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41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PKI。可见对于任何系统，可调节W0或W1或使K大于，等于，小于KI1从而实现空穴从无到初生，再到破灭。在一定温度下，PVA一定。当绕流开始出现空穴时，愈大，KI愈大，1P这说明在大的绕流这一物易出现空化。反之，愈小，（或W0愈大）1P时才出现空化，此时的KI值小，则表明该物体不易产生空化。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。说明K增大，抑制空化发生。201WVA初生空化数是绕流物体本身的流动特性,与环境条件无关。由20MIN1PK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20MIN1WPKI值较大。K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）类型翼型空化和空蚀间隙空化和空蚀空腔空化和空蚀局部空化和空蚀；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600010000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CCA认为合格其中CA空蚀保证量；TA实际运行时间；TR基准运行时NTRAC/间,TR8000H；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，表现为机器的能量特性改变引起振动及噪声过流部件表面破坏（四）利用空化和空蚀42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222KKKHGUWZGPUWZGP得2222KKKKZ列2到0的伯努力方程0202HGPZVGPZ得020202VZ将合并得02200KKKKHGVWGPZGP将最低压力点K至下游自由液面的距离定义为水轮机的吸出高度。又SKHZ0520HK由以前知GV225故（认为）H15205令为叶栅汽蚀系数120WK又GHVV2GHKW22故上式可写为20VWSKKGP上式表示了水轮机的汽蚀性能。给上式两边同减并除以H得V_20VWVSVKKPGPHP令SVZ02VWK得ZVKGHP上式中代表电站装置参数决定的点K处的压力值，故通常是装置汽蚀系ZZ数代表水轮机动力参数决定的K点压力值，叫水轮机的汽蚀系数。当PKPV,不发生空蚀Z,发生空蚀PZ特点只和转轮叶栅及翼型参数、吸出管动力特性有关，和水轮机水头无关。对于几何相似，工况相似水轮机相等。希望小好，这样减小电站开挖，降低须从降低及着手。即使翼型背面压力分布均匀。降低值，2WK是水轮装置汽蚀系数和水轮机尺寸工况参数无关。只和安装高层（吸出高度）Z和当地温度下的汽化压力有关，即水轮机工作水头有关。推导时认为，但是对低比转速混流式水轮，由于径向流道长，2UK2UK故应增加一项由于故/2GH为负，KKKRURGH,222RKGHUK2这表明径向流道较长的低比转速水轮机由于液流受离心力影响，使减小。同理知由于是无量纲数，故相似的水轮机相等。是工况的函数FHZZ是工况函数和FQVH代表一台水轮的指在最优工况下或设计工况下同理对于泵GWVGPGPSVK22001定义NPSHA（和装置参数有关，叫装置汽蚀余量，又叫有VS效汽蚀余量）NPSHR叫必须汽蚀余量GWV2001如果列吸入页面处和法兰处波努力方程可得，将此和NPSHA合并，故得SSHGVP020GPVVS2NPSHAGPSGVS0020VSQNPSHA装置汽蚀余量又叫有效汽蚀余量，它是由装置提供的，在泵进口处，单位重量液体具有的超出汽化压力水头的富余能量。