水輪機空化講稿

1、沒有空化與空蝕的葉片沒有空化與空蝕的葉片空蝕后的葉片空蝕后的葉片 水輪機的空化與空蝕是水輪機運行中一水輪機的空化與空蝕是水輪機運行中一種常見的現(xiàn)象種常見的現(xiàn)象, ,它對水輪機的運行質(zhì)量有很它對水輪機的運行質(zhì)量有很大影響大影響, ,同時嚴重影響水輪機的安全與壽命同時嚴重影響水輪機的安全與壽命. .有人稱空化與空蝕是水輪機的有人稱空化與空蝕是水輪機的“癌癥癌癥”，因此因此, ,了解空化與空蝕的機理了解空化與空蝕的機理, ,防止空化和防止空化和空蝕的發(fā)生空蝕的發(fā)生, ,減輕空化的危害有重要的意義減輕空化的危害有重要的意義.空化是水輪機流道內(nèi)部發(fā)生的一種物理現(xiàn)象，空空化是水輪機流道內(nèi)部發(fā)生的一種物理現(xiàn)

2、象，空化的發(fā)生，引起內(nèi)部流態(tài)的變化，但它可以引起化的發(fā)生，引起內(nèi)部流態(tài)的變化，但它可以引起水輪機外特性的變化，通過外特性的特征，可以水輪機外特性的變化，通過外特性的特征，可以判斷水輪機是否發(fā)生空化，并預(yù)示內(nèi)部空化的程判斷水輪機是否發(fā)生空化，并預(yù)示內(nèi)部空化的程度。就象一個人得了某種疾病，他會表現(xiàn)出一系度。就象一個人得了某種疾病，他會表現(xiàn)出一系列的異常特征一樣。所以研究外特性是作為診斷列的異常特征一樣。所以研究外特性是作為診斷疾病的重要手段之一。疾病的重要手段之一。 1894年英國驅(qū)逐艦?zāi)暧?qū)逐艦(Daring號）試航中，設(shè)計航速號）試航中，設(shè)計航速50km/h，但當(dāng)航速達到，但當(dāng)航速達到45k

3、m/h時，無論怎樣增加時，無論怎樣增加螺旋槳推進器的轉(zhuǎn)速，航速卻不能再提高了。經(jīng)螺旋槳推進器的轉(zhuǎn)速，航速卻不能再提高了。經(jīng)過認真觀察分析，發(fā)現(xiàn)了推進器的翼面發(fā)生了過認真觀察分析，發(fā)現(xiàn)了推進器的翼面發(fā)生了“空穴空穴(Cavity)”，是它妨礙了推進器的正常工作。，是它妨礙了推進器的正常工作。當(dāng)時，把這種現(xiàn)象命名為（當(dāng)時，把這種現(xiàn)象命名為（Cavitation），即空化。），即空化。 后來，在許多液體高速流動的場合都發(fā)現(xiàn)了空后來，在許多液體高速流動的場合都發(fā)現(xiàn)了空化現(xiàn)象，水輪機、水泵、閘門等流場中都會受到化現(xiàn)象，水輪機、水泵、閘門等流場中都會受到空化的影響。空化的影響。100多年來，人們對空化現(xiàn)象

4、進行了多年來，人們對空化現(xiàn)象進行了不斷的研究，逐漸揭示了空化的機理。并為空化不斷的研究，逐漸揭示了空化的機理。并為空化的防治提供了有效的措施。的防治提供了有效的措施。相同點相同點：液體的汽化液體的汽化不同點：不同點：沸騰：沸騰：液體在常壓高溫條件下的汽化。液體在常壓高溫條件下的汽化。1ata,100oC空化：空化：液體在常溫低壓條件下的汽化。液體在常溫低壓條件下的汽化。0.0024ata,20oC沸騰沸騰空化空化1）球形空泡的抗拉力球形空泡的抗拉力假定水中有一半徑假定水中有一半徑R的球形空泡，內(nèi)部壓力的球形空泡，內(nèi)部壓力Pi，外，外部壓力部壓力Po,當(dāng)空泡壁上作用的內(nèi)外壓差與表明張力當(dāng)空泡壁上

5、作用的內(nèi)外壓差與表明張力相等時，空泡處于平衡狀態(tài)。相等時，空泡處于平衡狀態(tài)。pip02RR2(pi-p0)R空泡平衡的條件：空泡平衡的條件：R2(pi-p0)=2 R p=(pi-p0)=R2平衡方程平衡方程：Rppoi 2 空空泡泡收收縮縮空空泡泡膨膨脹脹；;2:2RpRp Rppoi 2 Rpppogv 2)( gvippp 當(dāng)空泡內(nèi)部包含空氣和水蒸汽時，則空泡內(nèi)部的壓力當(dāng)空泡內(nèi)部包含空氣和水蒸汽時，則空泡內(nèi)部的壓力Pi為空氣分壓為空氣分壓Pv與與水蒸氣壓力水蒸氣壓力Pg的之和，即：的之和，即： 水蒸汽壓力即當(dāng)時溫度下的汽化壓力，為常數(shù)。故空泡平衡方程可寫為水蒸汽壓力即當(dāng)時溫度下的汽化壓力

