第三章 水轮机的空化与空蚀(10)讲解

2g
2

p2 r

w22 2g

u22 2g
hk2
----（1）
Z2

p2 r

v22 2g
Za

pa r

va2 2g
h2a
--、2点很靠近，即
uK u2 , hK2 0 , 且令 Z2 Za Hs
由于
h2a
分析和推导空化系数是以翼型空化为基础， 计算出转轮叶片上最低点的压力值，若不发生 空化，则必须使最低点的压力值大于或等于该 水温下的汽化压力。
如图所示，设k点为转轮叶片背面靠近出水边的 压力最低点，求k点的压力值。
对k-2点，2-a点分别列能量平衡方程式
Zk

pk r

wk2 2g

u
z k
h 但是，用 表示水轮机空化性能还不太 v
合理，因速度与水头成正比，同一水轮机当工
h 作水头不相同时， 也不相同，这不便于用 v 同一标准进行空化性能的比较，为此，采用单
位水头下的动态真空值表示，即，动态真空相
对值
hv H

wk2 w22 2gH
w
v22 2gH
hv H

wk2 w22 2gH
即
pk r

pv r

pa r

pv r
Hs
H
则压力余量的相对值为：
pk

pv

pa r

pv r
Hs

rH
H
令
pa r

pv r H
Hs
p
称电站的空化系数
则
pk pv rH
p

p 称电站的空化系数，即水轮机装置空化
系数，是电站装置预留给水轮机的压力余量的相
w
v22 2gH
令动态真空相对值 hv ，σ称为
H
水轮机空化系数，表征水轮机空化性能的无
因次系数。
空化系数σ具有如下性质：
① σ是水轮机动态真空的相对值，可用来 作为评价水轮机空化性能hv的标准，在一定装置
条件下，σ越大，说明水轮机产生的 hv也越
大，水轮机就越容易发生空化。
② σ值与转轮翼型参数和水轮机运行工况 有关，水轮机偏离设计工况时，叶片流道中的
四、空化现象的特征
1、空化是液体中发生的一种物理现象。 （固体、气体则没有）
2、空化是液体中减压的结果，亦即控制 压力降低的程度可控制空化现象。
3、液体空化的初生与液体中分子的结构和 抗拉强度有关。
4、空化现象是一种动力学现象，涉及液体 内空穴的出现与消失全过程。
五、“空化核”学说
“空化核”学说：自然界的水中有许多杂质 ，存在着空气，蒸汽微团及固体颗粒等异相介 质，这些以不同方式存在于水中的空气与蒸汽 微团，称为空化核。
对值。
pa r

pv r H
Hs
p
pk pv rH
p

电站空化系数 p 具有如下性质： ① p 是评价装置空化性能的指标，它仅
与装量条件有关，与水轮机本身的空化性能无
关，是空化发生的外部条件。
② p 可以理解为装置预留给水轮机的动
态真空相对值指标， p 是保证水流不发
生的条件。
③水轮机空化状态
a、当 p 时，装置预留的压力余量大于
水轮机实际产生的动态真空，水轮机不会发生空 化。
b、当 p 时，装置预留的压力余量小于
水轮机实际产生的动态真空，水轮机会发生空化 。
c、当 p 时，装置预留的压力余量等于
水轮机实际产生的动态真空，是水轮机空化发生 的临界状态。
这些微小气泡在环境压力降低到某一界限压力 时，会膨胀发育为较大气泡，导致空化的发生。
七、液体中形成低压的5种原因
1、环境压力降低 2、物体高速绕流产生低压 3、物体在流体中作高频振动产生低压 4、流体通过狭窄缝隙形成低压 5、流体中产生旋涡时在涡心形成低压
八、空蚀的机理
空泡溃灭过程中，引起过流表面的材料损坏 现象，称为空蚀。
空化的溃灭：低压区形成的空泡或空穴随流 动进入高压区后，空泡内的水蒸气迅速凝集为体 积很小的水珠，使空泡内部压力下降，于是空泡 突然收缩，空泡周围的水体以极大速度向空泡中 心冲击，由于边壁的影响，空泡周围产生不均匀 压力，空泡在不均匀压力作用下发生变形，由球 形变为心形，最终在心形尖部产生冲向边壁的射 流，空泡便迅速溃灭，溃灭时间很短，只有几百 分之一或几千分之一秒，溃灭时产生的射流速度 则极高，可达100m/s以上，由此所形成的冲击 压力，也可达数千个大气压。
说明规定处装在下游水面以下。
工程上一般希望 H s 5 ~ 6m ，个别 情况也可以到 8m 。否则，投资不经济。
二、安装高程 由于转轮叶片上压力最低点k点的位置难以确定，
而且该点随工况变化而变化，吸出高度其实是一个相 对值，反映不出绝对海拔高程，要确定安装的标记基 准，即安装高程，是指水轮机的标高所在的海拔高程
冲去式水轮机主要发生在针阀、喷嘴口处。
轴流式水轮机主要 发生在叶片外缘与转 轮室间隙处，叶片根 部与轮毂间隙处。
三、局部空化
由于铸造和加工缺陷形成表面不平整，砂眼 、气孔等所引起的局部流态空然变化而造成的空 化。
混流式水轮机一般发生在转轮上冠泄水孔后。 轴流式水轮机一般发生在转轮室连接不光滑台 阶处或局部凹坑处的后方。 局部空化一般只产生在局部较小的范围内
综上所述，计算 H s 的公式一般采用下式
H—s 水电1站0的海9拔00高程，H单位为m H —水轮机空化系数
H —水轮机设计水头，单位为m
需要说明，水轮机空化系数 一般由模
型试验获得，模型水轮机的空化发生条件难与
原型水轮机完全一致，实际水轮机的空化往往
比模型水轮机严重。
在实际计算 H s 时，还要留有余量，所以，
§3-4 水轮机的吸出高度和安装高程
一、吸出高度 H s 的计算
由k点压力可以看出
pk r

