水轮机空化_空蚀的预控与处理_贺文静
浅谈水轮机的空蚀及防治
浅谈水轮机的空蚀及防治作者：李修文来源：《农业与技术》2017年第13期摘要：文章分析了水轮机产生空蚀的原因与危害，从设计制造、运行和检修3个方面采取措施。
关键词：水轮机；空蚀；防治；措施中图分类号：TK73 文献标识码：A DOI：10.11974/nyyjs.20170732020桐城市牯牛背水库二级电站为引水式电站，装机容量2×200kw，水轮机型号为ZD560—LMY—60，转轮叶片装置角ψ =+10°，设计发电流量2.22m3/s，设计水头8m，最高水头12m。
电站自1995年5月投产以来，水轮机空蚀（曾名“气蚀”）比较严重，直接威胁机组的安全运行，影响机组的出力和效率。
因此，结合空蚀产生的机理采取防治空蚀的措施，效果显著。
1 水轮机空蚀的产生从空蚀发生的位置来看，水轮机空蚀类型主要包含3种，分别为翼型空蚀、空腔空蚀及间隙空蚀。
1.1 翼型空蚀指空蚀发生在转轮上，经转轮转化，水能变为机械能，此时，水压力会作用于每个叶片上，通常，正压力及负压力分别位于叶片的正面及背面，降低背面压力，且成为汽化压力后，空蚀产生。
轮叶制造过程中，如果存在叶片形状不正确等问题，会降低轮叶的质量。
最为普遍的空蚀位置即为轮叶背面，背面出水边下半部与下环处接近位置、叶片背面接近上冠位置均较易发生空蚀，严重时，背面其他部位也会出现空蚀，甚至出现在正面。
翼型空蚀发生后，蜂窝状孔洞出形成于叶片上，破坏叶片，水流连续性受到影响后，会降低机组的运行效率。
1.2 空腔空蚀水流旋转形成于尾水管内时，导致真空形成于中心空腔出，造成此种类型空蚀。
非工情况下，水轮机的运行导致其法向出口遭到破坏，使脱流与漩涡形成，再加上整个轮转口的旋转水流，造成大旋流形成于转轮出口与尾水管进口。
大旋流中心所形成的压降非常大，达到汽化压力状态后，空腔空蚀产生。
在尾水管内，大旋流的旋转频率一定，因此，尾水管四周会受到其中心真空带周期性的扫射，导致空蚀破坏尾水管壁，使周期性压力波动产生，造成强烈噪音、金属打击声等产生，甚至出现放电等现象，对水轮机运行的稳定性产生影响。
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。
第三章 水轮机的空化与空蚀(10)讲解
2g
2
p2 r
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----（1）
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Za
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--、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
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pv r
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H
则压力余量的相对值为：
pk
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令
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称电站的空化系数
水力机械空化磨损控制关键技术及应用 科学技术奖
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水轮机的空化和空蚀