6、，為常數(shù)。故空泡平衡方程可寫為 假定空泡的膨脹或壓縮均為等溫過程，則有假定空泡的膨脹或壓縮均為等溫過程，則有平衡方程平衡方程：RRRRppppvv 2)(2(3000 )/(074. 0222cmgRR 水的抗拉強度取決于水中氣泡的大小，純凈水的抗拉強度取決于水中氣泡的大小，純凈水中不含氣泡時，抗拉強度極大，幾乎是不可能水中不含氣泡時，抗拉強度極大，幾乎是不可能被破壞的，自然界的水中含有大量不同尺寸的氣被破壞的，自然界的水中含有大量不同尺寸的氣泡，抗拉強度很小，很容易被破壞泡，抗拉強度很小，很容易被破壞純凈水純凈水游離微氣泡游離微氣泡固體顆粒附著微氣泡固體邊壁裂隙中的固體顆粒附著微氣泡固體邊壁

7、裂隙中的微氣泡微氣泡空化核空化核 空化空泡初生空化空泡初生 空泡發(fā)育空泡發(fā)育 空泡潰滅空泡潰滅空化核階段：氣泡半徑很小，水中保持穩(wěn)定，不析出，不溶解?？栈穗A段：氣泡半徑很小，水中保持穩(wěn)定，不析出，不溶解?？栈张莩跎A段：壓力降到臨界值，空泡尺寸達到臨界值?？栈张莩跎A段：壓力降到臨界值，空泡尺寸達到臨界值?？张莅l(fā)育階段：泡內(nèi)壓力保持一定值，空泡直徑不斷增大，直至最大?？张莅l(fā)育階段：泡內(nèi)壓力保持一定值，空泡直徑不斷增大，直至最大?？张轁珉A段：進入高壓區(qū)，空泡受壓縮尺寸迅速減小，直至完全潰滅?？张轁珉A段：進入高壓區(qū)，空泡受壓縮尺寸迅速減小，直至完全潰滅。PoRmaxPv臨界點t初生發(fā)育潰

8、滅最大點汽化壓力汽化壓力方程方程4-9方程方程4-10與方程與方程4-11方程方程4-14)()322)(1,1114334,10422(2332)2094( 12)(2(0302010)0002030000300RfRRfpRpfRpRRRppppRRppRRRRRRRppdRdpRRRRppppcrcrcrvcrcrcrvcrcrcrvvv 與與（即即界半徑曲線，界半徑曲線，的空泡的臨界壓力與臨的空泡的臨界壓力與臨可求初始半徑可求初始半徑與方程與方程）利用方程）利用方程曲線；曲線；得得的關(guān)系，的關(guān)系，與外部壓力與外部壓力可求空泡半徑可求空泡半徑利用方程利用方程的空泡的空泡）當(dāng)初始半徑）當(dāng)初

9、始半徑式）式）（教材（教材方程方程：即臨界壓力即臨界壓力帶入原平衡方程求出帶入原平衡方程求出把把式）式）（教材（教材方程方程得：得：求出求出（態(tài)的空泡平衡方程：態(tài)的空泡平衡方程：為條件，可求出臨界狀為條件，可求出臨界狀空泡直徑迅速增大。以空泡直徑迅速增大。以壓，壓，力保持臨界壓力或蒸汽力保持臨界壓力或蒸汽汽的支配，特點是：壓汽的支配，特點是：壓空泡的膨脹與收縮受蒸空泡的膨脹與收縮受蒸水蒸汽為主，水蒸汽為主，狀態(tài)時，空泡內(nèi)變?yōu)橐誀顟B(tài)時，空泡內(nèi)變?yōu)橐越鐮顟B(tài)之前，達到臨界界狀態(tài)之前，達到臨界此式只適用于空泡的臨此式只適用于空泡的臨式）式）教材教材方程方程 Ro=0.110-5mRo=0.510-5m

