本章涉及的主要内容
? 叶片式水力机械的空化与空蚀机理
? 水力机械的空化参数
? 空化与空蚀的防护与改善措施
HSJ
第一节 叶片式水力机械的空化与空蚀机理
（一）空化现象
基本定义
由于压力的变化而导致
的液流内的空泡的产生,
发展和溃灭过程以及由
此而产生的一系列物理
和化学变化, 称为 空化
一、空化及空蚀机理
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空化发展过程
压力降低 汽化 空泡形成
压力升高 空泡溃灭
材料破坏
外特性下降
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（二）空化初生
液体的抗拉强度
实测最大 26~27 Mpa
理论值 160~325 Mpa
? ＝ 7.4× 10－ 2 N／ m
初生空泡的平衡条件
2? r? ＋ ? r2p＝ ? r2pva
rpp va
?2??
空化核
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（三）空蚀破坏机理
任何固体材料 （包括化学惰性的、非导电的、甚至高
强度的）,在任何液体 （包括海水、淡水、化学惰性
液体、甚至金属性液体如汞、钠等）的一定动力条件
作用下,都 能引起 空蚀破坏 。
微射流理论
射流速度 100 ～ 300 m/s
压力 7.05?108 Pa
微射流直径 2~3 ?m
冲抗直径 2~20 ?m
冲击次数 100~1000/s-cm2
其他因素,
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微射流
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（四）空化现象的分类（按形态和产生原因）
1）游动型空化
2） 固定型空化
3） 旋涡型空化
4） 振动型空化
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旋涡型空化
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泵叶轮的空化
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二、空化数
翼型的压力系数
2
0
1
2
0
01 1
2
1 ???
?
???
?????
w
w
w
ppC
p
?
最低压力点
2
0
m a x
2
0
0m i nm i n 1
2
1 ???
?
???
?????
w
w
w
ppC
p
?
2
0
0
2
1 w
ppK Va
?
??
m i n
2
0
m i n0
2
1 pi Cw
ppK ????
?
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空化开始
K的意义
环境参数
p0↑, pva↓, w0↓, 则 K↑
对既定的翼型，产生空化的可能性 ↓
Ki的意义
翼型特性参数
与工况有关
对既定翼型的既定工况是常数
p0－ pmin↑, w0↓, Ki↑,
对既定环境,产生空化的可能性 ↑
翼型的 空化性能 的指标 。
iKK ?vapp ?m i n
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空化发展条件
K＞ Ki,不产生空化
K＝ Ki,开始空化（空化初生）
K＜ Ki,空化发展（加剧）
空化的相似准则 Sr,K,Ki
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三 空蚀破坏类型及对性能的影响
（一）空化和空蚀破坏类型（按发生的部位）分类
1、翼型空化和空蚀
I
I
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泵叶轮的翼型空蚀
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2,间隙空化和空蚀
HSJ
3,空腔空化和空蚀
4,局部空化和空蚀
水轮机空蚀量合格的评定标准
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（二）空化与空蚀对叶片式水力机械性能的影响
1、机器能量特性恶化
2、引起振动和噪声
3、材料破坏
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第二节 水力机械的空化参数
一、有因次空化参数
（一）转轮叶片上的最低压力
转轮的低压侧 L
机器的低压侧 S
叶片最低压力点 K
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逐步利用 0,S,L,K间的伯努利方程可得
g
uuH
g
wwH
g
cZ
g
cZ
g
p
g
p LK
KLLKLSLKSSSK 22)2(2
222222 ????????????
?? ???
g
cH
g
c L
LSL 22
2
1
2 ????
? g
w
g
ww LLK
22
2
2
22 ???
g
cZ
g
pE S
SSS 2
2???
?
???
?
???
? ????
g
w
g
cHE
g
p LL
SS
K
22
2
2
2
1 ???
用 HS代替 ZK并令,
最后得,
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（二）空化余量
装置的有效空化余量 ?ha是与机器外部
环境（装臵）有关的参数。是机器低压
侧液体总能头（折算到基准面）超过液
体汽化压力的部分，它表示了外部环境
（装臵）给机器提供的避免发生空化的
条件。根据伯努利方程,?ha的数值可
以根据下游水面的参数计算。
raLL
Va
SS
VaK hh
g
w
g
c
g
pHE
g
pp ??????
?
???
?
? ????