pa r
H s H
在装置水轮机时，H s 值越小，则表明水轮
机装得越低，水轮机不易发生空化，但电站开
挖量将增加，基建投资增加。
水轮机不发生空化的条件是： k点的压力大于该水温下p的rk汽化pr压v 力，
1、机械破坏作用 空泡溃灭时所产生的强大冲击压力作用于过
流表面时，使过流部份表面受到一股高速射流 撞击，足以形成对材料的直接损伤。 2、电化作用
空泡溃灭过程中产生冲击压的同时，常伴随 着产生很大的热量，使空化区局部产生温升， 由于温差存在，导致形成热电偶，引起材料内 电流流动，从而产生了电化腐蚀。
空化过程可以发生在液体内部，也可以发 生在固体边界上，但是，空蚀只发生在固体边 界上。
空泡溃灭时所产生的高速射流与冲击波形 成了较强的冲击压力，冲击力是产生空蚀的主 要因素，此外，还伴随着局部高温的产生，形 成一些辅助破坏作用。
空蚀对材料的破坏作用有以下几种: 机械破坏作用 电化作用
化学作用
联合作用
脱流与局部流速升高会加重水轮机的空化。
③ σ是水轮机空化的相似判据，几何相似 的水轮机在相似工况下，其σ值也相同。
④ 减小空化系数σ是提高水轮机抗空化能 力的关键，但减少σ值与提高水轮机的效率与 过流能力之w 间存在一定的矛盾，因提高尾水管
恢复系数 w 与增加流道中的流速均可能增大
σ值。
二、电站的空化系数
混流式水 轮机主要发 生在叶片背 面靠出水边 附近。
轴流式水轮机 主要发生在叶片 背面靠出水边附 近和叶片与轮毂 连接处附近。
二、间隙空化
当水流通过狭窄通道或间隙时引起局部流 速升高，压力降低到一定程度所发生的空化。
混流式水轮机主要发生在转轮上、下止漏环 间隙处。
轴流式水轮机主要发生在叶片外缘与转轮室 间隙处，叶片根部与轮毂间隙处，导水叶端面 间隙处。
在一定装置条件下工作的水轮机是否发生空
化，要视水轮机的动态真空与静态真空之和而
定，根据水轮机空化系数的定义，水轮机叶片
上最低压力点k的压力可表示为：
pk r

