水轮机的空化和空蚀
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。
水轮机的空化和空蚀
空化发生在流道中水流局部压力下降到临界压力（一般接近汽化压
力）时，水中气核发展成为气泡，从而使液相流体的连续性遭到破坏， 变为含气的二相流（若同时含气和含砂，则为多相流）。气泡中主要充 满着液体的蒸汽以及从溶液中析出的气体。当这些气泡进入压力较低的 区域时，就发育成长为较大的气泡，当气泡随水流运动到压力较高区域， 气泡将迅速凝缩并溃灭。因此，空化包括了气泡的积聚、流动、分裂到 溃灭的整个过程。空化过程可以发生在液体内部，也可以发生在固体边 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。空蚀是空化的直 接后果，空蚀只发生在固体边界上。
空化、空蚀导致的不良后果
（1）损坏水轮机过流部件表面。在水轮机运行过程中，随着时间 的推移，在转轮和某些过流部件的局部表面上，开始时表面金属失去 光泽而变成灰暗色，接着形成即麻点状，进一步发展形成海绵状（即 蜂窝状），此时金属表面已受到严重破坏，再进一步发展就会产生金 属局部脱落，甚至穿孔。 （2）当空化、空蚀发展到破坏正常水流流动的程度时，能量损失 会急剧增加，效率和出力大幅度下降。 （3）水轮机在空化、空蚀状态下运行，特别是混流式水轮机，其 过流部件易发生低频率大振幅的压力脉动，甚至导致整个机组和水电 厂厂房危险的振动及噪声。
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；
H ——对应的水轮机工作水头。
水轮机安装高程的确定 在进行实际计算时，考虑到：
pa 10.33mH 2O ； ⑴海平面的平均大气压力 r
水轮机组空化空蚀在线监测系统简介
1.空化机理“气核理论”——液体中存在着微笑的汽泡（称为核子），这些核子使液体的抗拉强度降低；当液体的压强低于汽化压强时，这些核子迅速膨胀形成气泡，从而导致空化发生。
空化过程——空化是一种物理变化过程，涉及汽泡的产生、生长、破裂、反弹的全过程；在水温不变的条件下，当液体内部压力降低到某一限度时，即该温度下液体的汽化压力时，液体本体将发生破坏，在局部以气核为中心形成汽泡，这些汽泡随着液体向前流动，至某高压处时，汽泡周围的高压液体压缩汽泡，使汽泡急剧缩小以致破裂。
空化机理——在水轮机中，当水流过过流部件时，由于绕流叶片局部脱落、水流急剧拐弯等原因，在相应的部位都会引起流速过大而使压力降低。
如果压力降低到该温度下的汽化压力时，一方面由于水的汽化产生了水蒸气的汽泡；另一方面水中溶解的一部分空气也会随着压力降低而被释放出来，这样就形成了水蒸气和空气混合的膨胀空泡。
这些膨胀的空泡如果被带到高压区，空泡中的水蒸气会凝结成水珠，体积突然缩小，于是周围的高压水流质点就高速的向汽泡中心冲击，产生巨大的微观水锤压力（有时可以达到几百个大气压）。
在微观水锤的作用下，空泡中的空气被压缩（或者直接溃灭破裂为数个小气泡），直到空泡的大气弹性压力大于水锤压力时，才停止压缩，紧接着空泡由于反作用力而瞬间膨胀，又会发育成新的空泡。
2.空蚀机理空蚀是一种微观、瞬时、随机、多相、缓慢而连续的复杂现象，由多种因素共同造成，主要是空泡溃灭时产生巨大压力冲击的结果。
空蚀机理——包括：机械破坏、热力学损坏、电化学损坏。
机械破坏：空化过程中，空泡形成和压缩（或溃灭）的过程，每秒近千万次。
发生在固体边壁附近空泡溃灭，会形成指向边壁的高速射水流。
此外，空化过程中北压缩的空泡反向膨胀时，会产生冲击波，反向膨胀越大冲击波越强，这也是是边壁产生塑性变形的一种作用力。
长期连续的机械冲击作用便会导致金属剥蚀。
热力学损坏：当高速运动的空泡受压后，空泡迅速被压缩而辐射出大量的热量，产生高温，以使金属融化，造成损坏。
水力机械现代设计方法第四章：叶片式流体机械的空化与空蚀
HSJ
第四章内容总结
比例效应 基准面 粘性 空化核子 拉应力 时间 空化相似律 NPSHr=K·H σr=const S(C)=const
空化与空蚀机理
空化现象 溃灭过程 空化核子 临界压力 空化数 空化的分类 对外特性的影响
水力机械 空化参数 NPSHr
σ
S(c) HV NPSHa
σp
NPSHcr
逐步利用0、S、L、K间的伯努利方程可得
2 2 2 2 2 2 pS cS pK cL wK − wL uK − uL = + ZS + − ZK − ( ± ∆H S − L ) − m ∆H L − K + ρg ρg 2g 2g 2g 2g
用HS代替ZK并令:
2 2 cL cL ± ∆H S − L = λ1 2g 2g
HSJ