空化是液体中压力降低的结果。液体在流动过程中当速度发生变化
时，其压力也会同时发生变化。如果压力下降到使该液体汽化的临界压 力之下，就将发生空化。在水轮机流道内某些区域压力降低的原因主要
是由水流对转轮做功所引起的。此外，局部流速过高或流动脱离边界层
形成脱流也可导致压力降低。例如，非流线翼型绕流，流道的突然扩散 或收缩等都会造成不良的流动条件。
空化空泡Βιβλιοθήκη 空化空泡水轮机空化系数与电站空化系数
水轮机空化系数σ 不同型式水轮机的吸出高度
反击式水轮机的空化系数及电站空化系数 下面分析和推导叶片不发生空化的条件和表征水轮机空化性能的空化
系数。
图4-15为一水抡机流道示意图，设最低压力点为 K点。其压力为 pK ，2点为叶片出口边上的点，压力
为 p2 ，a点为下游水面上的点，pa 为下游水面上的压
w Hs b0 2
式中
w ——尾水位，m；
b0——导叶高度，m。
水轮机安装高程的确定 ⑵立轴轴流式水轮机 式中
w H s XD1 D1—转轮直径，m；
X—轴流式水轮机结构高度系数，取0.41。
⑶卧式反击式水轮机
w H s
D1 2
H s 10 H 900
式中
——水电站下游水面相对于海平面的标高。
安装高程定义及计算公式 反击式水轮机的安装高程是指水轮机导叶中心线（立式机组）或主轴
中心线（卧式机组）的海拔高程。
水轮机安装高程用符号 表示。不同装臵方式的水轮机安装高程的计 算方法如下： ⑴立轴混流式水轮机
最后整理后得
Hs pa pv H
式中
pa——水轮机安装处的大气压力； pv ——该处相应于平均水温下的汽化压力； ——相应工况点的水轮机空化系数，由综合特性曲线查得；
水利机械内空化、空泡和空腔的深入分析-水利水电论文-水利论文
水利机械内空化、空泡和空腔的深入分析-水利水电论文-水利论文——文章均为WORD文档，下载后可直接编辑使用亦可打印——引言水力机械的空化、空蚀和稳定运行问题历来是水力机械行业共同关注的基本问题。
经过近百年来的研究探索，特别是不锈钢等抗空蚀材料的大量采用，空蚀对水力机械的危害程度已有所减轻，水力因素导致的水力机械运行不稳定也得到一定扼制。
但是，当空化发生后，水中掺杂了空化气泡（以下简称空泡）或空化空腔（以下简称空腔），水流变成了气液两相流，使原来的单相流特性产生了很大的变化。
过去有许多概念和认识是建立在单相流基础上的，关于空化和压力脉动、压力脉动和空蚀等之间的关系及空泡和空腔在其中的作用等不是很清楚，甚至有部分错误的认识和理解，给深入研究和解决水力稳定性等问题带来一定影响。
本文拟从对空化、空泡和空腔的深入分析入手，解析它们对两相流条件下稳定性等带来的危害，以进一步理清它们之间的相互关系。
1 空化、空泡和空腔一般的气泡内部压力大多高于或接近于大气压，通常在水力机械模型试验时看到的游离气泡和部分附着在流道表面的气泡多属于该类气泡。
空泡则是指水体空化后产生的气泡，且空泡内的压力通常都低于空化压力。
空泡属于气泡，但不同于一般气泡，二者最大、最本质的区别在于内部压力是否低于空化压力。
当然，空泡内的主要成分是水蒸汽，氮气、氧气等空气中主要成份较少；而水中的游离气泡则不同，其主要成分是空气。
高压气泡在水中的存在方式由其压力属性决定，只能存在于其适合的压力区。
当其附着于叶片等流道表面时，可能随压力变化而改变尺寸大小，反而不易被裹夹进水流；只有当压力降低到负压甚至汽化压力之后，这些气泡才更容易被吸走，这也是空化试验前先抽真空并保持一段时间的原因之一。