10、Ro=1.010-5mRo=1.510-5mPv0臨界半徑軌跡臨界半徑軌跡P0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 R(10-5m)PcrPcrRcrRo教材圖教材圖4-2與圖與圖4-3水蒸汽水蒸汽 pV 空泡內(nèi)以蒸汽為主題，內(nèi)部壓力為液體汽化壓空泡內(nèi)以蒸汽為主題，內(nèi)部壓力為液體汽化壓力，環(huán)境壓力降到汽化壓力時，空泡迅速膨脹力，環(huán)境壓力降到汽化壓力時，空泡迅速膨脹 空化初生階段，空泡內(nèi)以空氣為主、水蒸汽為空化初生階段，空泡內(nèi)以空氣為主、水蒸汽為輔。臨界點后，空泡周圍的水處理輔。臨界點后，空泡周圍的水處理“沸騰沸騰”狀態(tài)，狀態(tài)，泡內(nèi)蒸汽迅速增加，空泡體積迅速增大，變?yōu)橐哉襞輧?nèi)蒸汽迅速增加，

11、空泡體積迅速增大，變?yōu)橐哉羝麨橹?。這是發(fā)育階段空泡內(nèi)保持水的汽化壓力和汽為主。這是發(fā)育階段空泡內(nèi)保持水的汽化壓力和空泡體積迅速增大的原因?？张蒹w積迅速增大的原因。水水沸騰區(qū)沸騰區(qū)空泡在百分之一至千分之一秒時間內(nèi)潰滅，形成高速射空泡在百分之一至千分之一秒時間內(nèi)潰滅，形成高速射流與微水擊，射流速度流與微水擊，射流速度100m/s100m/s以上，沖擊壓數(shù)千以上，沖擊壓數(shù)千ataata. .初生初生發(fā)育發(fā)育最大最大潰滅潰滅反彈反彈潰滅潰滅數(shù)次反復(fù)數(shù)次反復(fù)發(fā)育潰滅反彈潰滅反彈 潰滅時時所所需需時時間間。收收縮縮潰潰滅滅）從從初初始始半半徑徑利利用用此此式式可可求求空空泡泡完完全全潰潰滅滅所所需需時時間

12、間；函函數(shù)數(shù)求求積積分分，可可得得：應(yīng)應(yīng)用用的的關(guān)關(guān)系系。與與時時間間空空泡泡半半徑徑得得：；則則再再考考慮慮的的關(guān)關(guān)系系。中中壁壁面面速速度度與與對對應(yīng)應(yīng)半半徑徑該該式式可可求求空空泡泡壓壓縮縮過過程程式式；教教材材即即：從從中中求求出出：對對運運動動微微分分方方程程積積分分得得考考慮慮空空泡泡半半徑徑；式式中中：動動的的微微分分方方程程；空空泡泡壓壓縮縮時時空空泡泡壁壁面面運運0(;915. 0)/(1()/(321)(32/,/1341)(32);1(32)23(232)(;:)(230002130230021300213003300222232323220200 RRpRttRdRRR

13、RRptdttRRpdRVdRdtdtdRVRRpRVRRpRRRRRRRRRRRRRRdtddtRdaRdtdRVRRRtpRRRRRRR 潰潰滅滅結(jié)結(jié)束束時時間間）(91468. 0/91468. 0)/(1()/(321)(3202130230030210 RoptPRtdRRRRRptRRPVRR 一個一個7mm的氣泡會在的氣泡會在0.0007S時間內(nèi)潰滅，時間內(nèi)潰滅，空泡壁的速度達數(shù)百米空泡壁的速度達數(shù)百米/秒。秒。Ropt / 0RR1.00.80.60.40.20.00 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0空泡潰滅過程曲線空泡潰滅過程曲線0.91468翼型繞流翼型繞流狹小間隙狹

14、小間隙局部脫流局部脫流環(huán)境壓力降低環(huán)境壓力降低旋渦中心旋渦中心高頻振動高頻振動麻點麻坑蜂窩狀麻點麻坑蜂窩狀汽化壓力汽化壓力水流流過狹小間隙時流速增大壓力降低形成的空化水流流過狹小間隙時流速增大壓力降低形成的空化.多發(fā)生在軸流式葉片端部和背面外緣多發(fā)生在軸流式葉片端部和背面外緣葉片吊物孔周圍葉片吊物孔周圍空腔渦帶空腔渦帶：發(fā)生在尾水管中：發(fā)生在尾水管中說是空話，實是氣話，說是空話，實是氣話，-空化的實質(zhì)是液體低壓狀態(tài)的汽化。空化的實質(zhì)是液體低壓狀態(tài)的汽化。全因為那氣人的孩子。全因為那氣人的孩子。-空化發(fā)生的內(nèi)因是水中有空化核子?？栈l(fā)生的內(nèi)因是水中有空化核子。長期受氣，疲勞成疾，長期受氣，疲勞成疾，-水輪機長期遭受氣蝕，發(fā)生疲勞破壞。水輪機長期遭受氣蝕，發(fā)生疲勞破壞。鋼筋鐵骨也會被活活氣死鋼筋鐵骨也會被活活氣死-堅硬的鋼鐵部件也會被氣蝕破壞。堅硬的鋼鐵部件也會被氣蝕破壞。本來處境