第三章 水轮机的空化与空蚀(10)讲解

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 ”
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。
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。
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。
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。
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
百度文库
2g
2

p2 r

w22 2g

u22 2g
hk2
----（1）
Z2

p2 r

v22 2g
Za

pa r

va2 2g
h2a
----（2）
由于 v2 va 0 ; k点、2点很靠近，即
uK u2 , hK2 0 , 且令 Z2 Za Hs
由于
h2a
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。
3、化学作用 空泡溃灭时产生的高温可达数百度，在高温
作用下，从水中析出的氧或其它气体，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。
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。
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
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，
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
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，
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，
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
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。
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。
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
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
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
§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，
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;
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。
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。
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
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
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。
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