第四章葉片式流體機械的空化與空蝕

§4.1流體機械的空化與空蝕機理

一、空化及空蝕的機理：

空化及空蝕是以液體為介質的葉片式流體機械，即水力機械才有可能出現的一

種物理現象。

空化現象：

沸騰：液體在恒定壓力下加熱，當液體溫度升高至某一溫度，液體開始氣化形成

氣泡，這叫沸騰。

當溫度一定，壓力降低到某一臨界壓力，也會氣化。

當P<Pv,開始氣化，形成空穴（即氣泡），當氣泡到高壓區則，氣泡內的蒸汽

重新凝結，氣泡潰滅，另外還伴隨著一系列物理、化學現象，這叫空化。

二、液體的性質及變化初生條件

空化初牛時空穴在局部壓力降至臨近液體蒸汽壓力的瞬間形成的c嚴格的

講，一般若空穴在均質液體內產生，液體必須破裂，破裂所需應力不是以蒸汽壓

力來衡量，而是該溫度下液體的抗拉強度。液體能不受拉，回答肯定。很多人對

純水作了試驗，證明純水的抗拉強度為26-27MPa。但實際上自然界的水不能承

受拉應力，這是因為水的連續性破壞了。（例水溫20%,壓力2400Pa時水的連

續性就破壞了，水就氣化了）。而水的連續性的破壞是由于水中有雜質，改變了

水的結構，消弱了水（液體）的抗拉強度，而水中液體中的雜質是多種多樣的，

主要是未溶解的氣體。

實際上，當局部壓力降至蒸汽壓力附近，未溶解氣體首先從液體中析出，形成氣

核。故液體壓力降低是空化產生和發展的外部條件，而其內因還是液體本身的特

性（含未溶解氣體的量）。

三、空化的發展及潰滅及空化的類型

當壓力再低，氣泡長大，進入高壓區，氣泡不斷縮小，潰滅。此過程是復雜過程,

不僅和壓力及含氣量大小有關，還和液體的表面張力，粘性，可壓縮性，慣性有

關口

高速攝影拍了氣泡的潰滅過程：當氣泡達到最大直徑時，緊接著高速潰滅至氣

泡尺寸為零，而后又再生一個稍小的，接著又潰滅，這種再生一般二次，尺寸

一次比一次小。

類型：①游動型變化、

②固定型空化》水力機械中出現

③漩渦型空化，

④振動型空化：液體中的固體邊界的機械振動激發相鄰的液體產生壓力詠動，與振幅

足夠大時，使液體產生空化。

四）空蝕的機理

是空泡潰滅過程中機械作用是空蝕破壞的主要原因。

有兩種理解：

①空蝕破壞基本上是由于從小空泡潰滅中心輻射出來的沖擊波而產生的，稱為

沖擊波模式。此沖擊使邊壁形成一個球面的凹坑；

②另一種理解認為空蝕是由較大的空泡潰滅時形成微射流所造成的。此理論認

為氣泡變形、分解、使之形成了流速很大的微型液體射流，如果潰滅區離邊

界很近，則射流會射向固體邊界造成空蝕。

實際流體機械內部兩種都有，大的氣泡造成射流，小氣泡潰滅產生沖擊式壓力

波。

初蛤附身空泡空泡頂部受擾動射流沖擊在表面上

oQ

初始球形空泡高樂■創變篇磋壓二則走成向上詡

縛續洸滅方向的射流

QIP

夕勿0%

初始球形空泡悻穿入射流的形成

扁一面

C）

圖右8射流一潰滅模式

a）用著整面的半球形空泡

b）空泡移入壓力異度區c）空泡近邊壁潰滅

射流速度很高，達100m/s-300m/s,因流速很大，故產生的沖擊壓力可用水

錘壓力公式來計算。p=pCaC,Ca為液體中的聲速，C為射流速度：若

C=100m/s,則壓力為200MPa這樣大的壓力作用力材料表面，引起材料表面上

的蝕坑，引起材料的疲勞破壞。

另外，由于空泡受壓，汽相凝結，放出大量的熱，使金屬表面融化破壞。還有

有的金屬表面溫度高，別的地方溫度低，形成熱電偶，產生電流，電流引起電解

作用使金屬產生電化學破壞。

三、空化數

由于液體中空穴的產生，發展，潰滅與流動特征的主要因素邊界的形狀、壓力、

流速及形成氣泡或維持氣泡的臨界壓力Per有關，故水動力學中希望用反映上訴

參數無量綱數k表示空化程度，稱為空化數，下面以孤立翼型分析之。

對()-()及1-1列伯努力方程：

2+資=4+會；

定義單翼的系數

2

cp=4—)

