第三章 水轮机的空化与空蚀(10)讲解
水轮机课件——水轮机的空化与空蚀
➢水轮机的泥沙磨蚀
当水流中泥沙含量较大时,会对水轮机产生磨 损.同时,大量泥沙携带大量的“空化核”,使空化 容易发生.空化侵蚀与泥沙磨损同时发生时,两者 的破坏作用,称为磨蚀,对水轮机过流部件的破坏 作用很强.是单独空化和单独磨损的许多倍.
泥沙磨损的特征:鱼鳞坑或沟槽,带金属光泽
2）空化经历初生—发育—溃灭过程，空泡溃灭时产生微射流与冲击波，对 过流表面形成破坏。空化的破坏机制有：机械破坏作用、电化学侵蚀、 化学侵蚀与各因素的联合作用。
3）水轮机的空化类型有翼型空化、间隙空化、局部空化与空腔空化。各有 不同的发生部位。
4）水流中泥沙含量大时，水流容易空化，同时发生泥沙磨损，二者联合作 用时对水轮机的破坏作用大幅度增强。
典型磨损（带金属光泽）
空化与磨损联合作用:金属变色,叶片如锯齿
严重磨蚀叶片,千窗百孔,面目全非
➢水轮机磨蚀蚀的防护
采用金属、非金属抗磨材料进行过流部件的 表面防护，可以减轻水轮机的空化破坏与泥 沙磨损。常用的材料有环氧金刚砂涂层、碳 化钨喷涂、聚氨脂涂层、不锈钢堆焊层。
用环氧金刚砂作表面保护
➢空蚀的破坏机制
一、空泡的溃灭与冲击压的形成 1高速射流与微水击
空泡在百分之一至千分之一秒时间内溃灭，形成高速 射流与微水击，射流速度100m/s以上，冲击压数千 ata.
２空泡回弹产生冲击波 初生发育最大溃灭反弹溃灭数次反复
➢空蚀的破坏机制
机械破坏作用：强大的冲击压直接作用于过流表面，形成
机械破坏，并长期反复作用形成疲劳破坏．
➢空化核学说
液体中含有以不同形式存在的微小气泡,这些微小气泡在低压 环境中会发育为较大的空泡或空穴,导致空化的发生,称之为空化 核.
浅谈水轮机的空化和空蚀
浅谈水轮机的空化和空蚀技术报告——浅谈水轮机的空化和空蚀水轮机在运行中存在四大问题：动能指标（流量、出力、转速）、效率、空化性能、稳定性。
在上述问题中，空化、空蚀被喻为水轮机的“癌症”。
所以在水电厂水轮机运行生产过程中空化、空蚀是一个必须注意和避免的问题，我们必须了解其物理性质，然后找到避免和处理的方法。
空化是一种液体现象，固体或气体都不会发生空化。
当液体温度一定时，降低压力到某一临界压力时，液体也会汽化或溶解于液体中的空气发育成空穴，这种现象称为空化。
沸腾也是一种汽化，但沸腾是液体在衡定压力下加热，液体温度高于某一温度时发生的汽化，与空化不同之处就在于沸腾主要是热能交换的过程，而空化可近似看作是一个冷过程。
空化包括了空穴的出生、发育和溃灭。
当液体的压力降到某一临界值时，液体中便会产生空穴，这些空穴进入压力较低区域时，就开始发育成较大的气泡，气泡被流体带到高于压力临界值的区域时就会溃灭。
在空化区，空泡的不断产生又不断溃灭过程中，将产生高频高压的微观水击，由于高频高压的水击直接作用于过流表面，形成机械破坏，长期反复作用形成疲劳破坏。
同时空泡在溃灭时产生高温（可达到300—500摄氏度），与周围介质形成温差，产生温差电势，造成电化学腐蚀，而高温作用下产生氧，并增加其他有害气体的活性，产生腐蚀。
由于以上几种因素的联合作用，加快了过流表面的腐蚀破坏，这就是空蚀。
空蚀是空化的直接结果，空蚀只发生在固体表面。
由以上分析我们知道空化、空蚀的根本原因是水轮机自身产生的低压造成的。
而液体在混流式机组过流管道中低压的形成主要有：1)、翼型绕流：当水流绕流水轮机翼型叶片时，叶片背面的压力往往为负压，当叶片背面压力降低到环境汽化压力以下时，将会出现空化区空蚀水轮机叶片，对水轮机叶片造成破坏，即翼型空蚀。