那些游离于水中的高压气泡也不例外，其只能存在于高压区，即使偶尔被水流裹夹进低压区，一旦失去裹夹力的限制，其自然会漂移至高压区，这也是通常称其为游离气泡的原因。
许多水电站试图用补气的方式消除压力脉动没有成功，大多是因为补气位置选择不当，补气点压力高，补入的高压空气和游离气泡一样向高压区漂移，大部分空气没有进入低压空腔，因此起不到降低压力脉动作用。
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
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。
双庙湖水电站水轮机汽蚀的产生和防治综合措施
双庙湖水电站水轮机汽蚀旳产生和防治措施【文摘】汽蚀在水轮机中发生旳部位不同，有翼型汽蚀、空腔汽蚀和间隙汽蚀等3种。
它旳产生导致水轮机工作机件表面受到侵蚀和剥落，使过流部件形成麻点或蜂窝孔洞，引起机组振动，减少效率和出力。
提出了防治措施及解决措施，实例中效果明显。
【主题词】水电站运营水轮机空蚀水轮机振动设备维修措施1、水轮机汽蚀旳产生及影响根据汽蚀在水轮机中发生旳部位不同，一般有翼型汽蚀、空腔汽蚀和间隙汽蚀等3种。
1)翼型汽蚀它重要是由于轮叶翼型旳形状所引起旳。
反击式水轮机旳转轮叶片，沿流线方向旳截面为空气动力型，水流绕叶片流动使其正面和背面导致压差，从而使转轮获得力矩，一般叶片正面大部分为正压，叶片背面为负压。
如果叶片背面压力减少至汽化压力时，就发生翼型汽蚀，产生大量汽泡，破坏水流正常持续性流动，导致机组出力和效率旳减少。
此外，由于轮叶制造材料质量不良，形状不对及表面不光等，产生旳翼型汽蚀将使轮叶形成蜂窝状孔洞，如不及时检修．可导致轮叶击穿而破坏。
翼型汽蚀一般发生在叶片背面出水边下半部靠轮环处和叶片背面与轮毂接近处。
2)空腔汽蚀它是由于在尾水管内旳水流旋转，使中心空腔处形成了真空而导致旳。
重要因素是由于水轮机在非设计工况下运营(在水轮机出力旳5％限制线以外时)，破坏了水轮机旳法向出口，产生了脱流和旋涡，再加上整个转轮出口旳旋转水流，在转轮出口和尾水管进口形成一种涡带，其中心产生很大压降，当降至汽化压力时，便产生了空腔汽蚀。
这种涡带以一定旳频率在尾水管内旋转，其中心旳真空带周期性地冲击尾水管旳四周，导致对尾水管壁旳汽蚀破坏，产生周期性旳压力波动，形成强烈旳噪音、金属打击声、轰隆声或雷鸣声，甚至发生放电、闪光现象，严重时会引起机组旳强烈振动，影响水轮机旳稳定运营。
空腔汽蚀一般发生在水轮机座环内侧和尾水管上半段。
3)间隙汽蚀这是水流通过某些间隙或较小旳通道时，因局部流速升高，压力减少到汽化压力时而产生旳。
我国水轮机空蚀与空化研究现状
我国水轮机空蚀与空化研究现状论文水力机械中的空化空蚀一直是困扰流体机械发展的首要问题之一。
在水利水电工程中,空化空蚀一直作为一个重要的问题被进行研究。
这些问题主要包括空泡溃灭的形式、空蚀的性质,空化与空蚀的相关性、空化与其噪声的相关性、空化噪声与水力参数的关系、临界空化的噪声判断、空化改善状况的噪声判别,空化比尺效应的种种影响,如雷诺数Re、脉动压力p’、水中含气量和气核尺寸、水体的抗拉强度和表面粗糙度，空化声学量测的一些条件,空蚀评价的指标等等。
我国通过对空化产生的这些机理进行了广泛深入的研究，清楚地了解了空化发生的条件及产生的结果。
并对如何在工程实际中监测空化现象的发生及判断其严重程度，至今仍在不断地探索中。
在这漫长的过程中，我国最近所取得的成就很多，也很广。
不但在空蚀与空化的产生条件、水轮机转轮空蚀量预估上做出研究，并取得了很好的成果，还在解决空蚀空化上也做出大量的努力，花巨资去研究如何可以监测与分析。
