《流体机械原理》课程教学课件（讲稿）第十一讲 水轮机、水泵的空化现象 Introduction of Cavitation in hydraulic machinery

第十一讲水轮机、水泵的空化现象简介 Introduction of Cavitation in hydraulic machinery 1、空化机理 Cavitation Mechanics 2、空蚀机理 Cavitation Mechanics 3、空化类型 Type of Cavitation 4、水洞叶栅汽蚀试验Cavitation in Hydrofoil Cascade 5、空化的危害 Cavitation Damage 6、水轮机的空化与空蚀Cavitation and Erosion in water turbine 7、水泵的空化与空蚀Cavitation and Erosion in pump 8、空蚀评定标准 Cavitation Assessment 2008-5-1

2008-5-1 1 第十一讲 水轮机、水泵的空化现象简介 水轮机、水泵的空化现象简介 Introduction of Introduction of Cavitation in hydraulic machinery Cavitation in hydraulic machinery 1、空化机理 Cavitation Mechanics Cavitation Mechanics 2、空蚀机理 Cavitation Mechanics Cavitation Mechanics 3、空化类型 Type of Cavitation Type of Cavitation 4、水洞叶栅汽蚀试验 水洞叶栅汽蚀试验 Cavitation in Hydrofoil Cavitation in Hydrofoil Cascade Cascade 5、空化的危害 Cavitation Damage Cavitation Damage 6、水轮机的空化与空蚀 水轮机的空化与空蚀 Cavitation and Erosion in Cavitation and Erosion in water turbine water turbine 7、水泵的空化与空蚀 水泵的空化与空蚀 Cavitation and Erosion in Cavitation and Erosion in pump 8、空蚀评定标准 、空蚀评定标准 Cavitation Assessment Cavitation Assessment

1.1、空化机理一空化现象 Cavitation Mechanics 空化与空蚀是以液体为工作介质的流体机械（水力机械）中可 能出现的一种特有物理现象。 一、 空化现象 对于任何液体： ■在恒压下加热，温度上升到某一温度时，开始汽化，形成汽泡，→沸腾。 在恒温下降压，压力下降到某一临界压力（汽化压力）时，也会汽化， 溶解在液体中的气体析出，→形成汽泡（空泡、空穴） 空泡随流运动到压力较高的地方后，泡内的蒸汽重新凝结，气泡溃灭。 气泡经历了生成、发展、溃灭的过程，同时通常还伴有一系列物理和化 学变化 水力机械中，由于压力的下降而导致的液流内气泡的生成、发展、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 2008-5-1 2

2008-5-1 2 1.1、空化机理－空化现象 、空化机理－空化现象 Cavitation Mechanics Cavitation Mechanics 空化与空蚀是以液体为工作介质的流体机械（水力机械）中可 空化与空蚀是以液体为工作介质的流体机械（水力机械）中可 能出现的一种特有物理现象 能出现的一种特有物理现象。 一、空化现象 对于任何液体： 对于任何液体： „ 在恒压下加热，温度上升到某一温度时，开始汽化，形成汽泡，⇒沸腾。 „ 在恒温下降压，压力下降到某一临界压力（汽化压力）时，也会汽化， 溶解在液体中的气体析出，⇒形成汽泡（空泡、空穴） „ 空泡随流运动到压力较高的地方后，泡内的蒸汽重新凝结，气泡溃灭。 „ 气泡经历了生成、发展、溃灭的过程，同时通常还伴有一系列物理和化 学变化 „ 水力机械中，由于压力的下降而导致的液流内气泡的生成、发展、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

1.2、空化机理一空化初生 Cavitation Mechanics-Cavitation Inception 空化的初生 实验表明：纯净的液体能够承受拉应力。目前所测到的纯水的 最大抗拉强度为26-27MPa。 。实际生活中，普通水根本不能承受拉应力。温度=20℃的水， 当压力为0.24mH20时（即汽化压力Pv=0.24mH20),水的连续性被破 坏而汽化。 。液体中存在杂质是导致不能承受拉应力的根本原因。除了固体 表面和液体中不可避免的含有一定数量的悬浮的固体粒子外： 主要杂质是未溶解的气体-一称为气核（空化核） 。空化核是导致空化的根本原因（内因），压力降则是外因。 空化初生不仅与压力有关，而且还与液体本身的特性有关（含 空化核的多少) 2008-5-1 3

