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第四章 水力机械空化与空蚀

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“三创”教育工作座谈会 ·张澍

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§4-1 汽蚀现象 在某个温度下，压力低到某一值时，液体发生汽化，此压力称为该温度下的汽化压力，一般用 pv 表示。液体流动过程中，如果某一部位的压力低于某一临界压力（一般情况，该临界压力与水的汽化压力接近）时，溶解于水的气体逸出，形成空泡（空穴），当空泡随水流运动到压力较高的地方时，空泡迅速凝结而溃灭。

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§ 4-1 汽蚀现象 • 某温度 T 下→临界压力（ Pv 一

般）→空泡→向高压区移动→溃灭凝结→破坏（疲劳破坏，剥蚀、电化学）→噪音，性能下降。

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§ 4-2 汽蚀性能参数 • 一、汽蚀余量 NPSH• 在泵进口（尾水管出口）所具有的高出汽化压力的富裕（余）能

头，其大小以换算到基准面的水柱高表示

• 二、必须汽蚀余量 • 叶轮内压力最低点的压力等于汽化压力时，机器的汽蚀余量

• C0——叶片进口前（水轮机出口）液流的绝对速度• W0——相对速度• ——流速分布不均系数。由试验得出，是泵的固有参数21,

r

p

g

cph vssa

)

2(

2

g

w

g

chr 22

20

2

20

1

叶栅空化数叶栅空化数

2

2

1

w

ppK v

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§ 4-2 汽蚀性能参数 ① S-0列能量方

程0

200

0

2

22 sss

s hg

cpZ

g

cpZ

kkkk

k hg

u

g

wpZ

g

u

g

WpZ 0

2220

200

0 2222

vp

② 0-k列相对运动伯努利方程

③= + -① ② kskk

skvkvss h

g

uu

g

c

g

wwZZ

ppp

g

cp

222)(

2

220

20

20

22

即：ppp

h vka

g

c

w

w

g

wh

g

uu

g

c

g

wwZZ

ph k

kskk

skr 2)1(]1)[(

2222

202

0

20

220

20

20

2

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§ 4-2 汽蚀性能参数 g

c

w

w

g

wh

g

uu

g

c

g

wwZZh k

kskk

skr 2)1(]1)[(

2222

202

0

20

220

20

20

2

0 sk ZZ 02

220 g

uu k

即：

g

w

w

w

g

w k

2]1)[(

2

20

22

0

20

g

ch ks 2

20

g

c

g

c

22)1(

20

1

20

ra hh ar hh 要求临界汽蚀余量 ：效率下降 1%~3% 时所对应的 crh实际中一般认为：

rcr hp

h

ah

当初生空化（出现第一个空化空泡）时 g

w

g

chr 22

20

2

20

1

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§ 4-2 汽蚀性能参数 三、有效汽蚀余量（装置汽蚀余量）1 、定义它是装置提供给泵（水轮机）的汽蚀余量2 、表达式：列进水池和水泵进口（水轮机出口）

3 、　　　　 的关系 a. 　　与装置无关，　　与装置有关 b. 　　越小，抗汽蚀性能越好

四、允许汽蚀余量保证不发生汽蚀的最低汽蚀余量

实际中常用　　　代替　　：K— 安全余量

wss

ge h

g

cpH

p

2

2

v

wgevss

a

phH

pp

g

cph

2

2

得ar hh 与

rhrh ah

Khh r ][

crh rh Khh cr ][

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§ 4-2 汽蚀性能参数 五、允许吸上真空高 [Hs]′1 、定义：使之不发生气蚀，泵进口（水轮机出口）所允许的最大真空度2 、表达式

