《流体机械原理》课程教学课件（讲稿）第十三讲 水力机械的空化

第十三讲水力机械的空化 1、空化的相似率 2、空化的比例效应 3、空化的热力效应 4、改善空化性能的措施和空化的防护 2008-5-1

2008-5-1 1 第十三讲 水力机械的空化 水力机械的空化 1、空化的相似率 、空化的相似率 2、空化的比例效应 、空化的比例效应 3、空化的热力效应 、空化的热力效应 4、改善空化性能的措施和空化的防护 、改善空化性能的措施和空化的防护

1、空化系数的相似性 不考虑空泡对流动的影响，仅从流动相似的角度 来考虑： 1)由于W∝H,V2∝H,因此，相似水力机械 在相似工况下的空化系数相等。 2)对泵的空化比转速，在相似工况下相等。 (以上相似原理只在未发生空化时的流动相似) 在模型与真机装置空化系数相等的条件下，模型与 真机的最低压力和汽化压力的差值相等， 即： (P-R)p=(P-P)m 它表示原型和模型的空化发展程度是相似的。 俱在实际工程中，存在比例效应和热力学效应。 2ǒ

2008-5-1 2 1、空化系数的相似性 、空化系数的相似性 不考虑空泡对流动的影响，仅从流动相似的角度 不考虑空泡对流动的影响，仅从流动相似的角度 来考虑： 1）由于 ，因此，相似水力机械 ，因此，相似水力机械 在相似工况下的空化系数相等。 在相似工况下的空化系数相等。 2）对泵的空化比转速，在相似工况下相等。 ）对泵的空化比转速，在相似工况下相等。 (以上相似原理只在未发生空化时的流动相似） 以上相似原理只在未发生空化时的流动相似） 在模型与真机装置空化系数相等的条件下，模型与 在模型与真机装置空化系数相等的条件下，模型与 真机的最低压力和汽化压力的差值相等， 真机的最低压力和汽化压力的差值相等， 即： 它表示原型和模型的空化发展程度是相似的。 它表示原型和模型的空化发展程度是相似的。 但在实际工程中，存在比例效应和热力学效应。 但在实际工程中，存在比例效应和热力学效应。 W ∝ H V ∝ H 2 2 , ( ) ( ) Pk v − P P p = −k Pv m

2、空化的比例效应 空化的比例效应体现在： (1)Re数的影响：a、对水力损失的影响；b、对流动的影响一不 能完全保证原、模型叶片翼型上的压力分布相同。（空化前） (2) 液体中含气量（空化核）的差别。空化核越多，空化初生越 早。（初生空化） (3)空化发生后，流动成为两相流。同时模型的空化系数通常都 是用能量法确定的，所测的临界空化系数都是在空化发展到 定程度时的空化系数，所以很难保证原、模型临界空化系 数相等（如能量特性的差别）。 (4)绝对尺寸和流速的影响。空泡的产生和成长需要一定的拉应 力和时间，尺寸和流速直接影响拉应力的大小和持续时间。 工程中，泵的空化比例效应一般忽略不计：对于水轮机，通常用 经验公式修正。 2008-5-1

2008-5-1 3 2、空化的比例效应 、空化的比例效应 空化的比例效应体现在： 空化的比例效应体现在： （1）Re数的影响：a、对水力损失的影响； 、对水力损失的影响；b、对流动的影响 、对流动的影响—不 能完全保证原、模型叶片翼型上的压力分布相同。（空化前） 能完全保证原、模型叶片翼型上的压力分布相同。（空化前） （2）液体中含气量（空化核）的差别。空化核越多，空化初生越 ）液体中含气量（空化核）的差别。空化核越多，空化初生越 早。（初生空化） 早。（初生空化） （3）空化发生后，流动成为两相流。同时模型的空化系数通常都 ）空化发生后，流动成为两相流。同时模型的空化系数通常都 是用能量法确定的，所测的临界空化系数都是在空化发展到 是用能量法确定的，所测的临界空化系数都是在空化发展到 一定程度时的空化系数，所以很难保证原、模型临界空化系 一定程度时的空化系数，所以很难保证原、模型临界空化系 数相等（如能量特性的差别）。 数相等（如能量特性的差别）。 （4）绝对尺寸和流速的影响。空泡的产生和成长需要一定的拉应 ）绝对尺寸和流速的影响。空泡的产生和成长需要一定的拉应 力和时间，尺寸和流速直接影响拉应力的大小和持续时间。 力和时间，尺寸和流速直接影响拉应力的大小和持续时间。 工程中，泵的空化比例效应一般忽略不计：对于水轮机，通常用 工程中，泵的空化比例效应一般忽略不计：对于水轮机，通常用 经验公式修正。 经验公式修正