耳夕卬：頃

取1-1斷面在翼型上最低壓力點處，此時速度最大，壓力最低。于是得:

—P—PVV

Cpmi.n=i——三=1-(\―!^)7

/

對于葉柵有:

2

Cp=4—=)W2,P2葉柵下游的速度和壓力，Wm,pm葉柵上任一

■%

點的壓力及速度.

葉柵的最低壓力系數為:

「_Pmi.n-P2、1_(卬max)2->

J,min-[

當Pinin<Per,即發生空化。希望Pinin<Pcr,在固定壓力下，增加相對流速WO(Wm)

或W0不變，降低壓力％(鳥)都使PminWPcr,當空化發生時，Pcr=Pva,

定義翼型空化數為：1=與二人

葉柵空化數為：&PI,wi葉柵進口的壓力及速度

12

5小

繞流翼型的流場中，若保持W0不變，降低尸00,則空化數I降低，同時翼

型表面壓力降低，當翼型表面的最低壓力降低到九時產生第一個氣泡，此時的

空化數的值叫初生空化數，記為￡，￡（7匕in

5M;

同理對葉柵：尤=午峻min

產2

同理，保持壓力不變，而增加來流速度，同樣可使空化數降低，當降低到一定值

時，開始產生空化，此時的空化數同樣為初生空化數。初生空化數取決于翼型的

繞流特性，其值取決于翼型表面的速度分布。目前知￡和1,總的關系為：

1仁二（1一。小）（出）27

由此可見，①若W。（或WI）增大，或已（R）減小，則沿物體其它表面上的壓力

降至臨界壓力，因而空化將從空穴初生處蔓延。此時k<ki；而空化之前k>kiO

可見對于任何系統，可調節W0（或WI）或4（R）使k大于，等于，小于ki從而

實現空穴從無到初生，再到破滅。

②在一,定溫度下，Pva一定。當繞流開始出現空穴時，Pg（PJ愈大，ki愈大，

這說明在大的23）繞流這一物易出現空化。反之，匕（PJ愈小,（或wo愈大）

時才出現空化，此時的ki值小，則表明該物體不易產生空化。

③空化數k表示繞流環境條件的參數，和環境壓力，來流速度、葉柵本身特性無

關。々=午￡吧說明k增大，抑制空化發生。

④初生空化數1=與乙業是繞流物體本身的流動特性，與環境條件無關，由

人=牛迷血可知，在相同來流下，最低壓力系數較小的物體，其初生空化數值

2刖

較大。

⑤k及ki是空化現象的流動的動準則：為保證P,M空化特性相似，必須保證兩

個空化數相等。對不可壓縮水力機械。除保證幾何相似外，還必須保證Sr,Eu,kk

均相等。但實際要保證.kk相等很困難，因水中有雜質，另外已知Re不等，要

P,M進行特征換算時的換算，故要求空化性能換算時，也得考慮此比例效應。

四、空化破壞的類型及對性能的影響。

（-）類型

①翼型空化和空蝕

圖440水輪機翼型空蝕的主要部位

a）軸泣式轉輪翼型空蝕的主要部位b）混汽式梏輪氯型空性的主要部位

②間隙空化和空蝕

圖812間隙空蝕破壞

2）軸流葉片間朦空蝕b）亮心泵密封環間隙空蝕

③空腔空化和空蝕

④局部空化和空蝕；由于過流表面鑄造及加工缺陷造成表面不平整（有砂眼、氣

孔）而造成局部流動突然變化而造成的。

（二）評價

水輪機行業規定：

在水輪機運行6000-10000小時，最長運行12000小時，再水輪機過流部件測得

空蝕量（沒超過按時間換算的空蝕量保證量Ca（即c《Ca）認為合格：

Ca=Cr（ta/tr）n其中：Ca空蝕保證量；la—實際運行時間；tr-基準運行時

間,tr=8000h；n一指數

（三）空化與空蝕對葉片式水力機械性能影響：

當其發展到一定的程度，影響性能，并妨礙運行，表現為：

①機器的能量特性改變

②引起振動及噪聲

③過流部件表面破壞

（四）利用空化和空蝕

§4.2水力機械的空化參數

為了預測和改善水力機械的空化與空蝕性能，避免或減輕空蝕的危害，必須了