比如，水口水轮机空化空蚀、水力稳定性及主要部件应力状态研究，工质为浑水时水泵与水轮机的空化与空蚀研究，水轮机空化空蚀破坏的在线监测方法及诊断装置，根据空化引起的水轮机振动来预测空蚀破坏软件，基于LabVIEW的便携式水轮机空蚀监测，动态离子束混合对水轮机材料空蚀改性的研究，大型水轮机空化在线监测与分析——方法及应用研究，水轮机空化空蚀分析软件设计等等。
空化在微观方面的理论大多立足于空泡动力学对空泡的发展变化进行分析。
Arrojo研究了水力空化中单个空泡产生、发展和溃灭的全过程。
分析结果发现，在空泡运动过程中，化学稀疏和压力恢复过程的时间尺度起着关键作用，特别是发展阶段，较大的化学稀疏时间促进了空泡的发展。
何国庚从空泡动力学出发，借助非平衡态动力学理论，建立了有相变化时球形气核与围流液体之间能量流和物质流的方程式，并结合自由气核发育的动力学方程和自由气核的热力学方程，提出了判断满足空化初生条件的标准。
水轮机空蚀与磨损作业指导书
水轮机空蚀与磨损作业指导书一、概述水轮机是一种将水能转化为机械能的装置，常用于发电厂和水利工程。
然而，由于长期运行和使用不当等原因，水轮机可能会出现空蚀和磨损问题。
本作业指导书旨在帮助操作人员了解水轮机空蚀和磨损的原因以及如何进行预防和修复。
二、空蚀问题1. 空蚀现象空蚀指在水轮机叶片表面形成气泡或水蒸汽，并带有高速冲击力的问题。
空蚀的存在会导致叶片表面损坏，降低水轮机的效率。
2. 空蚀原因（1）水质问题：水中含有气体或溶解的气体浓度过高时，易产生空蚀。
（2）进口水速度过高：当进口水速度过高时，会产生负压，导致空蚀。
（3）叶片表面粗糙度：叶片表面粗糙度过大，容易形成气泡，造成空蚀。
3. 空蚀预防措施（1）改善水质：定期对进水管道进行清洗和维护，确保水质符合要求。
（2）控制进口水速度：根据水轮机的设计要求，合理控制进口水速度，避免产生负压。
（3）提高叶片表面光洁度：定期对叶片进行清洗和磨光，降低表面粗糙度。
三、磨损问题1. 磨损现象磨损是指水轮机叶片表面与水流或颗粒物接触时，由于摩擦而导致叶片表面的磨损。
长期磨损会导致叶片减薄、变形和失效。
2. 磨损原因（1）颗粒物侵蚀：水中悬浮的颗粒物会对叶片表面产生冲击和磨损。
（2）水流速度过高：水流速度过高会增加叶片表面与水流之间的摩擦力，导致磨损。
（3）叶片材料不合适：选择合适的叶片材料可以降低磨损程度。
3. 磨损预防措施（1）过滤水质：安装合适的过滤器，过滤掉水中的颗粒物，减少对叶片的冲击。
（2）控制水流速度：根据水轮机的设计要求，合理控制水流速度，避免过高速度引起的磨损。
（3）选择合适的叶片材料：根据水轮机的使用环境和水质情况，选择适合的叶片材料，提高其耐磨性能。
四、维护和修复1. 定期检查：定期对水轮机进行检查，发现空蚀和磨损问题及时处理。
2. 清洗叶片：定期清洗叶片表面，去除附着的沉积物和颗粒，减少磨损和空蚀的发生。
3. 磨光叶片：定期对叶片进行磨光处理，提高叶片表面的光洁度，减少磨损和空蚀的发生。
第四章水轮机的空化与空蚀(new)
第四章水轮机的空化与空蚀本章教学要求：1．了解空化、空蚀现象；2．掌握水轮机空化与空蚀的类型；3．掌握水轮机空化系数的意义和吸出高度的确定原则；4．掌握水轮机抗空化的措施。
第一节水流的空化一、水流的空化现象水轮机的空化现象是水流在能量转换过程中产生的一种特殊现象。
大约在本世纪初，发现轮船的高速金属螺旋桨在很短时间内就被破坏，后来在水轮机中也发生了转轮叶片遭受破坏的情况，空化现象就开始被人们发现和重视。