2）、狭小空隙：当水流流过混流式机组导叶上下断面、立面密封、迷宫环等狭小通道或间隙时，将会导致局部流速升高，压力降低，当压力降低到环境汽化压力以下时，同样会产生空化区，空蚀导叶、叶片等，即间隙空蚀。
空化和空蚀的原理及应用
空化和空蚀的原理及应用空化（Cavitation）是指在流体中由于压力降低而引起的气化现象。
而空蚀（Erosion）则是指由于流体中存在的空化诱发流体的快速扩散和冲击而导致的固体材料表面的破坏。
空化的原理如下：当流体在高压区域流动到低压区域时，压力降低会导致液体分子之间的吸引力减小，分子的动能趋于增加，当达到一定程度时，液体中部分分子就开始从液相过渡到气相，形成气泡。
这种气泡在低压区域形成，但随着流体的流动而向高压区域移动，气泡被高压区域的压力挤压，气泡内的压力迅速升高，气泡会快速崩碎，形成冲击波，产生高压和高温，从而对固体材料表面造成破坏。
空蚀的原理如下：当液体中存在着气泡时，流体在气泡周围的流动速度会增大，压强也会下降，这会导致流体中的空泡加速膨胀和坍缩，形成水锤效应。
这种水锤效应会导致流体中的冲击力增大，加速流动，产生高速流体颗粒对固体表面的撞击和破坏，导致固体表面的空蚀。
1.水泵和液态喷嘴：在水泵和液态喷嘴中，由于高压区域到低压区域的压力降低，会发生空化现象。
通过控制压力和流速，可以调节空化现象的强度，以实现所需的液体流量和压力。
2.超声波清洗：超声波清洗是利用空化和空蚀的原理进行清洗的方法。
超声波产生的高频率声波在液体中形成气泡，并通过空化破坏污垢表面的结构，以加快清洗效果。
3.船舶和飞机螺旋桨的设计：在船舶和飞机螺旋桨的设计中，需要考虑流体流动的效率和稳定性。
通过了解空化和空蚀的原理，设计出能够减少空化和空蚀的螺旋桨结构，提高流体的工作效率和螺旋桨的使用寿命。
4.水力发电站和水轮机：在水力发电站和水轮机中，由于水流的高速冲击和涡流形成的压力下降，会引发空化和空蚀的现象。
通过对水轮机和水流的研究，可以减少空化和空蚀的风险，提高发电效率和设备的使用寿命。
5.燃油喷射系统：在汽车和航空发动机中的燃油喷射系统中，通过控制喷油峰值压力和喷油峰值流量，可以改善空化和空蚀的问题，提高燃油的喷射效果和燃烧效率。
3_水轮机的空蚀空化(11水动)
（2）空蚀破坏类型
空蚀类型
翼型空蚀 间隙空蚀 局部空蚀
特
点
多数情况下位于叶片背面下部片出水边 位置 发生于叶片外缘于转轮室之间叶片根部 与转论体之间的间隙附近
由于局部流态变化而造成，如固定螺丝、 台阶、凹陷，混流式上冠减压孔
空腔空化
反击式水轮机在非设计工况形成的涡带
23
（3）空腔空化的机理
反击式水轮机所特有的一种旋涡空化。对于反击式水轮机， 在非设计工况运行时，转轮出口水流存在一定的圆周速度分量， 在其作用下，在转轮后产生涡带，涡带中心形成很大的 负压，这种涡带一般以低于水轮机转 速的速度在尾水管中旋转，造成尾水 管中流场发生周期性的变化，并引起 机组的振动和噪音。
第三章 水轮机空化与空蚀
第一节 空化与空蚀的机理
一、水轮机空蚀与磨损情况简介
在我国已投产的电站中，相当一部分电站 由于空蚀磨损破坏，导致机组效率下降、出力 减小、振动加剧，不仅威胁水电站的安全运行， 而且严重威胁电网的安全运行。
2
三门峡水电厂机组在泥沙 磨损和空蚀的联合作用下， 水轮机过流部件严重破坏， 水轮机运行15000小时必 须扩修，其中4# 机运行2 年过流部件严重损坏，效 率下降 8.7%。
3