NPSH（Net Positive Suction Head） cavitation margin
∆ha的计算
p0 pVa ∆ha = − HS − m ∆H 0− S ρg ρg
对水轮机
∆ha = H a − H Va − H S
空化的发生过程
∆ha> ∆hr ∆ha= ∆hr ∆ha< ∆hr
关系重大
HSJ
吸出高基准与安装基准
HSJ
泵的吸入高基准面与安装高程基准面相同
H SZ = H 0 − H Va − ∆H 0− S − (∆hr + K )
HSJ
用允许吸入真空度计算
H SZ
2 cS = [ HV ] − − ∆H 0 − S 2g
非标准状况下允许吸入真空度的换算
′ ′ ′ [ H V ] = [ H V ] − 10.33 + H a − H Va + 0.24
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
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
水力机械空化空蚀问题的研究进展
水力机械空化空蚀问题的研究进展摘要：根据水力学能量方程可知，水轮机的空蚀是由于流经水轮机的水流，因某些因素的影响，导致水流在某些部位的流速突然增快，而引起该部位的压力出现局部降低的现象。
当水流流速增长较快，快到足以使该处的压力降低到该水温下的汽化压力时，在此低压区域的水便开始发生汽化，空蚀也就随之而产生。
关键词：水轮机空蚀；危害；原因；措施前言：水轮机空蚀的危害在水轮机运行过程中，对其运行极为不利的影响因素是空化和空蚀的存在，其影响主要表现在以下几方面：（1）会对水轮机的导叶、转轮室、转轮、上下止漏环及尾水管等过流部件产生破坏力。
（2）由于水流的能量转换规律和正常运行规律受到空化和空蚀的破坏作用，使得水流的漏损和水力损失显著增加，最终导致水轮机的出力和效率降低。
（3）使机组检修的复杂性和难度增大了，检修周期随之缩短。
由于空化和空蚀的存在，不仅会对金属部件产生疲劳破坏，还会引发水力振动、压力脉动和空蚀噪音等。
导致机组在检修时，不可避免的要耗用大量的钢材和辅材，还使得检修的工期也相应延长了，极大的影响了机组运行的效率和经济性。
（4）当空化和空蚀较严重时，可使得机组的噪音、负荷波动及振动的程度均加剧，甚至会导致机组无法稳定、安全地运行。
可见，空蚀对机组带来的破坏力是多方面的，同时它又是水轮机运行过程中不可避免的一种现象。
对于任何选取优良抗空蚀材料而制成，且设计优良的水轮机，在实际运行中，由于运行环境的改变仍不可避免地会发生空蚀现象。
空蚀问题讫今为止仍然是一个世界性的难题，这就提醒我们在机组运行的过程中，对这个问题要引起足够的重视。
并应设法采取积极有效的措施去削弱或消除空蚀的影响，以提高水轮机过流部件抗空蚀破坏的能力，这不仅可延长检修的周期，还有助于机组使用寿命的延长。
对提高机组的安全、稳定运行具有极重要的现实意义。
1 水轮机空蚀的成因1.1 空化现象当通过水轮机的水流在某些区域的流速突然增快，必然会导致相应区域的水流压力出现局部的降低。
水力机械空化与空蚀
空化的防护措施 （从流体机械本身着手）
空化的防护措施 （从流体机械本身着手）
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。
• 八、汽蚀比转速
• 汽蚀余量或吸上（吸出）真空度（高），只能说明某台机器汽蚀性能的好坏， 而不能比较不同机器的汽蚀性能，为此引进包括设计参数在内的综合汽蚀性 能相似特征参数——汽蚀比转速C。
• 1、汽蚀相似律
• 由必需汽蚀余量的定义
hr
1
c02 2g
2
w02 2g
1 1 ,
2
wk w0
2
hr
1
c02 2g
2
w02 2g
• C0——叶片进口前（水轮机出口）液流的绝对速度 • W0——相对速度
• 1, 2 ——流速分布不均系数。由试验得出，是泵的固有参数
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
Zs
ps
cs2 2g
Z0
p0
c02 2g
hs0
② 0-k列相对运动伯努利方程
2g
w02 [(wk 2g w0
)2
1] 2
w02 2g
(1 )
c02 2g
1
c02 2g
即：
hr
1
c02 2g
2
w02 2g
第三章 水轮机的空化与空蚀(10)
水轮机的空化和空蚀
空化与空蚀的机理
一、液体的空化特性
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”
pk p min pv
代入上式，化简得：
pa pv Hs H r r
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。
