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叶片式流体机械的空化与空蚀

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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

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。CaCp ,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：

2112022wPwP

定义单翼的系数

201201)(121wwwPPCp

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：

20max20minmin)(121wwwPPCp

对于叶栅有：

22222)(121wwwPPCmmp w2 ,p2 叶栅下游的速度和压力， wm ,pm 叶栅上任一点的压力及速度.

叶栅的最低压力系数为：

22max222minmin)(121wwwPPCp

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)(2PP 都使PminPcr ，当空化发生时，Pcr=Pva, 定义翼型空化数为：2221wPPkva

叶栅空化数为：21121wPPkva P1 ,w1 叶栅进口的压力及速度

绕流翼型的流场中，若保持w0不变，降低P ，则空化数k 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vaP 时产生第一个气泡，此时的空化数的值叫初生空化数，记为ik ，

20min21wPPki

同理对叶栅：21min121wPPki

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ik 和minpC 的关系为

：ik=-minpC，[1))(1(212minwwCkpi]

由此可见，① 若w0 (或w1)增大，或 )(1PP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kki 。可见对于任何系统，可调节w0 (或w1) 或)(1PP 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，)(1PP 愈大，ki愈大，这说明在大的)(1PP绕流这一物易出现空化。反之，)(1PP 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。20121wPvaPk 说明k增大，抑制空化发生。

④初生空化数20min121wPPk 是绕流物体本身的流动特性,与环境条件无关。由20min121wPPki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:

ntrtaCrCa)/( 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）利用空化和空蚀

§4.2 水力机械的空化参数

为了预测和改善水力机械的空化与空蚀性能，避免或减轻空蚀的危害，必须了解水力机械中影响空化发生及发展的主要因素。水力机械流道内的最低压力区是空化、空蚀的敏感区，（泵叶轮进口，水轮机是转轮出口），故研究水力机械转轮低压侧空化特性的参数及其表示与计算，对保证水力机械的性能优良意义重大。

一、 有量纲的空化参数：

（1） 水轮机运行过程中，当转轮叶片最低压力点压力等于当时温度下的水的汽化压力时，便发生空蚀。前面已知，我们希望水轮机转轮出口处压力尽量

低，以便较多地利用液流的能量。但是，其压力不能过低，现分析之。

为了保证对于转轮，流体以w1 速度进入转轮，在A点处，液流速为零，由于流速A 点处压力大于转轮进口前的压力。当对翼型绕流时，液流流速发生弯曲，此时作用于液流质点上的力有离心力，此力使得液流欲从叶片上脱离，因此，压力急剧下降，在靠近叶栅翼型出口的两边所形成压差最小，由图可见，叶片正面为正压，背面为负压，在水轮机叶栅从进口到出口，压力逐渐降低，背面k点处的压力比靠近出口处最低压力点处压力还低，到出口，由于正背面压力趋于一致，背面压力升高。

故不发生汽蚀的条件：

为了具体计算，列k 点和出口处 2点的伯努力方程：

2222222222222kkkkkHgugwzgpgugwzgp

得：

22222222222kkkkkHguugwwzzgpgp ①

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空化与空蚀的原理与应用

空化与空蚀的原理与应用

空化与空蚀的原理与应用

1. 空化的定义

空化是指在流体中由于局部压力降低或速度增加而导致液体或气体产生腔隙的现象。空化也可以描述为气泡形成的过程，当流体中的压力降低到饱和蒸汽压以下时，液体将开始汽化形成气泡。

2. 空化的原理

空化的原因主要可以分为两种：压力降低和速度增加。压力降低是指液体或气体中的压力低于饱和蒸汽压，导致液体开始汽化形成气泡。速度增加是指流体中的流速增加，导致液体或气体无法及时填充空隙，从而形成气泡。

空化的发生与压力、速度、温度和流体性质等因素密切相关。压力降低和速度增加是最主要的触发机制，而温度和流体性质则会影响空化的严重程度和形态。

3. 空蚀的定义

空蚀是指在固体表面上由于流体的冲击或剪切而造成局部的物质脱离或溶解的现象。在流体动力学中，空蚀通常指流体在高速运动过程中由于压力降低而在固体表面形成气体或蒸汽腔隙的现象。

4. 空蚀的原理

空蚀的原理依然与压力降低有关。当流体在高速运动过程中，流体速度增加，压力随之降低，当流体速度达到临界值时，压力降低导致流体中的气体产生腔隙，形成空蚀现象。空蚀会导致固体表面的物质脱落或溶解，从而对设备和结构造成损害。

5. 空化与空蚀的应用

空化和空蚀的研究在许多领域中具有重要的应用价值。以下是几个典型的应用案例：

• 航空航天工业：在航空航天领域，空化和空蚀是重要的研究方向。由于高速飞行时流体的压力和速度变化较大，空化和空蚀可能对飞行器的气动性能和结构造成严重影响。因此，研究空化和空蚀的机理和控制方法对于提高飞行器性能具有重要意义。

• 能源领域：在能源领域，如核能和燃料电池等，空化和空蚀也扮演着重要的角色。在核能中，空化和空蚀会影响核反应堆中的传热和冷却工作。燃料电池中，空化和空蚀对电池材料的稳定性和寿命有着重要的影响，因此需要进行相关的研究和控制。

• 液压传动：在液压传动系统中，高速流体的流动会引起空化和空蚀现象。空化和空蚀会导致液压传动系统的效率下降和部件的损坏，因此需要研究和采取相应的控制措施，以提高传动系统的性能和可靠性。