黄河上游的刘家峡水 电站由于空蚀磨损破坏， 不仅转轮上出现大面积破 坏深坑，活动导叶关闭不 严无法停机，有时被迫安 排两台机组进行扩大型大 修。
4
宝珠寺水电站由于机组运行 工况较差，转轮上冠靠叶片 背面根部发生较严重的空蚀 破坏，尾水管锥管里衬上在 4个补气管根部 (顺水流旋 转方向斜向下约45o处)气蚀 严重，面积达600mm×700 mm，最严重的已气蚀穿孔。
20
C、冲击波理论
水力机械的空化与空蚀
即
p p a v [ H ] [ H ] 10 . 33 0 . 24 s
pv
4 水力机械的空化与空蚀
进水池面与泵进口数 水力机械的汽蚀系数
hr H
2 c s H h g w 2 g 2 p p c p p s s v e v h H h a g w 2 g
水力机械的空化 与空蚀
4 水力机械的空化与空蚀
§4-1 汽蚀现象
• 某温度 T 下→临界压力（ Pv 一般） →空泡→向高压区移动→溃灭凝结 →破坏（疲劳破坏，剥蚀、电化学） →噪音，性能下降。
4 水力机械的空化与空蚀
§4-1 汽蚀现象
• 某温度 T 下→临界压力（ Pv 一般） →空泡→向高压区移动→溃灭凝结 →破坏（疲劳破坏，剥蚀、电化学） →噪音，性能下降。
§4-2 汽蚀性能参数
4 水力机械的空化与空蚀
§4-2 汽蚀性能参数
① S-0列能量方程
2 2 p c p s s 0 c 0 Z Z h s 0 s 0 2 g 2 g
② 0-k列相对运动伯努利方程
2 2 2 2 p p 0 W 0 u 0 k w k u k Z Z h 0 k 0 k 2 g2 g 2 g2 g
4 水力机械的空化与空蚀
§4-2 汽蚀性能参数
2 2 2 2 2 2 2 w w c u u w w c 2 k 0 0 0 k 0 k 0 h Z Z h [( ) 1 ] ( 1 ) r k s s k 2 g2 g2 g 2 g w 2 g 0
水力机械空化与空蚀
§ 1-2 汽蚀性能参数
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五、允许吸上真空高[Hs]′ 1、定义：使之不发生气蚀，泵进口（水轮机出口）所允许的最大真空度 2、表达式
Hs pa
要不发生汽蚀 ha [h] ,当 ha [h]时,
c s2 p [ H s ] [h] v 2g pa
hr 与ha 3、 h 的关系 h r a
WUHAN
a. 与装置无关， 与装置有关 hr b. 越小，抗汽蚀性能越好
四、允许汽蚀余量 保证不发生汽蚀的最低汽蚀余量
UNIVERSITY
[h] hcr K
[h] hr K
实际中常用 hcr 代替 hr ： K—安全余量
WUHAN
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。
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2 2 u0 uk Zk Zs 0 0 2g 2 2 2 w0 wk 2 w0 c0 [( ) 1] 2 hs k 2 g w0 2g 2g 2 2 c0 c0 (1 ) 1 2g 2g 2 2 c0 w0 即： hr 1 2 2g 2g
WUHAN
UNIVERSITY
§1-1 空化、空蚀(汽蚀)现象
WUHAN UNIVERSITY
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。
浅谈水轮机的空化和空蚀机理以及抗空化的措施
维普资讯
《 湖南水利水电｝ｏ８ ２ｏ 年第 ３ 期
屈红 岗