解水力機械中影響空化發生及發展的主要因素。水力機械流道內的最低壓力區是

空化、空蝕的敏感區，（泵葉輪進口，水輪機是轉輪出口），故研究水力機械轉輪

低壓側空化特性的參數及其表示與計算，對保證水力機械的性能優良意義重大。

一、有量綱的空化參數：

（1）水輪機運行過程中，當轉輪葉片最低壓力點壓力等于當時溫度下的水的汽

化壓力時，便發生空蝕。前面已知，我們希望水輪機轉輪出口處壓力盡量

低，以便較多地利用液流的能量。但是，其壓力不能過低，現分析之。

為了保證對于轉輪，流體以WI速度進入轉輪，在A點處，液流速為零，由于流

速A點處壓力大于轉輪進口前的壓力。當對翼型繞流時，液流流速發生彎曲，

此時作用于液流質點上的力有禽心力，此力使得液流欲從葉片上脫離，因此，壓

力急劇下降，在靠近葉柵翼型出口的兩邊所形成壓差最小，由圖可見，葉片正面

為正壓，背面為負壓，在水輪機葉柵從進口到出口，壓力逐漸降低，背面k點處

的壓力比靠近出口處最低壓力點處壓力還低，到出口，由于正背面壓力趨于一致,

背面壓力升高。

圖4>15水輪機葉片表面壓力分布

圖446泵葉片表面壓力分布

故不發生汽蝕的條件：

為了具體計算，列k點和出口處2點的伯努力方程：

PK2g2gpg~2g2g

得：

一=一+Z2-ZA-+-.....+-------十△"卜2①

P8P82g2g

列2到。的伯努力方程:

z+匹+2L—Z+歷+△”

Z2+十C一Z°十-I-dC2F

Pg2gpg

得：

—=z-z+--—+AH②

022-0

PS-Pg

將①②合并得：

町-叫

(

『z-z+以—[-

4。4十L]+^h-o

pgpg2g

將最低壓力點k至下游自由液面的距離定義為水輪機的吸出高度。

z「Zo=H,又AHA_0XkH2T

---------------------ZX/72-5

由以前知：11=——一;——

匕

2g

故△斤27（認為匕=0）

令（上皿）2一1二4為葉柵汽蝕系數

叫

又..?匕:人2歷7嗎=*2房萬

故上式可寫為:

N=-H$_H-E）

pgpg

上式表示了水輪機的汽蝕性能。

給上式兩邊同減壓并除以H得:

P8

%--[際+潞]

包-“?正

令q=題pg口=斌，2+*2

H

得：――

上式中％代表電站裝置參數決定的點k處的壓力值，故通常凡是裝置汽迎系

數

b代表水輪機動力參數決定的k點壓力值，b叫水輪機的汽蝕系數。

①當Pk>Pv,不發生空蝕4〉。

②pk<pv，發生空蝕

。特點：①只和轉輪葉柵及翼型參數、吸出管動力特性有關，和水輪機水頭無

關。對于兒何相似，工況相似水輪機。相等。

②希望。小好，這樣減小電站開挖，降低尤須從降低人及〃著手。即使翼型背面

壓力分布均勻。降低也值,

卬2

q是水輪裝置汽蝕系數和水輪機尺寸工況參數無關。只和安裝高層（吸出高度）

和當地溫度下的汽化壓力有關，即水輪機T作水頭有關°

推導時認為，”二，但是對低比轉速混流式水輪，由于徑向流道長，％.工人故

U2—II12_2

應增加一項G/，%=%小=/由于〃故"二”/2gH為負,

Ng/2-2gh

這表明徑向流道較長的低比轉速水輪機由于液流受離心力影響，使。減小。

同理知：由于。是無量綱數，故相似的水輪機。相等。％是工況的函數q=f（H）

〃是工況函數和f（q、,H）代表一臺水輪的。指在最優工況下或設計工況下

同理：對于泵：

2

定義：區+3-4L=NPSHa（和裝置參數有關，叫裝置汽蝕余量，乂叫有

Pg2gpg

效汽蝕余量）

4年+而出二NPSHr叫必須汽蝕余量

2g

如果列吸入頁面處和法蘭處波努力方程：可得:

&■=2■+/+,將此和心+f-&=NPSHa合并，故得:

■pg2gPg2gpg

NPSHa=?-Hsg-△兒---△“<一x/

PgPg

NPSHa:裝置汽蝕余量又叫有效汽蝕余量，它是由裝置提供的，在泵進口處，單

位重量液體具有的超i出汽化壓力水頭的富余能量。外文叫AvailableNetPositive

Head.即泵進口處液體具有的全部能量頭減去汽化壓力凈剩的值。

Available：指裝置提供給泵的泵能夠利用的能量

Net：指去掉了汽化壓力

Positive：指該值永遠為正，如果負，那么在泵法蘭進口前就汽化了，這樣在管

道中就發生了汽蝕。

NPSHa和裝置及液體性質有關，和泵無關。對于一定的po,pv,Hsg,NPSHa隨qv

增大而減小，故，NPSHa是下降的二次曲線。

=NPSHr

A—2g+5—2g

NPSHr：是液體在泵進口部分壓力降的程度（注意不是大小）

NPSHrXnqRequiredNetPositiveHead.所謂凈指必須提供這么大的凈正吸頭方能

補償泵進口處的壓力降，方保證不發生汽蝕。正說明該值永遠為正。

NPSHr和裝置無關，和液體種類無關，只和進口運動參數及幾何參數有關，在

n,q、一定下只和進口幾何參數有關。對于給定的泵無論何種液體（除粘性

大，影響到速度分布外），在一定n,q、下，泵進口速度大小相同，故有相

同的壓力降。

NPSHr越小，要求裝置提供的NPSHa小，故抗汽蝕性能好。NPSHr隨q、.的增

大而增大，故NPSHr和5關系是一條上升的二次曲線。

由上可見，NPSHr是二次函數，不同流量、轉速的NPSHr不同。但一般講某臺

泵的NPSHr是指在最高效率點下講的。

實際應用：實際當NPSHa二NPSHr,流量為A,但外特性下降并不大，工程上規

定，NPSHa下降（Z+4）%或3%作為臨界值記為NPSHc工程規定水力機

2

械必須汽蝕余量許用值[NPSHr]=NPSHc+KK=0.3m或

NPSHa（Ll-L3）的較大值

（三）吸入（出）真空度

吸入（出）真空度是指泵進口處（水輪機出口處）的真空度。其值已換

算到基準面上的液柱高表示。吸入（處）真空

度表示吸入（處）壓力的一種方法，當作泵（水

輪機）空化參數時有很多缺點，但國內過去長

期使用故簡單介紹。

泵：已知泵進口法蘭處壓力為ps則泵進口真空

度；圖420水力機械裝置荷圖

乙+且_莊

Hv=△將二NPSHa帶入得

PgPgPg2gpg

NPSHa二互+J區.H、

Pg2gpg

設匚=莊

2gpg

NPSHaelO-Hv［認為匹=10,這樣當知泵進口處真空度值，就知NPSHa,當汽

Pg

蝕發生時，NPSHa=NPSHr?10-Hvl

用裝置參數表示真空度：

2

利用波努力方程：&=包+3+"際+

pgpg2g

H=Pa-Ps=Pa-Pc+Hsg+二+△〃一

佻Pg2K

用上式計算泵幾何吸高度Hsg和用NPSHa計算Hsg相同。考慮安全余量：引入

許用真空度概念［Hv］=Hv-k或［Hv］=Hv/（1.1~1.3）

這樣用許用真空度可求得許用安裝高度：

2

區+區———工（吸上）

PgPg2g

可見求”普得還知：VS，比較麻煩

過去，泵樣本一般給的是［”田，是換算到標準狀態下的（latm,20%抽清水做的

實驗求得

［Hv］），但若泵現場條件和標準狀態不同，則需將“n或［”田換算成現場條件

下的”力或

［Hv］f,然后用［”可代替［Hu］,求幾何安裝高度：

10.33+區+0.24-莊

P8PS

對水輪機，同樣可得：

H,二2一〃，:P。―P。+HS+G_AH,0

PSPg2g

二、空化（空蝕）相似定律及空化比轉速

對于幾何相似的水力磯械，在相似工況下，其對應點速度成比例，壓力降系數