叶片式流体机械的空化与空蚀

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

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

空化与空蚀的原理及应用pdf

空化与空蚀的原理及应用pdf

空化与空蚀的原理及应用

1. 空化的概念

• 空化是指在液体或气体流动中，由于速度或压力的变化引起流体中的部分区域压力低于饱和蒸汽压时，液体中的蒸汽泡的生成和崩溃现象。

• 空化是一种相变现象，主要发生在流体中。

2. 空化的原理

• 当流体速度或压力较高时，流体中的静压力会增加，达到蒸汽的饱和压力，使得蒸汽形成微小气泡。

• 这些气泡在流体中会不断增大，直到达到稳定状态。若流体中的压力减小，则会造成气泡的崩溃。

• 空化现象的发生，会引起流体的不稳定性，对设备和管道的影响较大。

3. 空蚀的概念

• 空蚀是指由于流体中的空化现象，在设备或管道中形成空蚀流动的现象。

• 空蚀一般带来很多负面影响，如噪音、震动、磨损等。

• 空蚀会对设备的正常运行造成影响，并可能导致设备失效。

4. 空蚀的原理

• 当流体中存在空化现象时，会引起流体的震荡和振动。

• 这种震荡和振动会导致流体中气泡的崩溃和聚集，进一步加剧空化现象。

• 空蚀的产生和发展过程较为复杂，涉及流体动力学、热力学和力学等多个学科。

5. 空化与空蚀的应用

• 了解空化与空蚀的原理，有助于我们更好地设计和改进流体传动设备和管道。

• 在航空航天、能源、化工、海洋工程等领域，空化与空蚀的研究具有重要意义。

• 在设备运行过程中，我们可以通过优化设计，改善流体的流动状态，来减小空化和空蚀的产生。

6. 空化与空蚀的防止措施

• 选用合适的材料，可以提高设备和管道的抗空化和抗空蚀能力。

• 设计合理的减压装置，可以降低系统内部的压力变化。 • 增强设备的保护措施，如加装过滤器、安装降压阀等。

• 定期检查设备和管道，及时发现和处理可能导致空蚀的问题。

7. 小结

• 空化与空蚀是液体或气体流动中常见的相变现象。

• 空化与空蚀的发生会对设备和管道的正常运行造成负面影响。

• 了解空化与空蚀的原理，有助于我们采取相应的措施来减小空蚀的发生。

• 在应用中，我们需要合理设计和选择材料，来提高设备和管道的抗空蚀能力。

水轮机的空化与空蚀

水轮机的空化与空蚀

水轮机的空化与空蚀

空化与空蚀现象在水轮机中非常常见，会造成水轮机的叶片磨蚀损坏，导致水轮机的性能与经济效益下降，改善空化与空蚀现象需要制造工艺水平的提升与设计的改善，超空化水轮机的空化、空蚀大大降低，但是它的实用化仍旧有很长的路要走。

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水轮机中存在的空化、空蚀现象会对水轮机的性能产生不利的影响，因此在设计运行时要尽可能地避免，并将空化、空蚀对水轮机的性能的不利影响降到最低。空化现象指的是水轮机流道中局部压力降至临界压力时，水中气核慢慢成长为气泡，气泡将液体中的蒸气和溶液中析出的气体包裹起来。当进入压力较低的区域时，气泡则会逐渐长大，当气泡随水流运动到压力较高的区域时，在高压的作用下会迅速凝缩溃灭。因此，空化是指气泡从集聚、流动、分裂到溃灭的这一过程。空化现象不仅发生在液体内部，也会出现在固体边界上。空蚀指的是由于空泡的溃灭所引发的过流表面金属材料的损坏。空泡在溃灭的过程中伴随着机械、电化、热力、化学等过程的作用。空化、空蚀会导致水轮机的性能下降，水轮机的过流部件表面会遭到损坏，甚至会使金属材料的局部发生脱落。

发生空蚀的主要原因是空泡溃灭所产生的机械作用，包括冲击波模式和射流模式两种。通过对空蚀现象的观察，我们会发现空蚀在边界上分布并不均匀，而是集中在某些位置。当第一个蚀坑形成后，在一定的条件下，它的发展速度要比其它的地方快，蚀坑越来越大、越来越深，最后将导致材料破碎而被水冲走。除此之外，也可以用热力学和电化作用来解释空蚀现象。空蚀产生的原因十分复杂，它在多重作用下发生，并且与化学腐蚀、泥沙磨损等相互促进，使得材料被进一步破坏。

水轮机按空化与空蚀发生的部位不同可以分为翼型空蚀、间隙空蚀、局部空蚀和空腔空蚀。翼型空蚀是反击式水轮机的主要空蚀类型，在叶片的不同部位都有可能会出现空蚀区，转轮型号及运行工况都会影响到空蚀区的发展。间隙空蚀指的是当水流通过狭小通道或间隙时局部流速会升高，导致压力下降而产生空蚀，间隙空蚀在转浆式水轮机中最为突出，发生区域多在转轮叶片外缘与转轮室之间以及叶片根部与转轮体之间的间隙附近。局部空化产生的主要原因是过流面上局部地方的一些不规则的凹凸引起了旋涡，漩涡中心的压力下降到气化压力所产生的。空腔空化与上述三种空化有着明显的差异并且为反击式水轮机所特有，它通常在转轮下方的空腔区域发生。当反击式水轮机处于非设计工况下运行时，转轮出口水流在圆周方向存在着一定的速度分量，在该圆周速度分量的作用下，在转轮后会形成涡带，涡带中心有着很大的负压，这种涡带在尾水管中旋转的频率一般低于水轮机转速，并周期性地与尾水管边壁发生碰撞，造成振动和噪音。甚至会引发共振现象，导致机组或厂房发生振动并造成机组出力的严重波动，严重威胁着机组的运行安全。