（ 新邵 县 晒谷 滩水 电站 新 邵县 ４ ２０ ） ２ ９ ０
【 摘
要 】 在 水轮 机 运行 中， 常在 空化 程 度还 不足 以对 水轮机 工作 特 性产 生 可测 影 ｖ 前 ， 通 向 空化 已
１ 空化及空蚀机理
１ １ 空化 初 生 ．
性 等 物 理 性 质 的影 响 ， 时 还 与 气 体 的扩 散 、 解 、 传 导 有 同 溶 热
一
定联系 。 含 气 型 空 穴 ， 压 缩 过 程 与 蒸 汽 泡 有 较 大 的不 同 。 泡 在 其 气
液 体 中含 有 气 泡 就 破 坏 了 液体 单 一 性 结 构 ，使 连 续 性 受 被 压缩 的 过 程 中 将 会 出 现 回弹 现 象 空 泡 在 达 到 最 大 直 径 之 到 影 响 。实 验 证 明 未 溶解 的 气 体 可 以 以 空腔 的形 态 存 在 于 容 前 有 一 较 长 而 连 续 的 发 育 期 ，紧 接 着 就 以更 加 迅 速 地 溃 灭 至 器 壁 上 的亚 微 观 、 水 性 的裂 缝 中。 液 体 中微 观 固体 质 点 的 尺 寸 接 近 于 零 ， 后 又 再 生 一 个 稍 小 的空 穴 。 着 又 溃 灭 ， 憎 或 而 接 这 缝 隙 中 。空 化 的 产生 基 于 液体 中存 在 着 大 量 的溶 性 气 体 及 蒸 种 回弹 再 生 的周 期 明 显 地 重 复 两次 ， 有 重 复 多 次 的 迹 象 ， 并 尺
下 降 ， 核 缓 慢 膨 胀 。 周 围 压 力 降低 到 汽 化 压 力 以 下 的 临 界 或 高 于 大 气 压 力 ， 轮 机 导 叶处 仍 发 生 严 重 的 空 蚀 。 我 国 云 气 当 水 如
水轮机的空化与空蚀
水轮机的空化与空蚀作者：李欣来源：《科技创新与应用》2016年第14期摘要：空化与空蚀现象在水轮机中非常常见，会造成水轮机的叶片磨蚀损坏，导致水轮机的性能与经济效益下降，改善空化与空蚀现象需要制造工艺水平的提升与设计的改善，超空化水轮机的空化、空蚀大大降低，但是它的实用化仍旧有很长的路要走。
关键词：空化；空蚀；原理；种类；危害；降低空蚀的措施；超空化水轮机中存在的空化、空蚀现象会对水轮机的性能产生不利的影响，因此在设计运行时要尽可能地避免，并将空化、空蚀对水轮机的性能的不利影响降到最低。
空化现象指的是水轮机流道中局部压力降至临界压力时，水中气核慢慢成长为气泡，气泡将液体中的蒸气和溶液中析出的气体包裹起来。
当进入压力较低的区域时，气泡则会逐渐长大，当气泡随水流运动到压力较高的区域时，在高压的作用下会迅速凝缩溃灭。
因此，空化是指气泡从集聚、流动、分裂到溃灭的这一过程。
空化现象不仅发生在液体内部，也会出现在固体边界上。
空蚀指的是由于空泡的溃灭所引发的过流表面金属材料的损坏。
空泡在溃灭的过程中伴随着机械、电化、热力、化学等过程的作用。
空化、空蚀会导致水轮机的性能下降，水轮机的过流部件表面会遭到损坏，甚至会使金属材料的局部发生脱落。
发生空蚀的主要原因是空泡溃灭所产生的机械作用，包括冲击波模式和射流模式两种。
通过对空蚀现象的观察，我们会发现空蚀在边界上分布并不均匀，而是集中在某些位置。
当第一个蚀坑形成后，在一定的条件下，它的发展速度要比其它的地方快，蚀坑越来越大、越来越深，最后将导致材料破碎而被水冲走。
除此之外，也可以用热力学和电化作用来解释空蚀现象。
空蚀产生的原因十分复杂，它在多重作用下发生，并且与化学腐蚀、泥沙磨损等相互促进，使得材料被进一步破坏。
水轮机按空化与空蚀发生的部位不同可以分为翼型空蚀、间隙空蚀、局部空蚀和空腔空蚀。