4，辦值相等，故有：

/PS"。二（4c；+4卬＞=/=（〃切；

NPSH;（府+4何）,”一正一

此時空化相似定律：如果兩臺泵吸入部分幾何相似，運動相似，則表明這兩臺泵

的汽蝕余量比等于轉速與尺寸乘機平方之比。此公式誤差大，最近國外提出：

NPSHn

-----叱=（」）〃，m=1.3-2當比轉速相差不大時準。

NPS%n,n

即在相似工況下NPSH；=const=a

（nD）2

又因為相似工況下有：=const=b

nD2

組合得：c=‘a質

NPSH;4

C叫空化比轉速①幾何相似，T況相似的水力機械，C等干常數c故C可以

作為空化相似準則。它標志②NPS/增大,C減小，NPSH「減小,C大，C

值大，說明泵抗汽蝕性能好。③C值是工況函數，不同工況有不同的汽蝕比轉

速。但通常說一臺泵的值指最高效率的值。

5.62〃4

④對雙吸泵

NPSH：'"

汽蝕性能和C關系：

汽蝕性差：C=6（）0-900

效率和空化性能兼顧：0800-1100

主要考慮空化：C=1100-1600

火箭發動機：C〉5500

因C有量綱，故引入無因次的形式:ka=

g(NPSHr)%

西方國家用：S=%"3/

NPSH4

水輪機用。表示汽蝕性能指標:

（三）C和m關系：

令：NPSHr=a。叫托馬系數（相當于水輪機汽蝕系數）

H

由于（7,小都從相似理論得；故b和m存在關系;

222

22

NPSHr=%紋+而也=K1L=KnnD

2g02g12gn

,代入得（7=Kn/3單吸K=216X10-6

雙吸K=137xl（）F

三.泵的空化性與入流角及沖角的關系：

22

已知=Z—+/l—

2g口n2g

對于泵，前蓋板ai點的圓周速度最大，按一元理論,這樣ai點處最易發生空化

（空蝕），對于直錐型吸水室：

依速度三角形:

冠）、n

cos%60cos%

離心泵葉輪簡圖與進口速度三角形

60

依連續性條件有：4=A）c0=?D：K?冠）Wg尸0“/60

K=1-與

工

以上三式整理代入NPSHr式得：

當為,4,%或和k定后,HPSHr僅是為”的函數

dNPSHr

令=°得：吆00a種

可見為0的最優值僅是%的函數。理論上，一臺空化性能較好的泵（葉片數無

限多無限薄）470,4=0所以poaop,的值是很小的。工程上常取

4=1.24=0.3故有矽os=0.316,凡s=17（32'

沖角

采用正沖角：在設計流量下，葉片進口背面易產生流量，因背面是流道的低

壓面，這里即使有漩渦也不易向主壓側擴散，因此漩渦是穩定，局部的。對空化

（空蝕）性能影響小，而負沖角時，流體在葉片進口的工作面產生脫流，該處葉

道的高壓而，漩渦易向低壓側擴散，不穩定，對汽蝕性能影響大。

采用正沖角，能改善在大流量下工作條件，若裒在大流量工況下工作，應選較

大的沖角。

四、水力機械的安裝高度：

（一）水輪機

對水輪機

-Hs

?「%,二?——故得：出=回-五-％,H，對7K輪機幾二〃。

HPgPg

水輪機不發生空化（空蝕）條件是＜Tp〉b，當我們已知水輪機的空化系數。,

取空化安全系數q之1,即這樣知可計算Hs

PtlPv

Hs=~-kaoH

Pg

通在水輪機安裝高程范圍，大約高程每升高900米，大氣壓降低月1米（水柱）。

每平面平均大氣壓為10.33米水柱，若水輪機安裝的海報高程為▽米時，則大

氣壓降低約%00（米水柱）。電站水溫通常在5-25°之間時，水的氣化壓力值

Hva=0.0889?0.3229米水柱。

故Hs=\0.33----(0.0889?.3299)㈤々］0—----k㈤

9000900°

依上式計算出吸出高度Hs,依已知水輪機形式可算得安裝高度Hsz

ka=1.1-1.45,n8增

C)d)

