抑制液体机械中汽蚀产生的方法与装置.pdf

本发明涉及一种抑制液体机械中汽蚀产生的方法与装置。本方法是在叶轮进流位置附近的叶片前缘或叶片上容易产生“汽蚀”的低压流动区域的位置，安装热传导性能好的冷却管，冷却管内通入冷却工质，使得流过冷却管位置附近处的液体温度降低1～100度，从而导致相应位置处液体的饱和压力降低，不会发生汽化，抑制初始空化的发生，实现对汽蚀的抑制，从而抑制液体机械中产生的噪声和振动。

1、  一种抑制液体机械中汽蚀产生的方法，其特征在于对液体机械中叶片(1)的前缘或容易产生“汽蚀”的低压流动区域，安装热传导性能良好的冷却管(2)，对该冷却管(2)通入冷却工质(3)，使得流经所述叶片(1)该区域的液体温度降低1～100℃，从而导致该区域的液体的饱和压力降低，避免发生汽化，抑制初始空化的发生，实现对汽蚀的抑制。

2、  根据权利要求1所述的抑制液体机械中汽蚀产生的方法，其特征在于所述的冷却工质(3)是如下气体中的任一种：空气、氧气、氮气、二氧化碳、惰性气体，或者是如下液体中的任一种：水、液氢、液氧、液氮、氨水。

3、  一种抑制液体机械中汽蚀产生的装置，应用于权利要求1所述的抑制液体机械中汽蚀产生的方法，包括液体机械中的叶片(1)，其特征在于在液体入流位置附近的所述叶片(1)的前缘或容易产生汽蚀的低压流动区域的位置，安装热传导性能良好的冷却管(2)，所述冷却管(2)的进口经一个阀门(6)和一个泵或风机(5)接通一个冷源或制冷机(4)的出口，而出口直接接通所述冷源或制冷机(4)的进口。

4、  根据权利要求3所述的抑制液体机械中汽蚀产生的装置，所述冷却工质(3)为气体时，采用风机输送，冷却工质(3)为液体时，采用泵输送。

5、  根据权利要求3所述的抑制液体机械中汽蚀产生的装置，其冷源(4)是冰、干冰、液氮、液氧中的一种或多种，冷却管(2)在冷源内应制作成热交换器形状，或者冷源采用制冷机。

6、  根据权利要求3所述的抑制液体机械产生汽蚀的装置，其特征在于所述叶片(1)为静叶片或动叶片。

7、  根据权利要求6所述的抑制液体机械产生汽蚀的装置，其特征在于所述叶片(1)为动叶片时，冷却管(2)的高压端与转轴(7)内的高压环(8)相通，而低压端与转轴(7)内低压环(9)相通，转轴(7)与静子(11)间装有密封装置(10)，在静子(11)中高压环(8)和低压环(9)分别收拢成动叶片冷却工质的进口(12)和出口(13)。

