] w1

由此可见，① 若w0 (或w1)增大，或 P (P1)减小，则沿物体其它表面上的压力降至临界压力，因而空化将从空穴初生处蔓延。此时k<ki ；而空化之前k>ki 。可见对于任何系统，可调节w0 (或w1) 或P (P1) 使 k大于，等于，小于ki 从而实现空穴从无到初生，再到破灭。

②在一定温度下，Pva 一定。当绕流开始出现空穴时，P (P1) 愈大，ki愈大，这说明在大的P (P1)绕流这一物易出现空化。反之，P (P1) 愈小，（或w0愈大）时才出现空化，此时的ki值小，则表明该物体不易产生空化。

③空化数k表示绕流环境条件的参数，和环境压力，来流速度、叶栅本身特性无关。k

P1 Pva

说明k增大，抑制空化发生。

12 w02

P1 Pmin

是绕流物体本身的流动特性,与环境条件无关。由

12 w02

④初生空化数

ki

P1 Pmin

可知，在相同来流下，最低压力系数较小的物体，其初生空化数值

12 w02

较大。

⑤k及ki 是空化现象的流动的动准则：为保证P,M 空化特性相似，必须保证两个空化数相等。对不可压缩水力机械。除保证几何相似外，还必须保证Sr,Eu,k,ki 均相等。但实际要保证,k,ki相等很困难，因水中有杂质，另外已知Re 不等，要P,M 进行特征换算时的换算，故要求空化性能换算时，也得考虑此比例效应。 四、

空化破坏的类型及对性能的影响。

（一）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；由于过流表面铸造及加工缺陷造成表面不平整（有砂眼、气孔）而造成局部流动突然变化而造成的。 (二)评价

水轮机行业规定：

在水轮机运行6000-10000小时，最长运行12000小时，再水轮机过流部件测得空蚀量（没超过按时间换算的空蚀量保证量Ca(即c Ca) 认为合格:

Ca Cr(ta/tr)n 其中： Ca空蚀保证量；ta—实际运行时间； tr—基准运行时间,tr=8000h；n—指数

（三）空化与空蚀对叶片式水力机械性能影响：

当其发展到一定的程度，影响性能，并妨碍运行，表现为： ①机器的能量特性改变 ②引起振动及噪声 ③过流部件表面破坏 （四）利用空化和 …… 此处隐藏：8287字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……