圖423水輪機吸出高度與安裝高度的基準面

（二）泵安裝高度

p-P

計算的用Hsg=」--NPSHa

Pg

當已知NPSHr時，為了安全取余量：NPSHa=NPSHr+Q3或

NPS"a=（l.l?1.3）NRS"-但對于立式泵及大型臥式泵，注意，計算基準面不再

是泵的中心線。

§4.5空化參數的比例效應

由于模型與原型水輪機幾何相似，則有：與=%，流過低壓區的時間,

/D,卬

由于相似水輪機在相似工況下工作時，其相對流速w與水頭H的平方根成正比,

故液流在低壓區流過模型的時間和原型的持續時間比為：

Z:刀切=。加［H7

tw,uwD叱“D（V/Hm

由上式可見，①尺寸和水頭兩個參數，尺寸對液流流過低壓區的時間影響是主

要的；②上式說明，空化發生的時間在原型水輪機時間較長，一般講空蝕破壞比

模型水輪機嚴重。但水輪機的空化系數之間有何關系。

在模型試驗中，臨界汽蝕系數外,所對應翼型最低壓力點k處的壓力為

PmiYpv,此時，液體的表面張力T值為:

T=PV-P館，-7=%-九，兩端各除以汨“，整理得：

（T—-Pv、/7y7

（兩^^）MH}M（H}M

當.時，空化初生，此時的初生汽蝕系數為/

_T

故得：（2）“二°;一句湖①

在原型水輪機中有：（二工）②

汨

假設：①初生空化系數5一二/,②認為模型及原型的水輪機發生汽泡時張力相

等，即得，TM=T

由①?②得：。〃.二%+。一智）（/一。叫）

由此得：①一般，故b廣，故原型水輪機比摸型水輪機發生汽

蝕早。

②〃時，說明在此情況下可不計空化系數的比例效應；③實際

上，此式計算量大，故一般按下式計算：

n

（二）水中含汽量的影響

水中含水多，易發生空蝕。原型水輪機液流取自和大氣相接的水庫，其含氣量多,

而模型水輪機的液流在封閉狀態下，其表面常處于真空，故大量空氣逸出，含氣

量低。

b=%+8.48（普-^-）

。,。河一原型，模型水輪機工作時水中空氣的相對體積含氣量。

（三）由于雷諾數Re/7775Rep

。=（2七2+濫2）

由于模型及原型〃不同，[可以保證速度成比例，但不能相似I

/t4—沿程損失（由于力和雷諾數無關）

dig

保證△兒_5=擴散損失

'=漩渦損失

故。=L1LT”泣由于水力效率之比近似等于總效率之比，且水力效率不

易求得：工程上常用總效率代替：故。=1.17b”近

三、Bi的計算

假設：①汽蝕的汽泡區液體與蒸汽的溫度瞬時平衡。

②熱量交換只在汽泡區進行，與汽泡區以外液體之間無熱量交換

③液體的咕性及表面張力等與汽蝕發展無關

設汽泡體積為V2汽化時吸收熱量為心?匕（Qz.為汽化潛熱，2為蒸汽密度）

液體體積為V],液體被吸走熱量CpOiKAr

則Q?匕=CpPM”

引入B=表征汽蝕發展程度的一個參數：B=

AP&L

依克拉貝隆一克勞修氏方程

下空=80QL(",一由于氣泡吸收汽化熱而使周圍液體的汽化壓強降

△T(A-p2)

低的值)