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;
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
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。
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。
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。
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？
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。
第四章 水轮机的空化与空蚀
2.化学作用
发生空化和空蚀时，气泡使金属材料表面局部出现 高温是发生化学作用的主要原因。该高温可能是气泡 在高压区被压缩时放出的热量，或者是由于高速射流 撞击过流部件表面而释放出的热量。局部瞬时高温可 过300℃，高温、高压作用下，促进汽泡对金属材料表 面的氧化腐蚀作用。
3.电化作用
在发生空化和空蚀时，局部受热材料与四周低温材 料间产生局部温差，形成热电偶，材料中有电流流过， 引起热电效应，产生电化腐蚀，破坏金属材料的表面 层，使它发暗变毛糙，加快了机械侵蚀作用。
由于液体具有汽化特性：
液体汽化：1、恒压加热；2、恒温降压
沸腾：液体在衡定压力下加热，当温度高于某一温
度时，液体开始汽化形成汽泡。
空化：当液体温度一定，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。
气蚀现象：包括空化和空蚀两个过程。 空化：液体中形成空穴使液相流体的连续性遭到破 坏，发生在压力下降到某一临界值的流动区域，空穴 中主要充满着液体的蒸汽以及从溶液中析出的气体。 可以发生在液体内部，也可以发生在固定边界上。
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
空蚀对金属材料表面的侵蚀破坏有机械作用、化 学作用和电化作用三种，以机械作用为主。
第四章 水轮机的空化与空蚀
第一节 水流的空化
一、水流的空化现象
认识到空化空蚀的破坏：发现轮船高速金属螺旋桨在 很短时间内就被破坏。 固体围绕固定位置振动 的汽化特性。 标准大气压力下 ，水温达 到 100℃时，发生沸腾汽化； 当周围环境压力降低到 0.24mH2O时，发生空化现象。 液体质点位置易迁移 常温下液体质点会从液体中离析，取决于该种液体
5水轮机空化与空蚀
ZK
+
PK g
+
W
2 K
2g
-
u
2 k
2g
= Z2
+
P2
g
+
W
2 2
2g
-
u
2 2
2g
+ hk 2
PK g
=
P2 g
+ W22 WK2 2g
+ (Z2
Z K ) + hk2
Z2
+
P2 g
+
V
2 2
2g
=
Pa g
+
V
2 a
2g
+ h2
P2 g
+Z2 =
Pa g
+ Z a + h2
V
2 2
2g
Pk g
空化与空蚀机理
空蚀 指空泡坍缩形成微激波与微射流，攻击壁面形成 损伤的过程。 空蚀过程在水轮机领域称为气蚀、在螺旋桨领域 称为剥蚀、在汽轮机领域称为水蚀，所描述的都 是相同的物理和力学过程。
空化与空蚀机理
空蚀机理 机械作用
压力波模式 微射流模式 化学作用 电化作用
空化与空蚀机理
空化空蚀对水轮机运行的影响 ① 破坏水轮机的过流部件 ② 降低水轮机的出力和效率 ③ 引起振动、噪音及负荷波动 ④ 缩短了机组的检修周期，增加了机组检修的复
片旋转中心线的距离
构的下环平面的距离
水轮机的空化系数与吸出高度
斜流式水轮机的Hs是下游水面至转轮叶 片旋转轴线与转轮室内表面交点的距离
卧式反击式水轮机的Hs是下游水面至转轮 叶片最高点的距离
水轮机的空化系数与吸出高度
水轮机空化讲稿
平衡方程： pi po 2
R
平衡方程： pi po 2
空气与水蒸气空化空泡的模型
R
当空泡内部包含空气和水蒸汽时，则空泡内部的压力Pi为空气分压Pv与 水蒸气压力Pg的之和，即：
pi pv pg
水蒸汽压力即当时温度下的汽化压力，为常数。故空泡平衡方程可写为
假定空泡的膨胀或压缩均为等温过程，则有
R R
空泡半径 Δp
0.014mm
0.1MPa 10mH20
0.0014mm
1MPa 100mH20
0.00014mm
10MPa 1000mH20
2×10-8mm
740MPa 74000mH20
当空泡的半径只有一个水分子大小时（2×10-8mm） ，空泡的抗拉力为7400kg/cm2.