2008-5-1 3 1.2、空化机理－空化初生 、空化机理－空化初生 Cavitation Mechanics Cavitation Mechanics-Cavitation Inception Cavitation Inception 二、空化的初生 二、空化的初生 z 实验表明：纯净的液体能够承受拉应力。目前所测到的纯水的 实验表明：纯净的液体能够承受拉应力。目前所测到的纯水的 最大抗拉强度为 最大抗拉强度为26-27MPa。 z 实际生活中，普通水根本不能承受拉应力。温度 实际生活中，普通水根本不能承受拉应力。温度t=20℃的水， 当压力为0.24mH2O时(即汽化压力Pv=0.24mH =0.24mH2O),水的连续性被破 水的连续性被破 坏而汽化。 z 液体中存在杂质是导致不能承受拉应力的根本原因。除了固体 液体中存在杂质是导致不能承受拉应力的根本原因。除了固体 表面和液体中不可避免的含有一定数量的悬浮的固体粒子外； 表面和液体中不可避免的含有一定数量的悬浮的固体粒子外； 主要杂质是未溶解的气体 主要杂质是未溶解的气体-称为气核（空化核） 称为气核（空化核） z 空化核是导致空化的根本原因（内因），压力降则是外因。 空化核是导致空化的根本原因（内因），压力降则是外因。 空化初生不仅与压力有关，而且还与液体本身的特性有关（含 空化初生不仅与压力有关，而且还与液体本身的特性有关（含 空化核的多少） 空化核的多少）

1.3、空化机理 Cavitation Mechanics 三、空化发展和溃灭 实验表明：压力下降到液体汽 化压力附近时，气核开始形成 初始附着空泡 空泡顶部受扰动 射流冲击在表面上 气泡一初生；随着压力进一步 a)附着壁面的半球形空泡 下降，气泡在随流过程中进一 流向 步长大一发展；进入高压区 后，气泡不断缩小直到溃灭。 新的较小的空泡再生-称为回 初始球形空泡 高压一侧变扁 弹，然后重复上述过程。 雍续演哭 芳翻锅甏 初生一发展溃灭的过程是一个 b)空泡移人压力梯度区 复杂的动力学过程。与气泡本 身的参数、液体的粘性、表面 张力、可压缩性和惯性等物理 KO 性质有关。还与气体的扩散、 m 7h7 溶解、热传导等有关。当空泡 初始球形空泡 离表面远一 侧受到扰动 壶霜华餐辛合 射流的形成 中含有其它永久性气体时，其 c)空泡近边壁溃灭 发育、溃灭的过程虽有不同，但 类述过程。 4

2008-5-1 4 1.3、 空化机理 Cavitation Mechanics Cavitation Mechanics 三、空化发展和溃灭 实验表明：压力下降到液体汽 化压力附近时，气核开始形成 气泡—初生；随着压力进一步 下降，气泡在随流过程中进一 步长大—发展；进入高压区 后，气泡不断缩小直到溃灭。 新的较小的空泡再生-称为回 弹，然后重复上述过程。 初生—发展-溃灭的过程是一个 复杂的动力学过程。与气泡本 身的参数、液体的粘性、表面 张力、可压缩性和惯性等物理 性质有关。还与气体的扩散、 溶解、热传导等有关。当空泡 中含有其它永久性气体时，其 发育、溃灭的过程虽有不同,但 类似上述过程

2、空蚀机理 Cavitation Erosion Mechanics 空泡溃灭bubble collapse)的过程如果发生在固体表面及其 附近，会使材料受到破坏。这种由空化引起的材 料破坏，称为空蚀。 (1)机械作用理论 机械作用的理论被学界广泛认同： A、冲击压力波模式 空泡溃灭中心辐射出来的冲击压力波导致空蚀。 B、微射流模式 空泡溃灭时形成微射流造成空蚀。微型射流速度可以很 高，通常可达100~300m/s。学者库克的估算（水）： P=1.4 VMPa (V一射流速度)若V=200m/s→P=280MPa。该 脉冲压力足以破坏材料的晶粒，同时也导致材料的疲劳 破坏。特点：能量集中程度高，作用时间短