水轮机的工作介质是液体。
液体的质点并不象固体那样围绕固定位置振动，而是质点的位置迁移较容易发生。
在常温下，液体就显示了这种特性。
液体质点从液体中离析的情况取决于该种液体的汽化特性。
例如，水在一个标准大气力作用下，温度达到100℃时，发生沸腾汽化，而当周围环境压力降低到0.24mH2O时，空化现象即可发生。
图4-1表示了水的汽化压力与温度关系曲线。
图4-1 水温与饱和气泡压力关系曲线由于液体具有汽化特性，则当液体在恒压下加热，或在恒温下用静力或动力方法降低其周围环境压力，都能使液体达到汽化状态。
但在研究空化和空蚀时，对于由这两个不同条件形成的液体汽化现象在概念上是不同的。
任何一种液体在衡定压力下加热，当液体温度高于某一温度时，液体开始汽化，形成汽泡，这称为沸腾。
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形成空穴，这种现象称为空化。
我们以前通常所讲的气蚀现象，实际上包括了空化和空蚀两个过程。
空化乃是在液体中形成空穴使液相流体的连续性遭到破坏，它发生在压力下降到某一临界值的流动区域中。
在空穴中主要充满着液体的蒸汽以及从溶液中析出的气体。
当这些空穴进入压力较低的区域时，就开始发育成长为较大的气泡，然后，气泡被流体带到压力高于临界值的区域，气泡就将溃灭，这个过程称为空化。
空化过程可以发生在液体内部，也可以发生固定边界上。
空蚀是指由于空泡的溃灭，引起过流表面的材料损坏。
在空泡溃灭过程中伴随着机械、电化、热力、化学等过程的作用。
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。
第四章 水轮机的空化与空蚀
4、空腔空化和空蚀。空腔空化和空蚀是反击式水轮机所特 有一种漩涡空化，尤其以反击式水轮机最为突出。当反击 式水轮机在一般工况运行时，转轮出口总具有一定的圆周 分速度，使水流在尾水管产生旋转，形成真空涡带。当涡 带中心出现的负压小于汽化压力时，水流会产生空化现 象，而旋转的涡带一般周期性地与尾水管壁相碰，引起尾 水管壁产生空化和空蚀，称为空腔空化和空蚀。
1.动力真空
V22 Wk2 W22 hv hk a 2g 2g
动力真空值由水轮机的转轮和尾水 管所形成，它与水轮机各流速水头、转 轮叶片和尾水管几何形状有关，即与水 轮机结构及运行工况有关。 2.静力真空 静力真空：Hs=Zk-Za，称为吸出高度，它与水轮机安装 高程有关。取决于转轮相对于下游水面的装置高度，而与 水轮机型式无关。
（1）破坏水轮机的过流部件，如导叶、转轮、转轮室、上下 止漏环及尾水管等。 （2）降低水轮机的出力和效率，因为空化和空蚀会破坏水流 的正常运行规律和能量转换规律，并会增加水流的漏损和 水力损失。 （3）空化和空蚀严重时，可能使机组产生强烈的振动、噪音 及负荷波动，导致机组不能安全稳定运行。 （4）缩短了机组的检修周期，增加了机组检修的复杂性。空 化和空蚀检修不仅耗用大量钢材，而且延长工期，影响电 力生产。
空化过程可以发生在液体内部，也可以发生固定边界上。 空蚀只发生在固体边界上。 空蚀是空化的直接后果。
水轮机的空化现象是 水流在能量转换过程中 产生的特殊现象。
二、空蚀机理
空蚀的形成与水的汽化现象有密切的联系。 水的汽化压力：在给定温度下水开始汽化的临界压力。
水在各种温度下的汽化压力值
水的温度（℃） 汽化压力 （mH2O） 0 0.06 5 0.09 10 0.12 20 0.24 30 0.43 40 0.72 50 1.26 60 2.03 70 3.18 80 4.83 90 7.15 100 10.33