又=0gA//v，代入得：

△T=P「P2JpgbHy將AT代入B得：

PxPlQL

B=WfJgAH\,令\HV=1,則8=8i

say

_pSp-P)cT

[2rB=B

L3。jgTAH\,

意為，液體的汽化壓強降低1米時，汽蝕區內氣泡體積與液體體積之比。

NPSH試驗

一般取下述4個流量點的NPS"?數據：最小連續穩定流量，介于最小流量

和額定流量之間的流量，額定流量和110%額定流量。

單在做氣蝕試驗時在抽真空降低必須保持流量不變，最好用閉式回

流量試驗NPS”,如雙方同意還可以用吸入閥節流或改變入口井液位的方法。

§4.6液體的熱力學特性對汽蝕的影響

一、現象

1.對于同一臺泵，當抽不同溫度的同一種液體時，發現液體溫度越高越不

易發生汽蝕。

2.同一臺泵，抽不同介質時，而且介質不足以改變流態，發現汽蝕難易程

度也不相同，月以前流力推導的'內從=45+而國的概念，不論哪

2g2g

種液體流過同一臺泵進口，產生壓力降程度相同，即NPS”“札這是為

何呢？這是由于這種現象是從以前Pk=Pv為基準，假定流體汽蝕時：①

液體不可壓縮；②氣泡發生的壓力就是液體的飽和蒸汽壓力，旦在汽泡

發展過程中，其值固定；③當在低壓區的壓力降低到該溫度下液體的飽

和蒸汽壓力時，氣泡即發生，無時間滯后。

事實上，①當低壓區的壓力降到該溫度下飽和蒸汽壓力時，液體汽化，依熱

力學第二定律，汽化膨脹是需做功的，這樣汽化的同時需要吸收熱量，這叱熱量

只能從周圍的液體中獲得。其結果使得整個液體溫度降低，相應飽和蒸汽壓降低，

阻止氣化的發展。唯有當環境壓力再進一步降低時，空泡才得以發展。所以空泡

在形成長大過程中，由于飽和蒸汽壓降低會使液體氣化延遲發展。同樣，對已形

成的空泡，當壓力高于汽化壓力時它才開始凝結，凝結實時放出熱量使周圍液體

溫度升高P、，提高，延遲凝結。可見由于液體的熱力學特性影響，使得空泡出生

壓力不定。且阻止汽蝕發生。另粘性力和液體的表面張力對空泡也起阻止作用。

②一般講汽蝕時產生的蒸汽越多的液體(即蒸汽的比容大)汽蝕發展的越嚴重。

拿水來講水的蒸汽比容隨溫度升高而減小，所以溫度越高汽蝕發展越弱。而不

同介質在相同溫度下蒸汽的比容也不一樣。大的易汽蝕小的不易汽蝕。

以上兩點則是從熱力學觀點解釋的。

二.計算

1.同種介質不同溫度斯氏公式：

(NPSHr)設二(NPSHr)a-^NPSHr

其中Sr二壽

式中，為溫度為的飽和蒸汽壓力，從是使得液體飽和蒸汽壓力下降1米時，

汽蝕區，氣泡體積和液體體積之比。

斯捷潘諾夫認為RVPS%與液體物性及熱力學性質有關，與泵型及工況無關。

2.不同液體：

NPS"/?特二NPSHr水-AZ?關于刖可查美國水力學會標準1979版的修正曲

線，以介質及溫度查找

=pl(p1-p2)

(0。工

其中，80為溫度為T2時，水及蒸汽的密度；QL為汽化潛熱，c為比熱,

T2為溫度。

§4.7提高抗汽蝕性能的措施

前述泵開始發生汽蝕時,NPSHa=NPS"〃欲不發生汽蝕，必須增大裝置汽蝕

余量NPSHa或減小NPSm"十而也增大NPSHa是使用問題，后者是設

2g“2g

計問題，也是咱們做為水泵設計者關心的問題。我們知道是泵進口部份

壓力降的程度，所以影響NPS”〃大小的是葉輪進口部分的幾何形狀。對葉輪進

口直徑D,葉片形狀、葉輪進口流道形狀，下面分別講述：

1.葉輪進口百■杼D

NPSHr=%迎+加

2g112g

假設進口速度分布不均勻4=1

而葉柵汽蝕系數，它和進口直徑無關。假設是直錐形吸入室匕。=0,得

卬2=說+噂當Do增大，則Vo減小，uo的平均值增大，wo對于泵一般增大，故

有一個最佳的Dn,使得NPSHr最小。這是一個求極值的問題，由于泵最易發生

汽蝕點在葉輪前蓋板，因此按此求D。

4Q

匕二(2(K2是系數，修正葉片進口稍前和葉片進口不同的系數)