2.1原、模型尺寸及水头不同对空化的影响 原、模型尺寸及水头不同对空化的影响 1、低压区经历的时间： 因 则 m 一般模型的尺寸远小于真机，水头也小于真机，综合后， t切，从这个角度而言，真机比模型的空化程度严重。 2008-5-1

2008-5-1 4 2.1原、模型尺寸及水头不同对空化的影响 原、模型尺寸及水头不同对空化的影响 原、模型尺寸及水头不同对空化的影响 原、模型尺寸及水头不同对空化的影响 1、低压区经历的时间： 、低压区经历的时间： 因 则： 一般 模型的尺寸远小于真机，水头也小于真机，综合后， 尺寸远小于真机，水头也小于真机，综合后， tm<tp,从这个角度而言，真机比模型的空化程度严重。 从这个角度而言，真机比模型的空化程度严重。 p p m m D L D L = W L t = m p p m p m H H D D t t 1 1 =

2.1原、模型尺寸及水头不同对空化的影响 2、水头不同 水头不同，液体承受的拉应力不同： 一般模型水头小于真机，从这个角度而言，真机比模型的空 化程度严重。 综合一、二两因素：模型和真机的空化系数修正公 式： H G p=on+m(1-m)(G-om),m<1 H。 其中O为开始发生空化时的空化系数，Om,Op为外 特性急剧变化时的模型和真机的空化系数 2008-51

2008-5-1 5 2.1原、模型尺寸及水头不同对空化的影响 原、模型尺寸及水头不同对空化的影响 2、水头不同 水头不同，液体承受的拉应力不同： 水头不同，液体承受的拉应力不同： 一般 模型水头小于真机， 模型水头小于真机，,从这个角度而言，真机比模型的空 从这个角度而言，真机比模型的空 化程度严重。 综合一、二两因素：模型和真机的空化系数修正公 综合一、二两因素：模型和真机的空化系数修正公 式： 其中 为开始发生空化时的空化系数， 为开始发生空化时的空化系数， ， 为外 特性急剧变化时的模型和真机的空化系数 特性急剧变化时的模型和真机的空化系数 m p m p H H Z Z = 1 (1 )( ), 1 m p m m p H m m H σ σ= + − σ −σ < σ 1 σ m σ p

2.2、含气量的影响 含气量的影响表现在： 。液体中空化核子含量越高，最大空化核子的尺寸越大，则液 体的抗拉强度越低，空化初生的压力越高。 。试验证明：含气量由0.25%增加到1.5%时，水轮机的空化系数 增加约26%。 空化试验时，介质洁净，实际工作的原型机中，介质杂质含 量高，较模型更容易发生空化。 设a为含气量，真机模型的空化系数换算关系 为： 0=om+8.48( m 2008-5-1 6

2008-5-1 6 2.2、含气量的影响 、含气量的影响 含气量的影响表现在： 含气量的影响表现在： z 液体中空化核子含量越高，最大空化核子的尺寸越大，则液 液体中空化核子含量越高，最大空化核子的尺寸越大，则液 体的抗拉强度越低，空化初生的压力越高。 体的抗拉强度越低，空化初生的压力越高。 z 试验证明：含气量由 试验证明：含气量由0.25%增加到1.5%时, 水轮机的空化系数 水轮机的空化系数 增加约26%。 z 空化试验时，介质洁净；实际工作的原型机中，介质杂质含 空化试验时，介质洁净；实际工作的原型机中，介质杂质含 量高，较模型更容易发生空化。 量高，较模型更容易发生空化。 设a 为含气量，真机模型的空化系数换算关系 为含气量，真机模型的空化系数换算关系 为： 8.48( ) m m p p p m H a H a σ = σ + −

2.3、雷诺数的影响 雷诺数的影响表现在： 2g 而 n=1吐M,3 因而，对水泵，雷诺数增加，相对损失减少， 空化系数减少，对水轮机，空化系数则增加。 对水轮机可作如下修正： 0p=m1.17 1 hm 2008-5-1 7

2008-5-1 7 2.3、雷诺数的影响 、雷诺数的影响 雷诺数的影响表现在： 雷诺数的影响表现在： 而 因而，对水泵，雷诺数增加，相对损失减少， 因而，对水泵，雷诺数增加，相对损失减少， 空化系数减少，对水轮机，空化系数则增加。 空化系数减少，对水轮机，空化系数则增加。 对水轮机可作如下修正： 对水轮机可作如下修正： 2 2 2 2 l l v W C g g H λ η σ + = 2 5 1 /( ) 2 l c l C h g η = ± ∆ − 1 .1 7 h p p m h m η σ σ = η