抑制液体机械中汽蚀产生的方法与装置
技术领域
本发明涉及一种抑制液体机械中汽蚀产生的方法与装置，特别是一种通过局部冷却、降低局部工质饱和压力而抑制空泡产生的方法与装置。
技术背景
在一定的温度下，当液体的压力低于其饱和蒸汽压力时，液体就会发生汽化，产生汽蚀现象。螺旋桨在运转中，若其过流部分的局部区域(常在叶轮叶片进口缘稍后处)的绝对压力下降到当地温度下的汽化压力时，液体在该处开始汽化，产生气泡。气泡随液体向前流动，产生贴附于固体表面的片空泡，随着片空泡的增大，空泡尾缘发生振荡或破碎，空泡尾缘的液体将高速填充空穴，发生互相撞击而形成水击现象。在螺旋桨、水轮机、泵等液体机械中，汽蚀是一种非常常见的现象。图2是一个完整的汽蚀演变过程，片空泡初生(a)、片空泡成长及片空泡尾缘回射流产生(b)、回射流冲向片空泡前缘(c)、回射流冲击片空泡表面撕碎片空泡形成云空泡(d)，云空泡云团向下游移动，翼型前缘附近产生新的片空泡(e)，(f)同(a)，如此完成一个从片空泡初生、发展、回射流、云空泡脱落的全过程，也就是汽蚀过程。汽蚀会导致叶片的破坏，诱发振动与噪声，导致流动效率降低。为了抑制汽蚀的发生，减小流动噪声，前人也提出了一些方法，图3是在翼型上加障碍物(凸起或凹陷)的方法，阻碍回射流冲击片空泡前缘表面，有一定的降噪效果，但仍然很不理想。
目前探测潜艇最有效的办法仍然是使用水中设备，尤其是声纳。对高速前进的潜艇而言，螺旋桨噪声是主要噪声源，而汽蚀是导致螺旋桨噪声的主要原因。人们已经花了很大的精力来研究空泡的生成机理，然而如何控制空泡产生？如何抑制由空泡脱落引起的噪声与振动？还是一个没有得到很好解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于针对上述根本性的问题而提供一种抑制液体机械中汽蚀产生的方法与装置，达到抑制螺旋桨等液体机械中噪声及振动产生的目的。
为了达到上述目的，本发明的构思是：水在25℃时的饱和压力为3166Pa，20℃时的饱和压力为2337Pa，15℃时的饱和压力为1704Pa，10℃时的饱和压力为1227Pa，5℃时的饱和压力为872Pa，0℃时的饱和压力为61Pa。也就是说，如果降低流场中叶片表面局部区域的温度，就会使其饱和压力显著降低，使得空化不容易发生。因此，只要采取措施，降低空泡初生位置处叶片表面的温度，即可抑制片空泡产生，既然空泡不能初生，当然也就不会发展及溃灭了。如此可以有效彻底地抑制汽蚀的发生及其诱发的振动与噪声。
根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：
一种抑制液体机械中汽蚀产生的方法，其特征在于对液体机械中叶片的前缘或容易产生“汽蚀”的低压流动区域，安装热传导性能良好的冷却管，对该冷却管通入冷却工质，使得流经所述叶片该区域的液体温度降低1～100℃，从而导致该区域的液体的饱和压力降低，避免发生汽化，抑制初始空化的发生，实现对汽蚀的抑制。
上述冷却工质是如下气体中的任一种：空气、氧气、氮气、二氧化碳、惰性气体，或者是如下液体中的任一种：水、液氢、液氧、液氮、氨水。
一种抑制液体机械中汽蚀产生的装置，应用于上述方法，包括液体机械中的叶片，其特征在于在液体入流位置附近的所述叶片的前缘或容易产生汽蚀的低压流动区域的位置，安装热传导性能良好的冷却管，所述冷却管的进口经一个阀门和一个泵或风机接通一个冷源或制冷机的出口，而出口直接接通所述冷源或制冷机的进口。
上述冷却工质为气体时，采用风机输送，冷却工质为液体时，采用泵输送。
上述冷源是冰、干冰、液氮、液氧中的一种或多种，冷却管在冷源内应制作成热交换器形状，或者冷源采用制冷机。
上述叶片为静叶片或动叶片。
上述叶片为动叶片时，冷却管的高压端与转轴内的高压环相通，而低压端与转轴内低压环相通，转轴与静子间装有密封装置，在静子中高压环和低压环分别收拢成动叶片冷却工质的进口和出口。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出的实质性特点和显著的优点：本发明提供的方法与装置，可以抑制空泡的初生。对水而言，只要温度降低5度，就可以使饱和压力降低显著，从而使得本来已经应该发生空化的水不发生空化，抑制液体机械中产生噪音和振动。
附图说明
图1是本发明通过局部冷却、降低局部工质饱和压力而抑制空泡产生的方法与装置。
图2是汽蚀形成过程示意图。
图3是前人在叶片表面增设障碍物抑制云空泡回射流的模型。
图4是本发明一个实施例螺旋桨叶抑制空泡产生的装置的结构示意图。
图5是图4中A-A处剖面图。
具体实施方式
本发明的优选实施例结合附图说明如下：
实施例一：参见图1，本抑制液体机械中汽蚀产生的方法，其特征在于对液体机械中叶片1的前缘或容易产生“汽蚀”的低压流动区域，安装热传导性能良好的冷却管2，对该冷却管2通入冷却工质3，使得流经所述叶片1该区域的液体温度降低1～100℃，从而导致该区域的液体的饱和压力降低，避免发生汽化，抑制初始空化的发生，实现对汽蚀的抑制。
实施例二：如图1，本抑制液体机械中汽蚀产生的装置，叶片是轴流水轮机的静叶片1，在叶片1的前缘，沿展向安装冷却管2，选用空气作为冷却工质3，冷源4采用干冰，流经叶片1的冷却管2采用导热性好的材料，裸露在外的冷却管2部分用绝热材料包裹。冷却管2回路中安装风机5驱动回路内冷却工质的流动。流经冷源4内的冷却管2被设计为传统的换热器形状以保证充足热交换，冷源4内装适量的干冰。如此，流过叶片前缘的水温度下降5～10度，使得饱和温度降低800～1500Pa，汽化难以发生，从而达到了抑制空化或汽蚀的目的。
实施例三：参加图4和图5，本抑制液体机械中汽蚀产生的装置，叶片是螺旋桨叶1，在桨叶1的前缘及桨叶表面的较低压力的区域，安装冷却管2，选用空气作为冷却工质3，冷源4采用制冷机，冷却管2的高压端(进流)与转轴7内的高压环8相通，冷却管2的低压端(出流)与转轴7内的低压环9相通。转轴7与静子11之间采用常规的密封装置10，静子中，将高压环8与低压环9分别收拢成进流口12与出流口13，进流口12的上游安装一台风机5和阀门6，阀门6的上游是一台制冷机4，制冷机4的上游与出流口13相连通。