外文叫AVAILABLENETPOSITIVEHEAD即泵进口处液体具有的全部能量头减去汽化压力净剩的值。AVAILABLE指装置提供给泵的泵能够利用的能量NET指去掉了汽化压力POSITIVE指该值永远为正，如果负，那么在泵法兰进口前就汽化了，这样在管道中就发生了汽蚀。NPSHA和装置及液体性质有关，和泵无关。对于一定的P0,PV,HSG,NPSHA随QV增大而减小,故，NPSHA是下降的二次曲线。NPSHRGWV2001NPSHR是液体在泵进口部分压力降的程度（注意不是大小）NPSHR又叫REQUIREDNETPOSITIVEHEAD所谓净指必须提供这么大的净正吸头方能补偿泵进口处的压力降，方保证不发生汽蚀。正说明该值永远为正。NPSHR和装置无关，和液体种类无关，只和进口运动参数及几何参数有关。在N,QV一定下只和进口几何参数有关。对于给定的泵无论何种液体（除粘性大，影响到速度分布外），在一定N,QV下，泵进口速度大小相同，故有相同的压力降。NPSHR越小，要求装置提供的NPSHA小，故抗汽蚀性能好。NPSHR随QV的增大而增大，故NPSHR和QV关系是一条上升的二次曲线。由上可见，NPSHR是二次函数，不同流量、转速的NPSHR不同。但一般讲某台泵的NPSHR是指在最高效率点下讲的。实际应用实际当NPSHANPSHR，流量为A，但外特性下降并不大，工程上规定，NPSHA下降（）或3作为临界值记为NPSHC工程规定水力2K机械必须汽蚀余量许用值NPSHRNPSHCKK03M或NPSHA1113的较大值（三）吸入（出）真空度吸入（出）真空度是指泵进口处（水轮机出口处）的真空度。其值已换算到基准面上的液柱高表示。吸入（处）真空度表示吸入（处）压力的一种方法，当作泵（水轮机）空化参数时有很多缺点，但国内过去长期使用故简单介绍。泵已知泵进口法兰处压力为PS则泵进口真空度将NPSHAGPHSAVGVVS2带入得NPSHAVSAHPC设GPCVS2NPSHA10HV认为，这样当知泵进口处真空度值，就知NPSHA，当汽10A蚀发生时，NPSHANPSHR10HV用装置参数表示真空度利用波努力方程SCSCHGPG2SCSCASAVPH2用上式计算泵几何吸高度HSG和用NPSHA计算HSG相同。考虑安全余量引入许用真空度概念HVHVK或HVHV/（1113）这样用许用真空度可求得许用安装高度（吸上）GVHGPVHSCCAGRS2可见求得还知VS，比较麻烦GRS过去，泵样本一般给的是，是换算到标准状态下的（1ATM,200C抽清水做V的实验求得），但若泵现场条件和标准状态不同，则需将或换算成现场条件HVHV下的或V，然后用代替，求几何安装高度HVGPVAV24031对水轮机，同样可得020SSASAVCGPPH二、空化（空蚀）相似定律及空化比转速对于几何相似的水力机械，在相似工况下，其对应点速度成比例，压力降系数值相等，故有21,2221,MPSPMSSMRPNDUWCNPSH此时空化相似定律如果两台泵吸入部分几何相似，运动相似，则表明这两台泵的汽蚀余量比等于转速与尺寸乘机平方之比。此公式误差大，最近国外提出M132当比转速相差不大时准。MPRNNPSH,即在相似工况下ACONSTDNPSR2又因为相似工况下有BTQV2组合得4/365RVNPSHNCC叫空化比转速几何相似，工况相似的水力机械，C等于常数。故C可以作为空化相似准则。它标志增大,C减小，减小，C大，CRNPSHRNPSH值大，说明泵抗汽蚀性能好。C值是工况函数，不同工况有不同的汽蚀比转速。但通常说一台泵的值指最高效率的值。