要不发生汽蚀 , 当 时 , 有最大值

当不是标准状态时必须修正

即

sa

s

ppH

v

asa

s

ph

g

cpH

2

2得 得

][ hha ][ hha sH

vsa

s

ph

g

cpH

][

2][

2

vvaass

vsas

vsas

ppppHH

ph

g

cpH

ph

g

cpH

][][

][2

][

][2

][

2

2

va

s

ppHH

24.033.10][][

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§ 4-2 汽蚀性能参数

七、安装高度的确定

— 压力最低点到进水池面（水轮机下游水面）1 ）　　　已知由有效汽蚀余量公式

得

H

hr

H

hap

)ahomT(p

gH

][ h

v

wge

a

phH

ph

要求水泵不发生汽蚀 ][ hha

][ hp

hHp

h vwg

ea

v

we

g

phh

pH

][即

六、汽蚀系数 水力机械的汽蚀系数

装置空化系数 ( 托马系数 )

wss

ge h

g

cpH

p

2

2

v

wgevss

a

phH

pp

g

cph

2

2

进水池面与泵进口列能量方程进水池面与泵进口列能量方程

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§ 4-2 汽蚀性能参数 对于水轮机：　　　　　，　　　　　安全系数，比转速愈高　　的值越大，HKh ][ 2.2~05.1K K

Hh )(][ 0wh 90033.10

ep

3299.0~0889.0

vp

HKH g

900

0.10

11DKHH gSZ

v

we

g

phh

pH

][

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§ 4-2 汽蚀性能参数 11DKHH gSZ

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§ 4-2 汽蚀性能参数 2 ） [Hs] 已知列进水池面与泵进口断面

要求

wss

ge h

g

cpH

p

2

2

sa

s

ppH

wgsea

S hHg

cppH

2

2

][ ss HH

wsea

sg

swgsea

s

hg

vppHH

HhHg

cppH

2][

][2

2

2

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§ 4-2 汽蚀性能参数

a),b),c) 为常规泵； d),e),f) 为大型泵

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§ 4-2 汽蚀性能参数 • 八、汽蚀比转速• 汽蚀余量或吸上（吸出）真空度（高），只能说明某台机器汽蚀性能的好

坏，而不能比较不同机器的汽蚀性能，为此引进包括设计参数在内的综合汽蚀性能相似特征参数——汽蚀比转速 C 。

• 1 、汽蚀相似律• 由必需汽蚀余量的定义

• 当两台泵进口，几何相似，运动相似则有

g

w

g

chr 22

20

2

20

1 1,12

021

w

wk

202

201

202

201

MMMM

PPP

rM

rP

wc

wc

h

h

• 几何相似时，可以认为 MPMP 2211 ,

• 由运动相似 2

1

121

21

202

201

202

201 )(

MM

PP

M

P

MMMM

PPP

rM

rP

nD

nD

u

u

wc

wc

h

h

• 对于同一台泵，当转速变化时 22

1

1 )()(M

P

M

P

M

P

rM

rP

n

n

n

n

D

D

h

h

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§ 4-2 汽蚀性能参数 • 2 、汽蚀比转速

• 我国习惯上用

水轮机

2

1

1

1

13

2

2

)(

)(

M

P

M

P

rM

rP

M

P

M

P

M

P

M

P

n

n

D

D

h

h

D

D

n

n

D

D

Q

Q消去

Ch

Qn

h

Qn

h

Qn

rrM

MM

rP

PP

4/34/3

2/1

4/3

2/1

国外采用

4/3

62.5

rh

QnC

62.510 4/3 泵

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• ① 　　大，则 C 小，抗汽蚀能差• ② 是设计工况下的参数计算而得• ③ 有因次• ④ C 值的大小与扬程无关• ⑤

3、说明：

• 九、空化的防护措施• 1 、从流体机械本身着手• ① 降低　　，• 　　　——加大 Ds 适当→　　减少， us 大　　大• 　　　——加大 bs （进口前伸）• ② 双吸叶轮——对于泵• ③ 加大下环的锥角和曲率半径——对于低比转速• ④ 加工精度• ⑤ 诱导轮• ⑥ 超空化翼型

rh

4/34/313.3

62.5

H

Qnn

h

QnC s

r

4/3795.1

snC

0c 0w

0c 0w

0w0c

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§ 4-2 汽蚀性能参数 • 九、空化的防护措施• 1 、从流体机械本身着手• 2 、从装置本身着手

][00 h

phH

ph v

sga

补气等减少吸入管损失降低安装高

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空化的防护措施　（从流体机械本身着手）

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空化的防护措施　（从流体机械本身着手）

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空化的防护措施　（从流体机械本身着手）