水轮机空化、空蚀的预控与处理
四
川
水
力
发
电
Ｖｏ． １３１．Ｎｏ ３ ．
Ｓｃ ｕａ Ｗ ａｅ Ｐｏ ｒ ｉｈ ｎ ｔｒ ｗｅ
Ｊ ｎ ， ２ ｕ ．２０ １
水 轮 机 空 化 、 蚀 的 预 控 与 处 理 空
贺 文 静
（ 四川嘉陵江新政航电开发有 限公 司， 四川 仪陇 ６ ７７ ） ３ ６６
ｍ 经计 算认 为其 属 于 Ｉ级 轻 微 空 蚀 程度 ， 轮 ｍ， 转 体其 余部 分和转 轮 叶片未 见空 蚀现 象 。为避免 继 续运 行导 致空 蚀程 度 扩 大 ， 响 机组 安 全 运 行 并 影 增 大处理 难度 和费用 ， 及时采 取 预控措 施 。 须
２ 原 因分析
年度 检修 时 ， 对空 蚀 区域 采 用涂 抹 环 氧 树 脂 配 方 剂 的方 法 进 行 处 理 ； 有 必 要 ， 机 组 大 修 若 在 时， 在空 蚀 部 位 采 用 不 锈 钢 焊 条 （ Ｈ ２ ７ 堆 焊 Ｃ Ｒ３）
表 １ 水轮机参数表
汛期 水量 丰 富 时 ， 时 间 的 高 负荷 运 行 （ 短 发 电机 出 口最 大功率 约为 １． ０５ＭＷ） 以及 枯水 期 低 尾 水位 运行 加快 了水 轮机转 轮 叶片根部 与转 轮体 之 间狭小 通 道 的水 流速 度 。按 原 理 推论 ， 高负 荷
收 稿 日 期 ：０ ２０ －１ ２ １ －１１
为使处 理效 果 更佳 ， 环 氧树 脂 中加 人 了增 在 塑剂 、 固化 剂 以及 适 当的 填 料并 均 匀混 合 。环氧 树 脂 的配方 如表 ２所示 。
４ ２ 基本 工 艺 ．
Ｓｈ ｎ ａｒｏｅ ｉｕ ｔ ｗ ｃ ａ Ｗ ｅＰ ｒ困
水轮机抗空化和空蚀措施
水轮机抗空化和空蚀措施摘要：水轮机空化和空蚀现象是不可避免的，但如果能够综合设计、制造、选型、运行以及检修各方面的考虑，深入分析与总结其防范措施，是可以在一定程度将其降低的。
故笔者结合多年现在经验，对这一部分内容进行了总结，以供参考。
关键词：水轮机空化空蚀Abstract: Turbine cavitation and cavitation phenomenon is inevitable, but if can integrate design, manufacture, selection, operation and maintenance of various aspects to consider, the thorough analysis and to sum up the preventive measures, is in a certain degree can reduce the. So the author combined with years experience now, for that part of the content is summarized, and for reference.Key Words: turbine cavitation erosion前言：一般来说，水轮机内完全避免发生空化和空蚀现象是不可能的，这是因为合理地确定水轮机的吸出高度，只解决了翼型空蚀问题，并没有解决空腔空蚀和间隙空蚀的问题。
另外，按照完全避免发生空蚀的条件来决定吸出高度也不合适，如果真这样做，将导致电站开挖量的急剧增加，使得经济上很不合理。
最后就空蚀系数本身来说，因为影响它的因素较为复杂，直接用理论计算或直接在叶片上测量均由困难。