pa r
Hs
H
要让最低压力点k不发生空 化，则必须使k
点压力大于该水温下的汽化压力 ，用 pv 表 r
示。
k点压力与汽化压力的差值，称为压力余量，
第三章 水轮机的空化和空蚀
§3-1 空化与空蚀的机理
一、液体的空化特性
例如： ① 水在一个标准大气压下（10.33 m水柱），
温度升高到100℃时，水便汽化沸腾。 ② 如果把压力降低到0.24m水柱时，水温仅20℃
左右，水便汽化沸腾。
液体 P=C，t°↗引起的汽化状态——“沸腾 ”
液体 t°=C，P↘引起的汽化状态——“空化 ”
由于“空化核”的存在，破坏了水分子的结 构和抗拉强度，所以，空化发生的外部原因是 流体内部压力的降低，内部原因则是水体内部 存在诱发空化的“空化核”
六、“空化核”存在的三种基本形式
1、水中存在不可溶性气体组成的微小气泡; 2、水中存在着悬浮的不浸润固体颗粒，这些 颗粒上附着许多微小气泡; 3、在固体壁面的微裂间隙中残存着微小气泡;
w
v22 2g
且 w 1w
将以上关系代入（1）（2）式化简整理得k点
的绝对压力为
pk r

pa r
Hs
[ wk2 w22 2g

w
v22 2g
]
令
hv

wk2 w22 2g
w
v22 2g
则k点的真空值为（低于大气压） :
pvk r

pa r

pk r
H s hv
不同机型装置的水轮机，安装高程也不同。 1、立轴混流式水轮机


w

Hs

bo 2
W ----尾水位，单位为m。
b0 ----导叶高度，单位为m。
由此可以看出，k点的真空由两部分构成:
①由吸出高度 H s 所形成的静态真空
②由于水轮机运行中所产生的动态真空 hv
所以，k点真空值的大小决定水轮机在最低压 力点是否会发生空化。但其中的静态真空是由装 置条件所决定的，与水轮机本身无，只有其中的
动态真空值 hv 才能反映出水轮机的空化性能，
即，在同样装置条件下，水轮机自身产生的动态 真空越大，越容易发生空化。
要对空化系数进行修正，即以模型空化系系数
加上修正值 作为实际水轮机的空化系数。
则 H s 计算公式变为：
HS
10
900


M
H
—空化系数修正值，可根据 H 查课本
P61或手册
吸出高度 H s 的定义：是指下游水面至转轮
叶片上压力最低点k的距离。当下游水面高程
低于叶片最低点高程时，H s 为正值，说明规 定处装在下游水面以上；反之，H s 为负值，
其它气体，引起过流 表面的化学腐蚀
4、联合作用 以机械破坏为主，电化、化学作用对机械破
坏起促进作用，此外，泥沙磨损会加剧空蚀的发 生。
§3-2 水轮机的空化类型
一、翼型空化
由于水流绕 流叶片引起压 力降低而产生 的空化。 叶片背面的压力 往上为负压。
二、空化现象
当液体内部压力降低到某一限度时，液体 本身将发生破坏，在局部形成空泡或空穴，而 后在压力升高的地方，空泡或空穴重新疑聚消
三、空化的物理过程
包括空化的初生——发育——溃灭 空化的初生：在低压区内，空化核打坡了原来 的平衡状态开始膨胀。 空化的发育：当环境压力进一步降低时，初生 的空泡进一步膨胀，形成更大的气泡成气泡群， 空泡周围的水分子向空泡内蒸发扩散，使空泡的 体积迅速扩大，这时，会激发空泡周围的水发生 “沸腾”，大量的水蒸气向空泡内聚集，形成空 泡的爆发性膨胀，产生了大量以蒸气为介质主体 的空泡或空穴。
即： pk pmin pv

代入上式，化简得：
Hs

pa r

pv r
H
在实际计算中，考虑到海平面的平均大 气压为10.33m水柱。根据气象条件，大气压 力与平均值之间，有可能降低0.3~0.4 m水柱; 一般河流水温多在5°~20℃，相应的汽化压 力为0.09~0.24m水柱。故取平均大气压近似 为10 m水柱。而水轮机安装处的实际高程各 不相同，根据实测低空大气层高度与大气压 力值的平均关系，海拔每升高900 m，则大气 压力降低1m水柱。
四、空腔空化
空腔空化是反击式水轮机所特有的一种 漩涡空化，是指尾水管中心空腔处由大的水 流涡带产生的空化，只要水轮机偏离最优工 况运行，就会产生空腔空化。
空腔空化主要发生在转轮叶片出口下环 处及尾水管进口处。
§3-3 水轮机的空化系数 与电站空化系数
一、水轮机的空化系数
衡量水轮机性能好坏有两个重要参数，一 个参数是效率，表示能量性能，另一个参数 是空化系数，表示空化性能。水轮机空化性 能的评价，习惯上用空化系数来表示。