?
???
?
? ????
22
2
2
2
1 ????
?ha ?hr
基
准
面
水力机械必需空化余量 ?hr是一个只与机
器内部流动有关的参数，对于既定的机
器的既定工况是常数。它表示由于液体
流动而引起的叶片上最低压力点处相对
于机器低压侧压力的降低，称为 动压降 。
它是水力机械内部空化性能的度量，而
与机器的安装位臵和液体性质无关。在
一定的外界条件下,?hr的值越小, pK的
值越高，则发生空化的可能性就越小。
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NPSH（ Net Positive Suction Head）
cavitation margin
S
Va
Sa Hg
pH
g
ph
?????? 0
0 ?
??
?ha的计算
对水轮机
SVaaa HHHh ????
空化的发生过程
?ha> ?hr 无空化
?ha= ?hr 空化初生
?ha< ?hr 空化发展
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?hr的测量
能量法
临界值的确定
安全余量
[?hr]= ?hcr+K
根据：空化初生时, ?hr= ?ha
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（三）吸出（入）真空度
S
S
S
aSa
V Hg
cH
g
pp
g
ppH
?????
????
0
2
0
2??
[HV]的值由试验确定
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二、无因次空化参数
（一）空化（或空蚀）系数
H
N P S H
H
h aa
P ?
???装臵空化系数
水力机械空化系数
H
N P S H
H
h rr ????
初生空化条件 ?p＝ ?
空化相似准则 ?p＋ ?
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（二）空化（或空蚀）比转速
∵ ?hr正比于 H
∴ 可定义
43
62.5
r
V
h
qnC
?
?
效率为主,C=600~800；
兼顾效率和空化,C=800~1100；
空化性能为主,C=1100~1600；
特殊要求 （ 例如对火箭推进泵 ）, C＞ 5500。
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吸入比转速
43
r
V
N P S H
qnS ?
? ? 43r
V
a hg
qK
?
? ?无量纲
? ? 4343
43
43 ??
qq
r
V n
H
Hn
h
qnS ??
?
?
4343 54.162.5 ??
sq nnC ??
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三,泵的空化性能与入流角度的关系
这一部分内容不再讲述，有兴趣可参阅有关书籍。
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四,水力机械的安装高度
g
w
g
chH
g
pH
g
ph LL
rS
Va
Sa 22
2
2
2
10
0 ??
?? ????????? ??
HKH S ?? ????? 9000.10水轮机
HH S )(9000.10 ?? ??????
安全余量的选择,关系重大
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吸出高基准与安装基准
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泵的吸入高基准面与安装高程基准面相同
)(00 KhHHHH rSVaSZ ??????? ?
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用允许吸入真空度计算
S
S
VSZ Hg
cHH
????? 0
2
2][
非标准状况下允许吸入真空度的换算
24.033.10][][ ???????? VaaVV HHHH
g
cHHH S
SVSZ 2][
2
0 ????? ?
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第三节 空化与空蚀的防护与改善措施
一、设计
1、合理确定叶轮低压侧的几何尺寸
DS cL
wL
g
w
g
cN P S H LL
r 22
2
2
2
1 ?? ??
最优值,
30
n
qKD V
e ?
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2、下环（前盖板）圆弧半径和进口边位臵
4、采用诱导轮
3、采用双吸叶轮
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诱导轮
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5、采用超空化翼型
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超空化螺旋桨
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二、制造
1、提高加工精度和表面光洁度
2、采用耐空蚀破坏的材料
3、表面处理提高材料耐空蚀性能
三、安装
合理确定吸出（入）高度
四、运行
适当限制运行工况（水轮机的补气）
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运行工况
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五、维修
? 采用耐空蚀材料补焊
? 表面喷、涂耐空蚀材料
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第四章内容总结
空化与空蚀机理
空化现象
空化核子
空化数
对外特性的影响
溃灭过程
临界压力
空化的分类
水力机械
空化参数
NPSHr
?
S(c)
HV
NPSHa
?p
NPSHcr
?cr
空化相似律
NPSHr=K·H
?r=const
S(C)=const
比例效应
基准面
粘性
空化核子
拉应力 时间
空化与空蚀的防护
设计
叶轮几何尺寸
诱导轮
超空化翼型
制造
加工精度
材料
安装
吸入高度
运行 维修
安全工况
补焊
表面喷涂
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