目前是根据效率突然降低的模型试验方法来决定空蚀系数的。
实际上，空化和空蚀现象在效率突然下降前早已发生，效率突然下降，说明空化和空蚀已发展到了相当严重的程度。
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。
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96 Sichuan Water Power
增大处理难度和费用，须及时采取预控措施。 2 原因分析
水流经过轴流转桨式水轮机转轮叶片根部 与转轮体之间形 成 的 一 条 狭 小 通 道 时，引 起 局 部流速升高，当压 力 下 降 到 一 定 程 度 时 发 生 空 化现象。空化是当流道中局部压力下降至临
收稿日期： 2012 -01 -11
界压力（ 一般接近汽化压力，水温 20 ℃ 时，汽化 压力为 0 ． 24 mH2 O） 时水中气核成长为气泡，气 泡的聚积、流动、分裂、溃灭过程的总称，旧规范称 为“气蚀 ”。 由 于 转 轮 叶 片 选 用 的 是 抗 空 蚀 能 力 较好的不锈钢材料，而转轮体选用的材料抗空蚀 能力较差，故在转轮体上产生了空蚀，这种空蚀称 为间隙空蚀。空蚀是空化造成过流部件材料的破 坏，旧规范称为“气蚀破坏”。
汛期水量丰富时，短时间的高负荷运行 （ 发 电机出口最大功率约为 10． 5 MW） 以及枯水期低 尾水位运行加快了水轮机转轮叶片根部与转轮体 之间狭小通道的水流速度。按原理推论，高负荷 尤其是高负荷低尾水位运行诱发或加速了该部位 空化和空蚀的程度。 3 预控措施
改善运行条件并采用适当的运行措施，尽量 确保机组在设计工况区内运行。在没有进行有效 处理前，尽量减少高负荷特别是低尾水位高负荷 的运行时间。
参考文献：
［1］ 刘大恺． 水轮机 （ 第 三 版） ［M］． 北 京： 中国水利水电出版 社，1996．
［2］ 王 英． 最新水利水电设备安装与检修技术标准实务全书 ［M］． 北京： 金版电子出版公司，2002．
作者简介： 贺文静（ 1976-） ，男，四川简阳人，副总经理，副总工程师，工程师，
从事航电枢纽生产技术与管理工作． （ 责任编辑： 李燕辉）
用 ZG0Cr13Ni6Mo 高合金铬镍不锈钢材料，转轮 体采用 ZG20SiMn 低合金材料，转轮叶片带裙边。 水轮机由东方电机股份有限公司设计、制造，主要 技术参数见表 1。
表 1 水轮机参数表
项目 型号
额定功率 额定水头 安装高程 最高效率
参数 ZZ500 － LH － 330
10． 368 MW 15． 8 m 248． 5 m 91． 5%
行。2005 年枯期检修时发现 3 台机组转轮叶片 根部左侧及转轮体上均出现了直径为 150 ～ 200 mm，深 1 ～ 6 mm 的空蚀现象，蜂窝孔直径为 1 ～ 4 mm，经计算认为 其 属 于 Ⅰ 级 轻 微 空 蚀 程 度，转 轮 体其余部分和转轮叶片未见空蚀现象。为避免继 续运行导致空蚀程度扩大，影响机组安全运行并
项目 飞逸转速 吸出高度 水头范围 最低尾水位 转轮叶片数
参数 330 r / min
－ 2． 5 m 8 ～ 18． 55 m
251． 6 m 5片
投产后，机组负荷运行在 4 ～ 10． 5 MW 之间，
高负荷一般在汛期水量丰富的时侯才短时运行，
低负荷一般在枯水期（ 毛水头可达 18 m） 短时运
年度检修时，对空蚀区域采用涂抹环氧树脂 配方剂的方法进行处理； 若有必要，在机组大修 时，在空蚀部位采用不锈钢焊条 （ CHR237 ） 堆焊 处理，或将转轮体堆焊一圈不锈钢材料。 4 处理工艺