翼型空蚀是反击式水轮机的主要空蚀类型，在叶片的不同部位都有可能会出现空蚀区，转轮型号及运行工况都会影响到空蚀区的发展。
空化与空蚀的原理及应用pdf
空化与空蚀的原理及应用1. 空化的概念•空化是指在液体或气体流动中，由于速度或压力的变化引起流体中的部分区域压力低于饱和蒸汽压时，液体中的蒸汽泡的生成和崩溃现象。
•空化是一种相变现象，主要发生在流体中。
2. 空化的原理•当流体速度或压力较高时，流体中的静压力会增加，达到蒸汽的饱和压力，使得蒸汽形成微小气泡。
•这些气泡在流体中会不断增大，直到达到稳定状态。
若流体中的压力减小，则会造成气泡的崩溃。
•空化现象的发生，会引起流体的不稳定性，对设备和管道的影响较大。
3. 空蚀的概念•空蚀是指由于流体中的空化现象，在设备或管道中形成空蚀流动的现象。
•空蚀一般带来很多负面影响，如噪音、震动、磨损等。
•空蚀会对设备的正常运行造成影响，并可能导致设备失效。
4. 空蚀的原理•当流体中存在空化现象时，会引起流体的震荡和振动。
•这种震荡和振动会导致流体中气泡的崩溃和聚集，进一步加剧空化现象。
•空蚀的产生和发展过程较为复杂，涉及流体动力学、热力学和力学等多个学科。
5. 空化与空蚀的应用•了解空化与空蚀的原理，有助于我们更好地设计和改进流体传动设备和管道。
•在航空航天、能源、化工、海洋工程等领域，空化与空蚀的研究具有重要意义。
•在设备运行过程中，我们可以通过优化设计，改善流体的流动状态，来减小空化和空蚀的产生。
6. 空化与空蚀的防止措施•选用合适的材料，可以提高设备和管道的抗空化和抗空蚀能力。
•设计合理的减压装置，可以降低系统内部的压力变化。
•增强设备的保护措施，如加装过滤器、安装降压阀等。
•定期检查设备和管道，及时发现和处理可能导致空蚀的问题。
7. 小结•空化与空蚀是液体或气体流动中常见的相变现象。
•空化与空蚀的发生会对设备和管道的正常运行造成负面影响。
•了解空化与空蚀的原理，有助于我们采取相应的措施来减小空蚀的发生。
•在应用中，我们需要合理设计和选择材料，来提高设备和管道的抗空蚀能力。
以上是关于空化与空蚀的原理及应用的简要介绍，希望对您有所帮助。
水轮机的空化与空蚀
水轮机的空化与空蚀空化与空蚀现象在水轮机中非常常见，会造成水轮机的叶片磨蚀损坏，导致水轮机的性能与经济效益下降，改善空化与空蚀现象需要制造工艺水平的提升与设计的改善，超空化水轮机的空化、空蚀大大降低，但是它的实用化仍旧有很长的路要走。
标签：空化；空蚀；原理；种类；危害；降低空蚀的措施；超空化水轮机中存在的空化、空蚀现象会对水轮机的性能产生不利的影响，因此在设计运行时要尽可能地避免，并将空化、空蚀对水轮机的性能的不利影响降到最低。
空化现象指的是水轮机流道中局部压力降至临界压力时，水中气核慢慢成长为气泡，气泡将液体中的蒸气和溶液中析出的气体包裹起来。
当进入压力较低的区域时，气泡则会逐渐长大，当气泡随水流运动到压力较高的区域时，在高压的作用下会迅速凝缩溃灭。
因此，空化是指气泡从集聚、流动、分裂到溃灭的这一过程。
空化现象不仅发生在液体内部，也会出现在固体边界上。
空蚀指的是由于空泡的溃灭所引发的过流表面金属材料的损坏。
空泡在溃灭的过程中伴随着机械、电化、热力、化学等过程的作用。
空化、空蚀会导致水轮机的性能下降，水轮机的过流部件表面会遭到损坏，甚至会使金属材料的局部发生脱落。
发生空蚀的主要原因是空泡溃灭所产生的机械作用，包括冲击波模式和射流模式两种。
通过对空蚀现象的观察，我们会发现空蚀在边界上分布并不均匀，而是集中在某些位置。
