水轮机空化讲稿

1、没有空化与空蚀的叶片没有空化与空蚀的叶片空蚀后的叶片空蚀后的叶片 水轮机的空化与空蚀是水轮机运行中一水轮机的空化与空蚀是水轮机运行中一种常见的现象种常见的现象, ,它对水轮机的运行质量有很它对水轮机的运行质量有很大影响大影响, ,同时严重影响水轮机的安全与寿命同时严重影响水轮机的安全与寿命. .有人称空化与空蚀是水轮机的有人称空化与空蚀是水轮机的“癌症癌症”，因此因此, ,了解空化与空蚀的机理了解空化与空蚀的机理, ,防止空化和防止空化和空蚀的发生空蚀的发生, ,减轻空化的危害有重要的意义减轻空化的危害有重要的意义.空化是水轮机流道内部发生的一种物理现象，空空化是水轮机流道内部发生的一种物理现

2、象，空化的发生，引起内部流态的变化，但它可以引起化的发生，引起内部流态的变化，但它可以引起水轮机外特性的变化，通过外特性的特征，可以水轮机外特性的变化，通过外特性的特征，可以判断水轮机是否发生空化，并预示内部空化的程判断水轮机是否发生空化，并预示内部空化的程度。就象一个人得了某种疾病，他会表现出一系度。就象一个人得了某种疾病，他会表现出一系列的异常特征一样。所以研究外特性是作为诊断列的异常特征一样。所以研究外特性是作为诊断疾病的重要手段之一。疾病的重要手段之一。 1894年英国驱逐舰年英国驱逐舰(Daring号）试航中，设计航速号）试航中，设计航速50km/h，但当航速达到，但当航速达到45k

3、m/h时，无论怎样增加时，无论怎样增加螺旋桨推进器的转速，航速却不能再提高了。经螺旋桨推进器的转速，航速却不能再提高了。经过认真观察分析，发现了推进器的翼面发生了过认真观察分析，发现了推进器的翼面发生了“空穴空穴(Cavity)”，是它妨碍了推进器的正常工作。，是它妨碍了推进器的正常工作。当时，把这种现象命名为（当时，把这种现象命名为（Cavitation），即空化。），即空化。 后来，在许多液体高速流动的场合都发现了空后来，在许多液体高速流动的场合都发现了空化现象，水轮机、水泵、闸门等流场中都会受到化现象，水轮机、水泵、闸门等流场中都会受到空化的影响。空化的影响。100多年来，人们对空化现象

4、进行了多年来，人们对空化现象进行了不断的研究，逐渐揭示了空化的机理。并为空化不断的研究，逐渐揭示了空化的机理。并为空化的防治提供了有效的措施。的防治提供了有效的措施。相同点相同点：液体的汽化液体的汽化不同点：不同点：沸腾：沸腾：液体在常压高温条件下的汽化。液体在常压高温条件下的汽化。1ata,100oC空化：空化：液体在常温低压条件下的汽化。液体在常温低压条件下的汽化。0.0024ata,20oC沸腾沸腾空化空化1）球形空泡的抗拉力球形空泡的抗拉力假定水中有一半径假定水中有一半径R的球形空泡，内部压力的球形空泡，内部压力Pi，外，外部压力部压力Po,当空泡壁上作用的内外压差与表明张力当空泡壁上

5、作用的内外压差与表明张力相等时，空泡处于平衡状态。相等时，空泡处于平衡状态。pip02RR2(pi-p0)R空泡平衡的条件：空泡平衡的条件：R2(pi-p0)=2 R p=(pi-p0)=R2平衡方程平衡方程：Rppoi 2 空空泡泡收收缩缩空空泡泡膨膨胀胀；;2:2RpRp Rppoi 2 Rpppogv 2)( gvippp 当空泡内部包含空气和水蒸汽时，则空泡内部的压力当空泡内部包含空气和水蒸汽时，则空泡内部的压力Pi为空气分压为空气分压Pv与与水蒸气压力水蒸气压力Pg的之和，即：的之和，即： 水蒸汽压力即当时温度下的汽化压力，为常数。故空泡平衡方程可写为水蒸汽压力即当时温度下的汽化压力