总体采用涂抹环氧树脂配方剂的工艺方法。 4． 1 环氧树脂配方
为使处理效果更佳，在环氧树脂中加入了增 塑剂、固化剂以及适当的填料并均匀混合。环氧 树脂的配方如表 2 所示。 4． 2 基本工艺
（ 4） 固化。涂料有一个逐渐固化的过程，一 般需 24 h 或更长的时间。 4． 3 安全注意事项
应在使用前详细阅读环氧树脂配方中所用材 料的使用说明书，掌握正确的操作方法并配戴合 适的防护用具，应注意环氧树脂的一些添加剂是 带刺激性的或有毒的，使用时应充分注意安全。
图 1 为空蚀处理前及采用环氧树脂配方剂处 理后运行多年的转轮体。实践证明： 采用该环氧树 脂配方剂处理空蚀工艺简单，费用低廉，效果显著。
预控措施，介绍了一种费用低廉且效果显著的空蚀处理工艺方法。
关键词： 水轮机； 空化； 空蚀； 预控； 处理； 金盘子水电站
中图分类号： TK73； O427． 4； TV738
文献标识码： A
文章编号： 1001-2184（ 2012） 03-0095-02
1概述
金盘子水电站位于渠江主要支流州河下游， 于 2002 年建成投产发电，总装机容量 3 × 10 MW， 为轴流转桨式水轮机，转轮叶片和转轮室中环采
第 31 卷第 3 期 2012 年6 月
四川水力发电 Sichuan Water Power
Vol． 31，No． 3 Jun． ，2 0 1 2
水轮机空化、空蚀的预控与处理
贺文静
（ 四川嘉陵江新政航电开发有限公司，四川 仪陇 637676）
摘 要： 针对金盘子水电站投运以来水轮机出现的空蚀情况，分析了空化和空蚀产生的原因，阐述了水轮机空化和空蚀的
二丁脂
20
35
填料
金刚砂或铁粉
25
0
乙二胺
15
0
固化剂
二乙稀三胺
0
10
（ 2） 调制涂料。用电炉煮水，在锅内放一个
足够大的玻璃烧杯，控制水温在 70 ℃ ～ 80 ℃ 。
按环氧树脂、增塑剂、填料和固化剂的顺序，
依照所选的配方依次加入，并在烧杯内充分搅拌
均匀。
（ 3） 涂补。调好的涂料应立即使用，逐层涂
抹在需要填补的地方。一杯涂料不宜配得太多，
应在 30 min 内用完。
涂抹应均匀，一层一层的加厚，并在层与层之
间夹以电工丝带，让其与涂料充分粘合，起到加固 的作用，可以减少涂料的脱落。
对表层的涂补应充分注意空蚀处转轮体的形 状和尺寸。因为涂料固化以后很难打磨，只能在 涂补过程中照样板成型。
注意事项： 涂补前应将空蚀部位先预 热 到 80℃ 左右，涂补以后再缓慢冷却，让涂料也缓慢固 化，这样效果会更好一些。
图 1 转轮体空蚀处理前及运行多年后的对比图
5结语
本。
ห้องสมุดไป่ตู้
水轮机产 生 空 化 的 原 因 及 发 生 的 过 程 较 复 杂。由于各水电站设计安装及运行存在较大差 异，故空化情况也会不同。金盘子水电站作为低 水头电站，采用环氧树脂配方剂对转轮体空蚀进 行预防性处理工艺简单，费用低廉并经多年运行 表明效果是显著的。该工艺配方只是一个典型配 方，应在实践中根据使用效果不断优化工艺配方， 每年枯期检修时检查修补脱落部位，以预防空蚀 范围扩大，确保机组运行安全并不断降低生产成
Sichuan Water Power 95
贺文静： 水轮机空化、空蚀的预控与处理
2012 年第 3 期
（ 1） 清洗空蚀部位表面。用无水酒精或丙酮 多次清洗需要涂补的表面，以提高环氧树脂对金
属的结合力。
表 2 环氧树脂配方表
材料
配方（ 重量比例）
底层
表层
环氧树脂
618（ E51）
100
100
增塑剂