当第一个蚀坑形成后，在一定的条件下，它的发展速度要比其它的地方快，蚀坑越来越大、越来越深，最后将导致材料破碎而被水冲走。
除此之外，也可以用热力学和电化作用来解释空蚀现象。
空蚀产生的原因十分复杂，它在多重作用下发生，并且与化学腐蚀、泥沙磨损等相互促进，使得材料被进一步破坏。
水轮机按空化与空蚀发生的部位不同可以分为翼型空蚀、间隙空蚀、局部空蚀和空腔空蚀。
翼型空蚀是反击式水轮机的主要空蚀类型，在叶片的不同部位都有可能会出现空蚀区，转轮型号及运行工况都会影响到空蚀区的发展。
间隙空蚀指的是当水流通过狭小通道或间隙时局部流速会升高，导致压力下降而产生空蚀，间隙空蚀在转浆式水轮机中最为突出，发生区域多在转轮叶片外缘与转轮室之间以及叶片根部与转轮体之间的间隙附近。
浅谈水轮机的空化和空蚀
技术报告——浅谈水轮机的空化和空蚀水轮机在运行中存在四大问题：动能指标（流量、出力、转速）、效率、空化性能、稳定性。
在上述问题中，空化、空蚀被喻为水轮机的“癌症”。
所以在水电厂水轮机运行生产过程中空化、空蚀是一个必须注意和避免的问题，我们必须了解其物理性质，然后找到避免和处理的方法。
空化是一种液体现象，固体或气体都不会发生空化。
当液体温度一定时，降低压力到某一临界压力时，液体也会汽化或溶解于液体中的空气发育成空穴，这种现象称为空化。
沸腾也是一种汽化，但沸腾是液体在衡定压力下加热，液体温度高于某一温度时发生的汽化，与空化不同之处就在于沸腾主要是热能交换的过程，而空化可近似看作是一个冷过程。
空化包括了空穴的出生、发育和溃灭。
当液体的压力降到某一临界值时，液体中便会产生空穴，这些空穴进入压力较低区域时，就开始发育成较大的气泡，气泡被流体带到高于压力临界值的区域时就会溃灭。
在空化区，空泡的不断产生又不断溃灭过程中，将产生高频高压的微观水击，由于高频高压的水击直接作用于过流表面，形成机械破坏，长期反复作用形成疲劳破坏。
同时空泡在溃灭时产生高温（可达到300—500摄氏度），与周围介质形成温差，产生温差电势，造成电化学腐蚀，而高温作用下产生氧，并增加其他有害气体的活性，产生腐蚀。
由于以上几种因素的联合作用，加快了过流表面的腐蚀破坏，这就是空蚀。
空蚀是空化的直接结果，空蚀只发生在固体表面。
由以上分析我们知道空化、空蚀的根本原因是水轮机自身产生的低压造成的。
而液体在混流式机组过流管道中低压的形成主要有：1)、翼型绕流：当水流绕流水轮机翼型叶片时，叶片背面的压力往往为负压，当叶片背面压力降低到环境汽化压力以下时，将会出现空化区空蚀水轮机叶片，对水轮机叶片造成破坏，即翼型空蚀。
2）、狭小空隙：当水流流过混流式机组导叶上下断面、立面密封、迷宫环等狭小通道或间隙时，将会导致局部流速升高，压力降低，当压力降低到环境汽化压力以下时，同样会产生空化区，空蚀导叶、叶片等，即间隙空蚀。
水轮机的空化与空蚀
形成一种对称真空涡带，引起尾水管中水流速度和压力的 脉动，在尾水管进口处产生空蚀破坏，还可能造成尾水管 振动。
❖ 局部空蚀：在过流部件凹凸不平因脱流而产生的空蚀。
翼形空蚀 空腔空蚀
间隙空蚀 局部空蚀
尾水管内的1.4真.2 V空ort涡ex O带bserved in Francis Runner
任一水轮机在既定工况下，б也是定值。 ❖ б值影响因素复杂，理论难以确定，广泛使用的
方法是进行水轮机模型试验得出бm,并认为б=бm。
二、水轮机的吸出高度
为了防止空蚀，必须限制k点的压力，使pk≥pv
pk
pa
Hs
(Wk2 W22 2g
w
V22 2g