6、，为常数。故空泡平衡方程可写为 假定空泡的膨胀或压缩均为等温过程，则有假定空泡的膨胀或压缩均为等温过程，则有平衡方程平衡方程：RRRRppppvv 2)(2(3000 )/(074. 0222cmgRR 水的抗拉强度取决于水中气泡的大小，纯净水的抗拉强度取决于水中气泡的大小，纯净水中不含气泡时，抗拉强度极大，几乎是不可能水中不含气泡时，抗拉强度极大，几乎是不可能被破坏的，自然界的水中含有大量不同尺寸的气被破坏的，自然界的水中含有大量不同尺寸的气泡，抗拉强度很小，很容易被破坏泡，抗拉强度很小，很容易被破坏纯净水纯净水游离微气泡游离微气泡固体颗粒附着微气泡固体边壁裂隙中的固体颗粒附着微气泡固体边壁

7、裂隙中的微气泡微气泡空化核空化核 空化空泡初生空化空泡初生 空泡发育空泡发育 空泡溃灭空泡溃灭空化核阶段：气泡半径很小，水中保持稳定，不析出，不溶解。空化核阶段：气泡半径很小，水中保持稳定，不析出，不溶解。空化空泡初生阶段：压力降到临界值，空泡尺寸达到临界值。空化空泡初生阶段：压力降到临界值，空泡尺寸达到临界值。空泡发育阶段：泡内压力保持一定值，空泡直径不断增大，直至最大。空泡发育阶段：泡内压力保持一定值，空泡直径不断增大，直至最大。空泡溃灭阶段：进入高压区，空泡受压缩尺寸迅速减小，直至完全溃灭。空泡溃灭阶段：进入高压区，空泡受压缩尺寸迅速减小，直至完全溃灭。PoRmaxPv临界点t初生发育溃

8、灭最大点汽化压力汽化压力方程方程4-9方程方程4-10与方程与方程4-11方程方程4-14)()322)(1,1114334,10422(2332)2094( 12)(2(0302010)0002030000300RfRRfpRpfRpRRRppppRRppRRRRRRRppdRdpRRRRppppcrcrcrvcrcrcrvcrcrcrvvv 与与（即即界半径曲线，界半径曲线，的空泡的临界压力与临的空泡的临界压力与临可求初始半径可求初始半径与方程与方程）利用方程）利用方程曲线；曲线；得得的关系，的关系，与外部压力与外部压力可求空泡半径可求空泡半径利用方程利用方程的空泡的空泡）当初始半径）当初

9、始半径式）式）（教材（教材方程方程：即临界压力即临界压力带入原平衡方程求出带入原平衡方程求出把把式）式）（教材（教材方程方程得：得：求出求出（态的空泡平衡方程：态的空泡平衡方程：为条件，可求出临界状为条件，可求出临界状空泡直径迅速增大。以空泡直径迅速增大。以压，压，力保持临界压力或蒸汽力保持临界压力或蒸汽汽的支配，特点是：压汽的支配，特点是：压空泡的膨胀与收缩受蒸空泡的膨胀与收缩受蒸水蒸汽为主，水蒸汽为主，状态时，空泡内变为以状态时，空泡内变为以界状态之前，达到临界界状态之前，达到临界此式只适用于空泡的临此式只适用于空泡的临式）式）教材教材方程方程 Ro=0.110-5mRo=0.510-5m