对双吸泵4/3625RVNPSHQNC汽蚀性能和C关系汽蚀性差C600900效率和空化性能兼顾C8001100主要考虑空化C11001600火箭发动机C5500因C有量纲，故引入无因次的形式43NPSHRGQKVA西方国家用43NPSHRQNV水轮机用表示汽蚀性能指标（三）C和NS关系令叫托马系数（相当于水轮机汽蚀系数）SR由于，NS都从相似理论得故和NS存在关系2220201DKGUWGCNPSHR，代入得单吸KNDQV334SN6102双吸37K三泵的空化性与入流角及冲角的关系已知GWCNPSHR200对于泵，前盖板A1点的圆周速度最大，按一元理论，这样A1点处最易发生空化（空蚀），对于直锥型吸水室依速度三角形ASAANDUW0010CO6CS60TAN010ASTGDUC依连续性条件有60/42ASSVNTGDKCAQ21SNDK以上三式整理代入NPSHR式得AAVTGNQGNPSHR0341320232SINCO6042当，和K定后，HPSHR仅是的函数1VN,2令得0ADTGSR2121,0OPTAG可见的最优值仅是的函数。理论上，一台空化性能较好的泵（叶片数A021无限多无限薄）所以的值是很小的。工程上常取0,1OPTA,故有，30,21316,0OPTAGOPTA,23170冲角采用正冲角在设计流量下，叶片进口背面易产生流量，因背面是流道的低压面，这里即使有漩涡也不易向主压侧扩散，因此漩涡是稳定，局部的。对空化（空蚀）性能影响小，而负冲角时，流体在叶片进口的工作面产生脱流，该处叶道的高压面，漩涡易向低压侧扩散，不稳定，对汽蚀性能影响大。采用正冲角，能改善在大流量下工作条件，若泵在大流量工况下工作，应选较大的冲角。四、水力机械的安装高度（一）水轮机对水轮机故得，对水轮机HSGPVP0HGPHSV00PA水轮机不发生空化（空蚀）条件是，当我们已知水轮机的空化系数P，取空化安全系数,即，这样知，可计算HS1KKPHGPHSVA通在水轮机安装高程范围，大约高程每升高900米，大气压降低月1米（水柱）。每平面平均大气压为1033米水柱，若水轮机安装的海报高程为米时，则大气压降低约（米水柱）。电站水温通常在5250之间时，水的气化压力90值米水柱。328HVA故HKHKS90132908910依上式计算出吸出高度，依已知水轮机形式可算得安装高度HSSZ，NS45K增大，增大（二）泵安装高度计算的用NPSHAGPHSSOV0当已知NPSHR时，为了安全取余量或30NPSHRA但对于立式泵及大型卧式泵，注意，计算基准面不再RNSA31是泵的中心线。45空化参数的比例效应由于模型与原型水轮机几何相似，则有，流过低压区的时间1DLLM，由于相似水轮机在相似工况下工作时，其相对流速W与水头H的平方WLT根成正比，故液流在低压区流过模型的时间和原型的持续时间比为HMDLTMM11/由上式可见，尺寸和水头两个参数，尺寸对液流流过低压区的时间影响是主要的；上式说明，空化发生的时间在原型水轮机时间较长，一般讲空蚀破坏比模型水轮机严重。但水轮机的空化系数之间有何关系。在模型试验中，临界汽蚀系数，所对应翼型最低压力点K处的压力为LJPMINPV，此时，液体的表面张力T值为,两端各除以，整理得MINTVPTMINMHMAVAMVMPSSHMININ当时，空化初生，此时的初生汽蚀系数为VKP故得LJT在原型水轮机中有LJHT假设初生空化系数，认为模型及原型的水轮机发生汽泡时张力M相等，即得，由得1LJMLJLJ由此得一般，故，故原型水轮机比摸型水轮机发生汽HMLJLJ蚀早。时，说明在此情况下可不计空化系数的比例效应；实HMLJLJ际上，此式计算量大，故一般按下式计算1LJMLJLJM（二）水中含汽量的影响水中含水多，易发生空蚀。