3、空化的热力效应 问题的提出： 。泵可能要在热力学特性有很大变化的各种介质中使用。 ● 液体的热力学特性主要影响空化空泡与周围液体的热 交换，导致空泡周围局部温度和汽化压力的变化→ 空化性能的变化。 ● 对水轮机，一般由于真机和模型的工作介质一般为常 温水，所以不考虑空化的热力效应。 2008-5-1 8

2008-5-1 8 3、空化的热力效应 空化的热力效应 问题的提出： z 泵可能要在热力学特性有很大变化的各种介质中使用。 泵可能要在热力学特性有很大变化的各种介质中使用。 z 液体的热力学特性主要影响空化空泡与周围液体的热 液体的热力学特性主要影响空化空泡与周围液体的热 交换，导致空泡周围局部温度和汽化压力的变化 交换，导致空泡周围局部温度和汽化压力的变化 ⇒ 空化性能的变化。 空化性能的变化。 z 对水轮机，一般由于真机和模型的工作介质一般为常 对水轮机，一般由于真机和模型的工作介质一般为常 温水，所以不考虑空化的热力效应。 温水，所以不考虑空化的热力效应

3.1液体的热力学特性对空化发展的影响 液体的热力学特性对空化发展过程的影响 压力下降到汽化压力时，液体汽化，空泡生成；长大 时吸热→导致周围流体温度降低，汽化压力下降→阻 止气泡的生长。只有压力进一步下降时，空泡继续长 大。 。 压力高于汽化压力时，已形成的空泡凝缩放热→导致 周围流体温度升高，汽化压力上升→阻止气泡的凝缩。 只有压力进一步上升时，空泡继续凝缩。 。因此在空泡的发生、发展、溃灭过程中，泡内压力是 变化的；由于热力学特性的影响，发生和溃灭均有时 间上的滞后。 2008-5-1 9

2008-5-1 9 3.1 液体的热力学特性对空化发展的影响 液体的热力学特性对空化发展的影响 „ 液体的热力学特性对空化发展过程的影响 液体的热力学特性对空化发展过程的影响 z 压力下降到汽化压力时，液体汽化，空泡生成；长大 压力下降到汽化压力时，液体汽化，空泡生成；长大 时吸热⇒导致周围流体温度降低，汽化压力下降 导致周围流体温度降低，汽化压力下降⇒阻 止气泡的生长。只有压力进一步下降时，空泡继续长 止气泡的生长。只有压力进一步下降时，空泡继续长 大。 z 压力高于汽化压力时，已形成的空泡凝缩放热 压力高于汽化压力时，已形成的空泡凝缩放热⇒导致 周围流体温度升高，汽化压力上升 周围流体温度升高，汽化压力上升⇒阻止气泡的凝缩。 阻止气泡的凝缩。 只有压力进一步上升时，空泡继续凝缩。 只有压力进一步上升时，空泡继续凝缩。 z 因此在空泡的发生、发展、溃灭过程中，泡内压力是 因此在空泡的发生、发展、溃灭过程中，泡内压力是 变化的；由于热力学特性的影响，发生和溃灭均有时 变化的；由于热力学特性的影响，发生和溃灭均有时 间上的滞后

3.2热力学效应对泵空化性能的影响 蒸汽形成参数B1:液体静压水头降低1m液柱时，空泡 区内相成的蒸汽体积与液体体积之比。 103 ●B可用来判断空泡的发展程度。 o ●水的B随温度有显著的变化：温 1o9 度从30→300℃，B1从103→10-3 10-2 ●随着温度的升高，泵的空化性 10- 2060100140180220260300340 能得到明显改善。所以在空化 1/℃ 性能换算时，应考虑热力学影 100 响。 2=19.0L/s -26℃ -135℃ 145.5℃ 0.8 16 2008-5-1 △h/m

2008-5-1 10 3.2 热力学效应对泵空化性能的影响 热力学效应对泵空化性能的影响 蒸汽形成参数B1 ：液体静压水头降低 ：液体静压水头降低1m液柱时，空泡 区内相成的蒸汽体积与液体体积之比。 区内相成的蒸汽体积与液体体积之比。 z B1可用来判断空泡的发展程度。 z 水的B1随温度有显著的变化:温 度从30⇒300℃， B1从103⇒10-3 z 随着温度的升高，泵的空化性 能得到明显改善。所以在空化 性能换算时，应考虑热力学影 响