第四章叶片式流体机械的空化与空蚀-流体机械原理

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、液体的性质及变化初生条件

空化初牛时空穴在局部压力降至临近液体蒸汽压力的瞬间形成的c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20%,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

关口

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游动型变化、

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咏动，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。

初蛤附身空泡空泡顶部受扰动射流冲击在表面上

oQ

初始球形空泡高乐■创变篇磋压二则走成向上诩

缚续洸灭方向的射流

QIP

夕勿0%

初始球形空泡悻穿入射流的形成

扁一面

C）

图右8射流一溃灭模式

a）用着整面的半球形空泡

b）空泡移入压力异度区c）空泡近边壁溃灭

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=pCaC,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Per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()-()及1-1列伯努力方程：

2+资=4+会；

定义单翼的系数

2

cp=4—)

耳夕卬：顷

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:

—P—PVV

Cpmi.n=i——三=1-(\―!^)7

/

对于叶栅有:

2

Cp=4—=)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:

「_Pmi.n-P2、1_(卬max)2->

J,min-[

当Pinin<Per,即发生空化。希望Pinin<Pcr,在固定压力下，增加相对流速WO(Wm)

或W0不变，降低压力％(鸟)都使PminWPcr,当空化发生时，Pcr=Pva,

定义翼型空化数为：1=与二人

叶栅空化数为：&PI,wi叶栅进口的压力及速度

12

5小

绕流翼型的流场中，若保持W0不变，降低尸00,则空化数I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九时产生第一个气泡，此时的

空化数的值叫初生空化数，记为£，£（7匕in

5M;

同理对叶栅：尤=午峻min

产2

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£和1,总的关系为：

1仁二（1一。小）（出）27

由此可见，①若W。（或WI）增大，或已（R）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>kiO

可见对于任何系统，可调节W0（或WI）或4（R）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，Pg（PJ愈大，ki愈大，

这说明在大的23）绕流这一物易出现空化。反之，匕（PJ愈小,（或wo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。々=午£吧说明k增大，抑制空化发生。

④初生空化数1=与乙业是绕流物体本身的流动特性，与环境条件无关，由

人=牛迷血可知，在相同来流下，最低压力系数较小的物体，其初生空化数值

2刖

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,kk

均相等。但实际要保证.kk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。

（-）类型

①翼型空化和空蚀

图440水轮机翼型空蚀的主要部位

a）轴泣式转轮翼型空蚀的主要部位b）混汽式梏轮氯型空性的主要部位

②间隙空化和空蚀

图812间隙空蚀破坏

2）轴流叶片间朦空蚀b）亮心泵密封环间隙空蚀

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；la—实际运行时间；tr-基准运行时

间,tr=8000h；n一指数

（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WI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禽心力，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。

图4>15水轮机叶片表面压力分布

图446泵叶片表面压力分布

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：

PK2g2gpg~2g2g

得：

一=一+Z2-ZA-+-.....+-------十△"卜2①

P8P82g2g

列2到。的伯努力方程:

z+匹+2L—Z+历+△”

Z2+十C一Z°十-I-dC2F

Pg2gpg

得：

—=z-z+--—+AH②

022-0

PS-Pg

将①②合并得：

町-叫

(

『z-z+以—[-

4。4十L]+^h-o

pgpg2g

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。

z「Zo=H,又AHA_0XkH2T

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

由以前知：11=——一;——

匕

2g

故△斤27（认为匕=0）

令（上皿）2一1二4为叶栅汽蚀系数

叫

又..•匕:人2历7吗=*2房万

故上式可写为:

N=-H$_H-E）

pgpg

上式表示了水轮机的汽蚀性能。

给上式两边同减压并除以H得:

P8

%--[际+潞]

包-“♦正

令q=题pg口=斌，2+*2

H

得：――

上式中％代表电站装置参数决定的点k处的压力值，故通常凡是装置汽迎系

数

b代表水轮机动力参数决定的k点压力值，b叫水轮机的汽蚀系数。

①当Pk>Pv,不发生空蚀4〉。

②pk<pv，发生空蚀

。特点：①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。对于儿何相似，工况相似水轮机。相等。

②希望。小好，这样减小电站开挖，降低尤须从降低人及〃着手。即使翼型背面

压力分布均匀。降低也值,

卬2

q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）

和当地温度下的汽化压力有关，即水轮机T作水头有关°

推导时认为，”二，但是对低比转速混流式水轮，由于径向流道长，％.工人故

U2—II12_2

应增加一项G/，%=%小=/由于〃故"二”/2gH为负,

Ng/2-2gh

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q=f（H）

〃是工况函数和f（q、,H）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：

2

定义：区+3-4L=NPSHa（和装置参数有关，叫装置汽蚀余量，乂叫有

Pg2gpg

效汽蚀余量）

4年+而出二NPSHr叫必须汽蚀余量

2g

如果列吸入页面处和法兰处波努力方程：可得:

&■=2■+/+,将此和心+f-&=NPSHa合并，故得:

■pg2gPg2gpg

NPSHa=®-Hsg-△儿---△“<一x/

PgPg

NPSHa: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i出汽化压力水头的富余能量。外文叫AvailableNetPositive

Head.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po,pv,Hsg,NPSHa随qv

增大而减小，故，NPSHa是下降的二次曲线。

=NPSHr

A—2g+5—2g

NPSHr：是液体在泵进口部分压力降的程度（注意不是大小）

NPSHrXnqRequiredNetPositiveHead.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,q、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,q、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q、.的增

大而增大，故NPSHr和5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NPSHa二NPSHr,流量为A,但外特性下降并不大，工程上规

定，NPSHa下降（Z+4）%或3%作为临界值记为NPSHc工程规定水力机

2

械必须汽蚀余量许用值[NPSHr]=NPSHc+KK=0.3m或

NPSHa（Ll-L3）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；图420水力机械装置荷图

乙+且_庄

Hv=△将二NPSHa带入得

PgPgPg2gpg

NPSHa二互+J区.H、

Pg2gpg

设匚=庄

2gpg

NPSHaelO-Hv［认为匹=10,这样当知泵进口处真空度值，就知NPSHa,当汽

Pg

蚀发生时，NPSHa=NPSHr«10-Hvl

用装置参数表示真空度：

2

利用波努力方程：&=包+3+"际+

pgpg2g

H=Pa-Ps=Pa-Pc+Hsg+二+△〃一

佻Pg2K

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［Hv］=Hv-k或［Hv］=Hv/（1.1~1.3）

这样用许用真空度可求得许用安装高度：

2

区+区———工（吸上）

PgPg2g

可见求”普得还知：VS，比较麻烦

过去，泵样本一般给的是［”田，是换算到标准状态下的（latm,20%抽清水做的

实验求得

［Hv］），但若泵现场条件和标准状态不同，则需将“n或［”田换算成现场条件

下的”力或

［Hv］f,然后用［”可代替［Hu］,求几何安装高度：

10.33+区+0.24-庄

P8PS

对水轮机，同样可得：

H,二2一〃，:P。―P。+HS+G_AH,0

PSPg2g

二、空化（空蚀）相似定律及空化比转速

对于几何相似的水力矶械，在相似工况下，其对应点速度成比例，压力降系数

4，办值相等，故有：

/PS"。二（4c；+4卬＞=/=（〃切；

NPSH;（府+4何）,”一正一

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：

NPSHn

-----叱=（」）〃，m=1.3-2当比转速相差不大时准。

NPS%n,n

即在相似工况下NPSH；=const=a

（nD）2

又因为相似工况下有：=const=b

nD2

组合得：c=‘a质

NPSH;4

C叫空化比转速①几何相似，T况相似的水力机械，C等干常数c故C可以

作为空化相似准则。它标志②NPS/增大,C减小，NPSH「减小,C大，C

值大，说明泵抗汽蚀性能好。③C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。

5.62〃4

④对双吸泵

NPSH：'"

汽蚀性能和C关系：

汽蚀性差：C=6（）0-900

效率和空化性能兼顾：0800-1100

主要考虑空化：C=1100-1600

火箭发动机：C〉5500

因C有量纲，故引入无因次的形式:ka=

g(NPSHr)%

西方国家用：S=%"3/

NPSH4

水轮机用。表示汽蚀性能指标:

（三）C和m关系：

令：NPSHr=a。叫托马系数（相当于水轮机汽蚀系数）

H

由于（7,小都从相似理论得；故b和m存在关系;