)paHs来自H保证水轮机内不发生汽蚀的条件： pk≥ pv
三、水轮机的安装高程
1. 立轴HL：导叶中心平面高程
Za=▽w+Hs+b0/2 2. 立轴ZL：导叶中心平面高程
Za=▽w+Hs+xD1 (x=0.38~0.48) 3. 卧轴HL和GL：轴中心高程
Za=▽w+Hs-D1/2 注： ▽w ：水电站设计尾水位, 选用水电站最低尾水
位（1~2台机组时取一台机组50%额定流量， 3~4台机组时取一台机组额定流量）
1．
复习题：
1 什么是空化与空蚀？ 2． 2 空蚀的机理是什么？ 3． 3 水轮机中常发生哪些空化？ 4． 4 什么是水轮机的空化系数？水轮机空化系数有哪些特性？ 5． 5 什么是电站的空化系数？电站的空化系数与水轮机空化系数有什么关系？为什么 ？ 6． 6 通过什么方法如何确定水轮机的空化系数？ 7． 7 如何确定水轮机的安装高程？ 8． 8 从大的方面讲，防止水轮机空蚀常采用哪些措施？ 9． 9 采用哪些措施防止尾水管中的空腔空化和水力振动？
水轮机的空化空蚀、泥沙磨损
水轮机的空化空蚀、泥沙磨损水轮机的空化空蚀、泥沙磨损第一节空化与空蚀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。
（气蚀一词，来源于拉丁文，形成空穴之意，目前国内的译法很不统一，有气蚀、汽蚀、空蚀、空穴、空泡等各种译法）一、空化现象这是一种流体力学现象。
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）。
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。
水轮机空蚀
损联合作用）
学术方面存在的争议
❖ 空蚀占主导地位 ❖ 磨损占主导地位 ❖ 联合作用
空蚀破坏的后果
❖ 产生振动和噪音 ❖ 影响水轮机的效率和出力 ❖ 影响水轮机的寿命
水轮机空蚀的防护
❖ 在水轮机的设计制造方面（好的翼形、材料、 加工精度等）
❖ 在工程措施方面（降低安装高程、拦沙排沙 等）
❖ 在运行管理方面（合适的运行区域、补气、 及时检修、表面涂层保护等）
❖ 与水的温度和压力有关
水在各种温度下的空化压力
温度t(oC) 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
空化压力PB/γ 0.06 0.09 0.12 0.24 0.43 0.75 1.26 2.03 3.17 4.83 7.15 10.33 （mH2O）
注：γ为水的容重 ,其值为9.81N/m3。
水轮机空蚀
主讲：马跃先 教授 郑州大学水利与环境学院
❖ 空蚀现象的发现过程 ❖ 水流的空化机理 ❖ 水轮机的空蚀 ❖ 水轮机的空蚀类型 ❖ 空蚀破坏的作用形式 ❖ 学术方面存在的争议 ❖ 空蚀破坏的后果 ❖ 水轮机空蚀的防护
空蚀现象的发现过程
水流的空化机理
❖ 在水中存在空气、蒸汽、微颗粒等异相介 质，也就是所谓的空化核
水轮机的空蚀
❖ 低压区----形成空泡-----扩展膨胀 ❖ 高压区----空泡溃破-----对过流表面作用（高频、高压、高温）
❖ 水轮机空蚀的定义：在水轮机流道内，水流在低压区空化形成空泡及空 泡在高压区溃破而对过流表面所产生的一系列作用。
水轮机的空蚀类型
翼形空蚀
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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