(￡)；-點)町,

*:①此處Uo大

②由于液體轉變，受離心力作用液體靠近前蓋板處速度大則壓力低。

將上述代入NPSHr式中,并令D；=-d；

且令：券j片勺

Ko巾人,抬，弓,而)

顯然：增加Ko可以減小Vo,從而減小NPSHr,改變泵的汽蝕性能。但Ko太大,

液流在進口處擴散嚴重，破壞了流動平順和穩定性，形成漩渦使水力效率下降。

另一方面，Do太大，口環所在直徑變大，泄露增大，容積效率下降。一般Ko按

下述原則取：對于高的抗汽蝕性能葉輪：K。=4.5?5.5

高的效率：K。=3.5~4.0

兼顧效率及汽蝕：K。=4.0?4.5

圖4-28轉輪低壓邊直徑

②增大葉輪進口寬度bl,（對于水輪機增大下環圓弧半

杼RA

bi大，過流面積大，Vo,Wo小，從而減小NPSHr,

這是一種有效的方法，高汽蝕性能的冷凝采用上述方

法：但bi太大，效率低。

增大R2使得該處軸面速度降低。有利于改善空化。

③葉片進口邊位置前移：

圖3-17增加0和％的葉輪

使液體早進入葉片增大了葉片受壓面積，減輕了葉片

負荷.減小正反面壓差，另外能使進口邊半徑小，是uo,wo小，降低NPS4廠。

④進口邊傾斜：

使得進口邊各點半徑不同，因此u和w不同，因前蓋板處半徑大，相對速度大,

故將汽蝕盡量控制在前蓋板附近。

⑤進口邊厚度：進口邊薄，最大厚度區離進口遠，進口壓降小，泵抗汽蝕性能好。

⑥平衡孔：平衡孔對主流其破壞但面積應不小于環的五倍，以減小泄露，減小對

主流影響。

⑦進口邊沖角：一般進口安放角尸s大于進口相對液流角4即采用正沖角

正沖角能提高抗汽蝕性能：原因a）:增大兒b，減小了葉片彎曲，增加了進口過

流面積，減小了排擠，使得Vo,Wo小，NPSH川、,b）:在設計流量下液體易在

葉片進口背面產生脫流，因背面是低壓區采用正沖角，由流力知該脫流引起的漩

渦不易向高壓側擴散，而是控制在局部，對汽蝕影響小。

圖3-18沖角對汽蝕性能的影響

沖用對葉片形狀和潦動的影響方)沖角dB和壓降系數幺的關系

⑧粗糙度：其值應盡量小，水力損失小。

⑨光潔度：防止NPSHa=------Hsg-h\KQ2

PR

a)減小幾何高度Hsg(Hsg為正)

b)減小損失

c)采用雙吸泵，減小進口速度

d)泵發生汽蝕應將Q減小，

e)流量大時，NPSHr大,NPSHa小,故大流量下運行時，應使得安裝

高度小些。

0在某些氣蝕條件比較差的工況下運行時，可加裝誘導論.

§4.7誘導輪

以前講的是從結構上，但實際知，泵發生汽蝕是由于Pk<pv,如果能提高液體

在泵進口的壓力，則泵不發生汽蝕u這個裝置就是誘導輪：

誘導輪是在四十年代初，在法國火箭發動機上使用，目的是在很高的轉速

(n=l7000~20000r/min)下正常的供給燃料。60年代后逐漸用于離心泵中以便大幅

地提高泵的吸入性能，帶有誘導輪的離心泵吸入比轉速c為3()(X),有的高達

6300o

二、結構

誘導輪葉片數很少，一般為兩片，多則三片，好似軸流泵葉片，但是葉片一

般設計成低負荷葉片，即葉片特別是在葉片的進出口，工作面和背面的壓差

圖830帶誘導輪