222

22

NPSHr=%纹+而也=K1L=KnnD

2g02g12gn

,代入得（7=Kn/3单吸K=216X10-6

双吸K=137xl（）F

三.泵的空化性与入流角及冲角的关系：

22

已知=Z—+/l—

2g口n2g

对于泵，前盖板ai点的圆周速度最大，按一元理论,这样ai点处最易发生空化

（空蚀），对于直锥型吸水室：

依速度三角形:

冠）、n

cos%60cos%

离心泵叶轮简图与进口速度三角形

60

依连续性条件有：4=A）c0=?D：K・冠）Wg尸0“/60

K=1-与

工

以上三式整理代入NPSHr式得：

当为,4,%或和k定后,HPSHr仅是为”的函数

dNPSHr

令=°得：吆00a种

可见为0的最优值仅是%的函数。理论上，一台空化性能较好的泵（叶片数无

限多无限薄）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'

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

道的高压而，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，若裒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

-Hs

•「%,二?——故得：出=回-五-％,H，对7K轮机几二〃。

HPgPg

水轮机不发生空化（空蚀）条件是＜Tp〉b，当我们已知水轮机的空化系数。,

取空化安全系数q之1,即这样知可计算Hs

PtlPv

Hs=~-kaoH

Pg

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10.33米水柱，若水轮机安装的海报高程为▽米时，则大

气压降低约%00（米水柱）。电站水温通常在5-25°之间时，水的气化压力值

Hva=0.0889〜0.3229米水柱。

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

9000900°

依上式计算出吸出高度Hs,依已知水轮机形式可算得安装高度Hsz

ka=1.1-1.45,n8增

C)d)

图423水轮机吸出高度与安装高度的基准面

（二）泵安装高度

p-P

计算的用Hsg=」--NPSHa

Pg

当已知NPSHr时，为了安全取余量：NPSHa=NPSHr+Q3或

NPS"a=（l.l〜1.3）NRS"-但对于立式泵及大型卧式泵，注意，计算基准面不再

是泵的中心线。

§4.5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：与=%，流过低压区的时间,

/D,卬

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：

Z:刀切=。加［H7

tw,uwD叱“D（V/Hm

由上式可见，①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；②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，临界汽蚀系数外,所对应翼型最低压力点k处的压力为

PmiYpv,此时，液体的表面张力T值为:

T=PV-P馆，-7=%-九，两端各除以汨“，整理得：

（T—-Pv、/7y7

（两^^）MH}M（H}M

当.时，空化初生，此时的初生汽蚀系数为/

_T

故得：（2）“二°;一句湖①

在原型水轮机中有：（二工）②

汨

假设：①初生空化系数5一二/,②认为模型及原型的水轮机发生汽泡时张力相

等，即得，TM=T

由①•②得：。〃.二%+。一智）（/一。叫）

由此得：①一般，故b广，故原型水轮机比摸型水轮机发生汽

蚀早。

②〃时，说明在此情况下可不计空化系数的比例效应；③实际

上，此式计算量大，故一般按下式计算：

n

（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。

b=%+8.48（普-^-）

。,。河一原型，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Re/7775Rep

。=（2七2+滥2）

由于模型及原型〃不同，[可以保证速度成比例，但不能相似I

/t4—沿程损失（由于力和雷诺数无关）

dig

保证△儿_5=扩散损失

'=漩涡损失

故。=L1LT”泣由于水力效率之比近似等于总效率之比，且水力效率不

易求得：工程上常用总效率代替：故。=1.17b”近

三、Bi的计算

假设：①汽蚀的汽泡区液体与蒸汽的温度瞬时平衡。

②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

③液体的咕性及表面张力等与汽蚀发展无关

设汽泡体积为V2汽化时吸收热量为心•匕（Qz.为汽化潜热，2为蒸汽密度）

液体体积为V],液体被吸走热量CpOiKAr

则Q•匕=CpPM”

引入B=表征汽蚀发展程度的一个参数：B=

AP&L

依克拉贝隆一克劳修氏方程

下空=80QL(",一由于气泡吸收汽化热而使周围液体的汽化压强降

△T(A-p2)

低的值)

又=0gA//v，代入得：

△T=P「P2JpgbHy将AT代入B得：

PxPlQL

B=WfJgAH\,令\HV=1,则8=8i

say

_pSp-P)cT

[2rB=B

L3。jgTAH\,

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。

NPSH试验

一般取下述4个流量点的NPS"•数据：最小连续稳定流量，介于最小流量

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

流量试验NPS”,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。

§4.6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，月以前流力推导的'内从=45+而国的概念，不论哪