原型水轮机液流取自和大气相接的水库，其含气量多，而模型水轮机的液流在封闭状态下，其表面常处于真空，故大量空气逸出，含气量低。48MMH原型，模型水轮机工作时水中空气的相对体积含气量。,（三）由于雷诺数PRE21UVKGCH2525212WK由于模型及原型不同，可以保证速度成比例，但不能相似沿程损失（由于和雷诺数无关）VDL2保证扩散损失52H漩涡损失故由于水力效率之比近似等于总效率之比，且水力效率不M17易求得工程上常用总效率代替故M17三、B1的计算假设汽蚀的汽泡区液体与蒸汽的温度瞬时平衡。热量交换只在汽泡区进行，与汽泡区以外液体之间无热量交换液体的粘性及表面张力等与汽蚀发展无关设汽泡体积为V2汽化时吸收热量为为汽化潜热，为蒸汽密度2VQLL2液体体积为V1，液体被吸走热量TCP1则2VQLP1引入表征汽蚀发展程度的一个参数1BTQCBL212依克拉贝隆克劳修氏方程由于气泡吸收汽化热而使周围液体的汽化压强降LVTP21VP低的值又，代入得VVHG1将代入B得VLHGQT21T令1，则1VLPCB21V1GQTP211BH意为，液体的汽化压强降低1米时，汽蚀区内气泡体积与液体体积之比。试验NPSH一般取下述4个流量点的数据最小连续稳定流量，介于最小流量NPSHR和额定流量之间的流量，额定流量和110额定流量。单在做气蚀试验时在抽真空降低必须保持流量不变，最好用闭式回A流量试验，如双方同意还可以用吸入阀节流或改变入口井液位的方法。S46液体的热力学特性对汽蚀的影响一、现象1对于同一台泵，当抽不同温度的同一种液体时，发现液体温度越高越不易发生汽蚀。2同一台泵，抽不同介质时，而且介质不足以改变流态，发现汽蚀难易程度也不相同，用以前流力推导的的概念，不论哪GWVNPSHR200种液体流过同一台泵进口，产生压力降程度相同，即相，这是为NPSHR何呢这是由于这种现象是从以前PKPV为基准，假定流体汽蚀时液体不可压缩；气泡发生的压力就是液体的饱和蒸汽压力，且在汽泡发展过程中，其值固定；当在低压区的压力降低到该温度下液体的饱和蒸汽压力时，气泡即发生，无时间滞后。事实上，当低压区的压力降到该温度下饱和蒸汽压力时，液体汽化，依热力学第二定律，汽化膨胀是需做功的，这样汽化的同时需要吸收热量，这些热量只能从周围的液体中获得。其结果使得整个液体温度降低，相应饱和蒸汽压降低，阻止气化的发展。唯有当环境压力再进一步降低时，空泡才得以发展。所以空泡在形成长大过程中，由于饱和蒸汽压降低会使液体气化延迟发展。同样，对已形成的空泡，当压力高于汽化压力时它才开始凝结，凝结实时放出热量使周围液体温度升高PV提高，延迟凝结。可见由于液体的热力学特性影响，使得空泡出生压力不定。且阻止汽蚀发生。另粘性力和液体的表面张力对空泡也起阻止作用。一般讲汽蚀时产生的蒸汽越多的液体（即蒸汽的比容大）汽蚀发展的越严重。拿水来讲水的蒸汽比容随温度升高而减小，所以温度越高汽蚀发展越弱。而不同介质在相同温度下蒸汽的比容也不一样。大的易汽蚀小的不易汽蚀。以上两点则是从热力学观点解释的。二计算1同种介质不同温度斯氏公式（）T2（NPSHR）T1NPSHRNPSHR其中VBG3/412式中，为温度为的饱和蒸汽压力，1是使得液体饱和蒸汽压力下降1米时，VB汽蚀区，气泡体积和液体体积之比。斯捷潘诺夫认为与液体物性及热力学性质有关，与泵型及工况无关。NPSHR2不同液体NPSHR水关于可查美国水力学会标准1979版的修正曲特PSRHH线，以介质及温度查找。GCTQBL2211其中，为温度为T2时，水及蒸汽的密度为汽化潜热，C为比热，LQT2为温度。47提高抗汽蚀性能的措施前述泵开始发生汽蚀时,欲不发生汽蚀，必须增大装置汽NPSHRA蚀余量NPSHA或减小增大NPSHA是使用问题，后者GWVSR200是设计问题，也是咱们做为水泵设计者关心的问题。