水的抗拉强度取决于水中气泡的大小，纯净 水中不含气泡时，抗拉强度极大，几乎是不可能 被破坏的，自然界的水中含有大量不同尺寸的气 泡，抗拉强度很小，很容易被破坏．
Po 压力下降区 Rmax 临界点 初生 方程4-9 方程4-10与方程4-11 发育 最大点 溃灭 压力上升区
汽化压力 Pv
t
蒸汽泡模型
方程4-14
空泡临界状态的平衡方程-求临界压力与半径
R p pv ( p0 pv 2 )( 0 ) 3 2 方程1(教材4 9式） R0 R R 此式只适用于空泡的临 界状态之前，达到临界 状态时，空泡内变为以 水蒸汽为主， 空泡的膨胀与收缩受蒸 汽的支配，特点是：压 力保持临界压力或蒸汽 压， dp 空泡直径迅速增大。以 0为条件，可求出临界状 态的空泡平衡方程： dR 2 2 ) 2 Rcr （ p0 pv R 3 R R0 求出Rcr 得：Rcr 3 R0 ( p0 pv 2 方程（教材4 10式） 2 R) 2
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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；
H ——对应的水轮机工作水头。
水轮机安装高程的确定 在进行实际计算时，考虑到：
pa 10.33mH 2O ； ⑴海平面的平均大气压力 r
水轮机的空化与空蚀
空化发生在流道中水流局部压力下降到临界压力（一般接近汽化压
力）时，水中气核发展成为气泡，从而使液相流体的连续性遭到破坏， 变为含气的二相流（若同时含气和含砂，则为多相流）。气泡中主要充 满着液体的蒸汽以及从溶液中析出的气体。当这些气泡进入压力较低的 区域时，就发育成长为较大的气泡，当气泡随水流运动到压力较高区域， 气泡将迅速凝缩并溃灭。因此，空化包括了气泡的积聚、流动、分裂到 溃灭的整个过程。空化过程可以发生在液体内部，也可以发生在固体边 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。空蚀是空化的直 接后果，空蚀只发生在固体边界上。
问题之一。 原型水轮机的吸出高度(主要针对翼型空化） 为了完全避免在转轮叶片上的空化，必须使K点的压力大于水流的 饱和汽化压力，即 p K pv
p pK p min v
H p
水轮机安装高程的确定 将上式变换形式得
p a pv Hs 装置空化系数 p 水轮机空化系数 H
水流的空化现象
汽泡能否从液体中析出取决于该种液体的汽化特性。在一个标准大
气压下，把水加热到100°C，水就开始沸腾汽化。压力越低，水开始汽 化的温度也越低，如当压力下降到2338Pa时，水在20°C时就会开始沸
腾汽化。为了区别上述两种情况，通常把水在一定压力下加温而汽化的
现象称为沸腾；而把环境温度不变，由于压力降低而引起的汽化称为空 化。在一定温度下水开始空化的压力称为汽化压力。
水轮机安装高程的确定
原型水轮机的吸出高度 安装高程定义及计算公式
通过选择合适的几何吸出高度来控制转轮出口处的压力值，可以防 止发生严重的翼型空化。显然，吸出高度越小，则水轮机装得越低，水 轮机抗空化性能愈好，但水电站的基建投资则愈大，因此，选择合理的
吸出高度是水轮机装臵参数优化设计和电站总体设计的技术经济的重要
力，若下游为开敞式的，则 pa 为大气压力。
水轮机空化系数与电站空化系数
2 W K W22 V22 w 2 gH 2 gH
由水轮机空化系数σ的表达式可知：
⑴σ是动力真空值的相对值，是一个无因次量。 ⑵σ值与转轮翼型和水轮机的工况有关，因这两者均影响到相对速度 WK、W2和叶道中的压力分布，也影响到转轮的出口动能。K点的相对速度 越大，一般其转轮出口动能V2也相应大一些，空化系数σ也会增大。 ⑶σ 值与尾水管的性能有关，尾水管的恢复系数越大σ 也越大，水轮 机发生空化的可能性越大。 ⑷几何形状相似的水轮机，在相似工况下其σ 值是相同的值。对于某 一水轮机，在既定的某一工况下，其σ 值是定值。
⑵一般地区河流水温为5～200C，相应水的饱和汽化压力为0.09～
0.24mH2O； ⑶ 根 据 气 象 条 件 ， 大 气 压 力 与 平 均 值 之 间 ， 有 时 可 能 降 低 0.3 ～
0.4mH2O左右；
⑷水轮机的实际装臵高程不为零，根据实测，低空大气层的平均大气 压当高程每升高900 m时降低1mmH2O。 综合了这些变化因素后，可以近似写成
空化、空蚀导致的不良后果
（1）损坏水轮机过流部件表面。在水轮机运行过程中，随着时间 的推移，在转轮和某些过流部件的局部表面上，开始时表面金属失去 光泽而变成灰暗色，接着形成即麻点状，进一步发展形成海绵状（即 蜂窝状），此时金属表面已受到严重破坏，再进一步发展就会产生金 属局部脱落，甚至穿孔。 （2）当空化、空蚀发展到破坏正常水流流动的程度时，能量损失 会急剧增加，效率和出力大幅度下降。 （3）水轮机在空化、空蚀状态下运行，特别是混流式水轮机，其 过流部件易发生低频率大振幅的压力脉动，甚至导致整个机组和水电 厂厂房危险的振动及噪声。