2008-5-1 5 2、空蚀机理 Cavitation Erosion Mechanics Cavitation Erosion Mechanics 空泡溃灭 (bubble collapse bubble collapse)的过程如果发生在固体表面及其 的过程如果发生在固体表面及其 附近，会使材料受到破坏。这种由空化引起的材 附近，会使材料受到破坏。这种由空化引起的材 料破坏，称为空蚀。 料破坏，称为空蚀。 （ 1）机械作用理论 ）机械作用理论 机械作用的理论被学界广泛认同： 机械作用的理论被学界广泛认同： A、冲击压力波模式 、冲击压力波模式 空泡溃灭中心辐射出来的冲击压力波导致空蚀。 空泡溃灭中心辐射出来的冲击压力波导致空蚀。 B、微射流模式 空泡溃灭时形成微射流造成空蚀。微型射流速度可以很 空泡溃灭时形成微射流造成空蚀。微型射流速度可以 很 高，通常可达100~300m/s 100~300m/s。学者库克的估算（水）： 。学者库克的估算（水）： P=1.4VMPa (V P=1.4VMPa (V—射流速度 ) 若V=200m/s V=200m/s ⇒P=280MPa P=280MPa 。 该 脉冲压力足以破坏材料的晶粒，同时也导致材料的疲劳 脉冲压力足以破坏材料的晶粒，同时也导致材料的疲劳 破坏。特点：能量集中程度高，作用时间短。 破坏。特点：能量集中程度高，作用时间短

2、空蚀机理 Cavitation and Erosion 空蚀机理 (2)热力熔化理论 当空泡高速受压后，汽相高速凝结，从而放出大量的热， 使材料融化造成破坏。 (3)电化腐蚀理论 该理论的必要条件是有电流形成。 。热电效应：冲击导致局部温度上升→产生温度梯度→热 电偶，形成电流→电解作用使材料破坏。 。应力电化效应：局部产生交变高应力→晶格之间应力差 →金属内部微小电池变形，形成电势差。 。应变电化效应。 边累层放电电化效应。 6

2008-5-1 6 2、空蚀机理 Cavitation and Erosion Cavitation and Erosion 空蚀机理 （2）热力熔化理论 ）热力熔化理论 当空泡高速受压后，汽相高速凝结，从而放出大量的热， 当空泡高速受压后，汽相高速凝结，从而放出大量的热， 使材料融化造成破坏。 使材料融化造成破坏。 （3）电化腐蚀理论 ）电化腐蚀理论 该理论的必要条件是有电流形成。 该理论的必要条件是有电流形成。 z 热电效应：冲击导致局部温度上升 热电效应：冲击导致局部温度上升⇒产生温度梯度⇒热 电偶，形成电流 电偶，形成电流⇒电解作用使材料破坏。 电解作用使材料破坏。 z 应力电化效应：局部产生交变高应力 应力电化效应：局部产生交变高应力⇒晶格之间应力差 ⇒金属内部微小电池变形，形成电势差。 内部微小电池变形，形成电势差。 z 应变电化效应。 应变电化效应。 z 边界层放电电化效应。 边界层放电电化效应

3、空化类型 Type of Cavitation 1)按空化发生的部位分： 一翼型空化 -间隙空化 一局部空化 -空腔空化 OUo-3

2008-5-1 7 3、空化类型 Type of Type of Cavitation Cavitation 1） 按空化发生的部位分： 按空化发生的部位分： –翼型空化 –间隙空化 –局部空化 –空腔空化

3、空化类型（续） Type of Cavitation 2)按空化发生的过程分： -空泡空化（游动型空化） -薄膜空化（带状空化） -脱流空化 一超空化 汽卷发生区 婴wwwu 气泡凝区 2008-5-1

2008-5-1 8 3、空化类型（续） Type of Type of Cavitation Cavitation 2） 按空化发生的过程分： 按空化发生的过程分： –空泡空化（游动型空化） 空泡空化（游动型空化） –薄膜空化（带状空化） 薄膜空化（带状空化） –脱流空化 –超空化

4、水洞叶栅汽蚀试验 Cavitation in hydrofoil cascade 2008-5-1 9

2008-5-1 9 4、水洞叶栅汽蚀试验 、水洞叶栅汽蚀试验 Cavitation in hydrofoil cascade

4、水洞叶栅汽蚀试验 (续) Cavitation in hydrofoil cascade 2008-5-1 10

2008-5-1 10 4、水洞叶栅汽蚀试验（续） 、水洞叶栅汽蚀试验（续） Cavitation in hydrofoil cascade