我们知道是泵进NPSHR口部份压力降的程度，所以影响大小的是叶轮进口部分的几何形状。对PR叶轮进口直径D，叶片形状、叶轮进口流道形状，下面分别讲述1叶轮进口直径DNPSHRGWV200假设进口速度分布不均匀1叶栅汽蚀系数，它和进口直径无关。假设是直锥形吸入室,得0UV当D0增大，则V0减小，U0的平均值增大，W0对于泵一般增大，故202VUW有一个最佳的DN，使得最小。这是一个求极值的问题，由于泵最易发NPSHR生汽蚀点在叶轮前盖板，因此按此求D0K2是系数，修正叶片进口稍前和叶片进口不同的系数204KDQVVH此处U0大由于液体转变，受离心力作用液体靠近前盖板处速度大则压力低。将上述代入式中，并令NPSHR202NNDD且令得DNK0F0ND3Q,21V显然增加K0可以减小V0，从而减小，改变泵的汽蚀性能。但K0太大，NPSHR液流在进口处扩散严重，破坏了流动平顺和稳定性，形成漩涡使水力效率下降。另一方面，D0太大，口环所在直径变大，泄露增大，容积效率下降。一般K0按下述原则取对于高的抗汽蚀性能叶轮540K高的效率4530兼顾效率及汽蚀5K增大叶轮进口宽度B1,对于水轮机增大下环圆弧半径R2B1大，过流面积大，V0，W0小，从而减小，这是一种有效的方法，高汽蚀性能的冷凝NPSHR采用上述方法但B1太大，效率低。增大R2使得该处轴面速度降低。有利于改善空化。叶片进口边位置前移使液体早进入叶片增大了叶片受压面积，减轻了叶片负荷。减小正反面压差，另外能使进口边半径小，是U0，W0小，降低。NPSHR进口边倾斜使得进口边各点半径不同，因此U和W不同，因前盖板处半径大，相对速度大，故将汽蚀尽量控制在前盖板附近。进口边厚度进口边薄，最大厚度区离进口远，进口压降小，泵抗汽蚀性能好。平衡孔平衡孔对主流其破坏但面积应不小于环的五倍，以减小泄露，减小对主流影响。进口边冲角一般进口安放角大于进口相对液流角即采用正冲角B111B正冲角能提高抗汽蚀性能原因A增大，减小了叶片弯曲，增加了进口过B1流面积，减小了排挤，使得V0，W0小，小，B在设计流量下液体易NPSHR在叶片进口背面产生脱流，因背面是低压区采用正冲角，由流力知该脱流引起的漩涡不易向高压侧扩散，而是控制在局部，对汽蚀影响小。粗糙度其值应尽量小，水力损失小。光洁度防止NPSHA2KQHSGPVA减小几何高度HSGHSG为正B减小损失C采用双吸泵，减小进口速度D泵发生汽蚀应将Q减小，E流量大时，大，小，故大流量下运行时，应使得安NPSHRA装高度小些。F在某些气蚀条件比较差的工况下运行时，可加装诱导论。47诱导轮以前讲的是从结构上，但实际知，泵发生汽蚀是由于PKPV，如果能提高液体在泵进口的压力，则泵不发生汽蚀。这个装置就是诱导轮诱导轮是在四十年代初，在法国火箭发动机上使用，目的是在很高的转速N1700020000R/MIN下正常的供给燃料。60年代后逐渐用于离心泵中以便大幅地提高泵的吸入性能，带有诱导轮的离心泵吸入比转速C为3000，有的高达6300。二、结构诱导轮叶片数很少，一般为两片，多则三片，好似轴流泵叶片，但是叶片一般设计成低负荷叶片，即叶片特别是在叶片的进出口，工作面和背面的压差很小，叶片很薄，轮毂比小，安装角小提高抗汽蚀性能因为诱导轮产生的扬程对后边的离心轮起增加能量的作用，防止泵汽蚀发生。而诱导轮只需很低的吸入余量，从而按给定的装置使用条件，计算，然后按确定诱导轮的扬程，应同时满足NPSHANPSHARI条件，如果不满足此条件，只好改变装置的使用条件。否I则，不可避免发生汽蚀。在没有给定使用条件下，按计算NPSHI，然后按计算HI，同时按PSIPSARISI给出泵的使用条件。NHA三、流量21QQI其中QI是诱导轮流量；Q是泵流量；Q1是