第4章叶片式流体的空蚀,泥沙磨损及水力振动.ppt

第四章 叶片式流体的空蚀、泥沙磨损及水力振动 空化与空蚀是发生于液体作为介质的水力机械中的一种特有现象，而在固体和空气中一般不会发生空化和空蚀。 所以空化与空蚀同样也是反映水轮机、水泵特性的一个重要指标，是设计、试验、运行中必须考虑的问题，并且一直是国内外水力机械领域中的重要研究课题。 4.1 空化与空蚀机理 4.2 水力机械的空化参数 4.3 水力机械的泥沙磨损 4.4 水力机械的水力振动 4.1 空化与空蚀机理 一、空化现象 这是一种流体力学现象。 临界压力——把给定温度下，液体开始汽化的压力叫做临界压力。（在不同温度下，液体的临界压力是不同的）。 注意：当液体温度一定，而压力降低到相应的临界压力时，也会出现汽化现象，同时溶解于液体中的气体析出，形成空泡（空穴）。 通过水力机械流道中的液流，如果某个地方的流速增高，必然会引起此处的局部压力下降，当压力降低到当时液流下的临界压力时，这个低压区的液流就会开始汽化——出现空泡（汽泡），空泡随液流运动到较高压力区，由于P↑，汽泡中的蒸气要重新凝结成水，汽泡溃灭。因为体积突然收缩，汽泡原先占有的空间形成真空，于是周围的高压液流质点高速冲近来，将对过流表面产生非常大的瞬间脉冲压力（水锤压力）。同时，在压力增高时，原来从液流中分解出来的小汽泡，在水锤压力的作用下被急剧压缩，直到汽泡的弹性力大雨水锤压力时，汽泡将停止压缩而瞬间膨胀，所以对过流表面又形成另一种水锤压力。 空化：随着压力变化，液流中出现空泡状态（初生、发展、溃灭）及产生一系列物理化学变化称作空化（空穴）。 空蚀：指当空泡的溃灭过程发生于固壁表面，而使材料破坏，即由空化引起的材料破坏（侵蚀）。 空泡的产生与发展取决于液体的状态（温度和压力）以及液体本身的物理性质（所含杂质量及所溶解的气体等）。 空泡的发展型式 （按存在形式和产生的原因来分）： ①、游动型（离散型）空泡。 ②、固定型空泡（空泡初生后形成附着于边界上的空隙）。 ③、旋涡型空泡（液体受强烈扰动而形成）。 ④、振动型空泡。 二、空蚀机理 空蚀对过流部件造成的破坏，主要有四种理论：机械作用、电化作用、化学作用和微射流理论。 1）机械作用 在过流表面的某处，随着液流不断流过，空泡不断形成—溃灭—压缩和膨胀，将产生很高的冲击压力。通过高速摄影的圆盘实验观察到，汽泡凝结时间约万分之一秒，水锤压力可以达到几百个甚至几千个大气压，对边壁材料造成破坏。 1°空泡在溃灭过程中产生冲击波，从空泡的中心向外放射时具有和大的冲击力，对材料产生破坏。 2°大的空泡在溃灭过程中会变形，空泡分裂成若干个小空泡的过程中还会产生高速的微射流束，产生很强的冲击力。 在过流边壁的某一个地方，随着液流的不断流过，溃灭的空泡像尖刀一样反复锤打金属边壁（疲劳破坏），金属表面在反复打击下，金属晶格开始破坏—出现裂纹。当压力升高时，高压液流深进金属裂缝，压力突然下降时，缝隙中的液流又吹出来，循环下去造成金属破坏，最终成块脱落——剥蚀。 2）化学作用 当空泡被压缩时，由于体积突然缩小，温度要升高放出热量；同时水锤压力对金属表面的冲击也要产生局部高温。当空泡凝结时，局部温度可达到300°C左右，所以在这种高温、高压作用下，又促使了空蚀对金属表面的氧化，这就是化学作用。 3）电化作用 　　 气泡在高温高压作用下产生放电现象，这就是电化作用。因为金属表面被高压液流反复冲击的部位会产生很大热量，温度升高，形成热端，将会与邻近点的非冲击部位(冷端) 构成一个热电耦，在热电耦的回路中产生电势，使金属内部有电流通过，也产生电化腐蚀(电解作用)，致金属表面变暗变毛，加速机械破坏作用。 4）微射流理论 空泡在溃灭过程中还会产生高速的微射流束，产生很强的冲击力，对材料表面产生破坏作用。 三、空蚀破坏类型及对性能的影响 1、空化空蚀破坏类型 1）翼型空化和空蚀 2）间隙空化和空蚀 3）空腔空化和空蚀 4）局部空化和空蚀 2、空化与空蚀对水力机械性能的影响 对性能产生影响，主要表现为四个方面： 1）破坏过流表面 2）机器能量特性发生变化 3）引起振动和噪声 4）使机组检修频繁 第二节 水力机械的空化参数 既然空化与空蚀是水力机械在能量转换中特有的现象，它对机器的性能造成直接影响，故水力机械的空化空蚀性能也是一项非常重要的特性指标。如何反映水力机械的空化空