10、Ro=1.010-5mRo=1.510-5mPv0临界半径轨迹临界半径轨迹P0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 R(10-5m)PcrPcrRcrRo教材图教材图4-2与图与图4-3水蒸汽水蒸汽 pV 空泡内以蒸汽为主题，内部压力为液体汽化压空泡内以蒸汽为主题，内部压力为液体汽化压力，环境压力降到汽化压力时，空泡迅速膨胀力，环境压力降到汽化压力时，空泡迅速膨胀 空化初生阶段，空泡内以空气为主、水蒸汽为空化初生阶段，空泡内以空气为主、水蒸汽为辅。临界点后，空泡周围的水处理辅。临界点后，空泡周围的水处理“沸腾沸腾”状态，状态，泡内蒸汽迅速增加，空泡体积迅速增大，变为以蒸泡内蒸汽迅速增加，

11、空泡体积迅速增大，变为以蒸汽为主。这是发育阶段空泡内保持水的汽化压力和汽为主。这是发育阶段空泡内保持水的汽化压力和空泡体积迅速增大的原因。空泡体积迅速增大的原因。水水沸腾区沸腾区空泡在百分之一至千分之一秒时间内溃灭，形成高速射空泡在百分之一至千分之一秒时间内溃灭，形成高速射流与微水击，射流速度流与微水击，射流速度100m/s100m/s以上，冲击压数千以上，冲击压数千ataata. .初生初生发育发育最大最大溃灭溃灭反弹反弹溃灭溃灭数次反复数次反复发育溃灭反弹溃灭反弹 溃灭时时所所需需时时间间。收收缩缩溃溃灭灭）从从初初始始半半径径利利用用此此式式可可求求空空泡泡完完全全溃溃灭灭所所需需时时间

12、间；函函数数求求积积分分，可可得得：应应用用的的关关系系。与与时时间间空空泡泡半半径径得得：；则则再再考考虑虑的的关关系系。中中壁壁面面速速度度与与对对应应半半径径该该式式可可求求空空泡泡压压缩缩过过程程式式；教教材材即即：从从中中求求出出：对对运运动动微微分分方方程程积积分分得得考考虑虑空空泡泡半半径径；式式中中：动动的的微微分分方方程程；空空泡泡压压缩缩时时空空泡泡壁壁面面运运0(;915. 0)/(1()/(321)(32/,/1341)(32);1(32)23(232)(;:)(230002130230021300213003300222232323220200 RRpRttRdRRR

13、RRptdttRRpdRVdRdtdtdRVRRpRVRRpRRRRRRRRRRRRRRdtddtRdaRdtdRVRRRtpRRRRRRR 溃溃灭灭结结束束时时间间）(91468. 0/91468. 0)/(1()/(321)(3202130230030210 RoptPRtdRRRRRptRRPVRR 一个一个7mm的气泡会在的气泡会在0.0007S时间内溃灭，时间内溃灭，空泡壁的速度达数百米空泡壁的速度达数百米/秒。秒。Ropt / 0RR1.00.80.60.40.20.00 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0空泡溃灭过程曲线空泡溃灭过程曲线0.91468翼型绕流翼型绕流狭小间隙狭

14、小间隙局部脱流局部脱流环境压力降低环境压力降低旋涡中心旋涡中心高频振动高频振动麻点麻坑蜂窝状麻点麻坑蜂窝状汽化压力汽化压力水流流过狭小间隙时流速增大压力降低形成的空化水流流过狭小间隙时流速增大压力降低形成的空化.多发生在轴流式叶片端部和背面外缘多发生在轴流式叶片端部和背面外缘叶片吊物孔周围叶片吊物孔周围空腔涡带空腔涡带：发生在尾水管中：发生在尾水管中说是空话，实是气话，说是空话，实是气话，-空化的实质是液体低压状态的汽化。空化的实质是液体低压状态的汽化。全因为那气人的孩子。全因为那气人的孩子。-空化发生的内因是水中有空化核子。空化发生的内因是水中有空化核子。长期受气，疲劳成疾，长期受气，疲劳成疾，-水轮机长期遭受气蚀，发生疲劳破坏。水轮机长期遭受气蚀，发生疲劳破坏。钢筋铁骨也会被活活气死钢筋铁骨也会被活活气死-坚硬的钢铁部件也会被气蚀破坏。坚硬的钢铁部件也会被气蚀破坏。本来处境