2g2g

种液体流过同一台泵进口，产生压力降程度相同，即NPS”“札这是为

何呢？这是由于这种现象是从以前Pk=Pv为基准，假定流体汽蚀时：①

液体不可压缩；②气泡发生的压力就是液体的饱和蒸汽压力，旦在汽泡

发展过程中，其值固定；③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，①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，这叱热量

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P、，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。

②一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：

(NPSHr)设二(NPSHr)a-^NPSHr

其中Sr二寿

式中，为温度为的饱和蒸汽压力，从是使得液体饱和蒸汽压力下降1米时，

汽蚀区，气泡体积和液体体积之比。

斯捷潘诺夫认为RVPS%与液体物性及热力学性质有关，与泵型及工况无关。

2.不同液体：

NPS"/•特二NPSHr水-AZ?关于刖可查美国水力学会标准1979版的修正曲

线，以介质及温度查找

=pl(p1-p2)

(0。工

其中，80为温度为T2时，水及蒸汽的密度；QL为汽化潜热，c为比热,

T2为温度。

§4.7提高抗汽蚀性能的措施

前述泵开始发生汽蚀时,NPSHa=NPS"〃欲不发生汽蚀，必须增大装置汽蚀

余量NPSHa或减小NPSm"十而也增大NPSHa是使用问题，后者是设

2g“2g

计问题，也是咱们做为水泵设计者关心的问题。我们知道是泵进口部份

压力降的程度，所以影响NPS”〃大小的是叶轮进口部分的几何形状。对叶轮进

口直径D,叶片形状、叶轮进口流道形状，下面分别讲述：

1.叶轮进口百■杼D

NPSHr=%迎+加

2g112g

假设进口速度分布不均匀4=1

而叶栅汽蚀系数，它和进口直径无关。假设是直锥形吸入室匕。=0,得

卬2=说+噂当Do增大，则Vo减小，uo的平均值增大，wo对于泵一般增大，故

有一个最佳的Dn,使得NPSHr最小。这是一个求极值的问题，由于泵最易发生

汽蚀点在叶轮前盖板，因此按此求D。

4Q

匕二(2(K2是系数，修正叶片进口稍前和叶片进口不同的系数)

(£)；-点)町,

*:①此处Uo大

②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NPSHr式中,并令D；=-d；

且令：券j片勺

Ko巾人,抬，弓,而)

显然：增加Ko可以减小Vo,从而减小NPSHr,改变泵的汽蚀性能。但Ko太大,

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，Do太大，口环所在直径变大，泄露增大，容积效率下降。一般Ko按

下述原则取：对于高的抗汽蚀性能叶轮：K。=4.5〜5.5

高的效率：K。=3.5~4.0

兼顾效率及汽蚀：K。=4.0〜4.5

图4-28转轮低压边直径

②增大叶轮进口宽度bl,（对于水轮机增大下环圆弧半

杼RA

bi大，过流面积大，Vo,Wo小，从而减小NPSHr,

这是一种有效的方法，高汽蚀性能的冷凝采用上述方

法：但bi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。

③叶片进口边位置前移：

图3-17增加0和％的叶轮

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uo,wo小，降低NPS4厂。

④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。

⑤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。

⑥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。

⑦进口边冲角：一般进口安放角尸s大于进口相对液流角4即采用正冲角

正冲角能提高抗汽蚀性能：原因a）:增大儿b，减小了叶片弯曲，增加了进口过

流面积，减小了排挤，使得Vo,Wo小，NPSH川、,b）:在设计流量下液体易在

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。

图3-18冲角对汽蚀性能的影响

冲用对叶片形状和潦动的影响方)冲角dB和压降系数幺的关系

⑧粗糙度：其值应尽量小，水力损失小。

⑨光洁度：防止NPSHa=------Hsg-h\KQ2

PR

a)减小几何高度Hsg(Hsg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，NPSHr大,NPSHa小,故大流量下运行时，应使得安装

高度小些。

0在某些气蚀条件比较差的工况下运行时，可加装诱导论.

§4.7诱导轮

以前讲的是从结构上，但实际知，泵发生汽蚀是由于Pk<pv,如果能提高液体

在泵进口的压力，则泵不发生汽蚀u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

(n=l7000~20000r/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3()(X),有的高达

6300o

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

图830带诱导轮