水力机械空化与空蚀
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1. 空化的原理空化是指在流体力学中，流动速度超过临界速度时，液体或气体中的压力下降到饱和蒸汽压以下，形成气蚀现象。
空化通常在高速液体流动或液体泵中特别容易发生。
空化的原理主要是因为流动速度增加，密度降低，从而导致流体的压力下降。
当压力下降至饱和蒸汽压以下，液体中的液体蒸发成气体，形成气蚀。
空化还会导致液体流体的流速增加，从而加剧空化现象。
2. 空蚀的原理空蚀是指在机械装置中，由于液体中的气泡或气体在压力变化下沉积或爆裂，导致液体中出现空隙或气泡的现象。
空蚀通常在液压系统、液体泵或涡轮机等设备中产生。
空蚀的原理主要是液体中的气泡或气体在压力变化下，由于气泡或气体的容积变化引发的空隙或气泡。
当压力变化引起气泡或气体的容积变化时，液体中的空隙或气泡会导致流体流动的中断或减弱，从而导致空蚀现象。
3. 空化和空蚀的应用空化和空蚀现象在工程领域中有着重要的应用。
以下是一些常见的应用场景：3.1 液体泵设计和维护在液体泵的设计和维护中，空化和空蚀是需要考虑的关键因素。
液体泵在高速运行时容易发生空化现象，导致泵的效率下降甚至损坏。
因此，在液体泵的设计和维护中，需要采取措施来避免空化和空蚀的发生，如增加泵的压力容降、增加泵的进口压力或降低泵的运行速度等。
3.2 水力发电站设计和优化在水力发电站的设计和优化中，空化和空蚀的控制是非常重要的。
由于水力发电站的高速水流，空化和空蚀往往会导致设备的损坏和效率下降。
因此，在水力发电站的设计和优化过程中，需要对流体的流速和压力进行适当控制，以避免空化和空蚀的发生。
此外，还需要合理选择材料，以提高设备的抗空蚀能力。
3.3 液压系统的设计和维护在液压系统中，空化和空蚀往往会导致系统压力下降，从而降低液压设备的工作效果。
因此，在液压系统的设计和维护中，需要合理选择液压材料，并采取措施来避免空化和空蚀的发生。
常见的方法包括增加液压系统的进口压力、优化液压系统的管道设计、定期维护和检查液压设备等。
水力机械空蚀及防护1章空化基本概念
二、空化现象要点
➢空化是静止的或流动的液体的一种动态过程。 无论固体或气体，在正常情况下都不会发生 这种情况
➢空化是液体中压力降低的结果，只要使压力 降低并保持在液体性质所决定的临界压力以 下一定时间，空化就可能发生。所以可以通 过控制压力来控制空化的出现及其变化过程
➢空化现象是一种物理变化过程，它涉及空泡 生长、压缩和溃灭的全过程
固定型空化
一种相对稳定的空化形式； 空化初生后，形成附着在边界上的空腔； 固定空泡的表面有时可观察到脉动，并有许多小 型的瞬态空泡掠过； 固定空泡的长度与绕流体的形状、表面粗糙度、 流体的物理性质和流场压力、速度的分布有关；
固定型空化
固定空泡并不总是稳定的，当空泡长度发展到一 定程度，流场中的负压力梯度达到一定数值时， 紧靠导流体的液体流速将降为零，接着出现向上 游移动的回注水流，空泡将逐渐脱离固体边界而 随水流漂移，稍后将在同一位置观察到第二个和 第三个固定空泡出现；
空腔空化造成机组振动和运行的不稳定。
4、局部空化
——只出现在某一很小范围 形成原因：铸造和加工缺陷形成过流件表面
不平整，砂眼、气孔等引起的局部流态突然变化 而造成。
上述四种空化引起的空蚀破坏分别称为：翼型 空蚀、间隙空蚀、空腔空蚀、局部空蚀。
三、按空化发生的外貌特征分类
按外貌特征可分为：
➢
泡状空化
➢
片状空化
➢
ห้องสมุดไป่ตู้
斑状空化
➢
条纹状空化
➢
团状空化
➢
雾状空化
➢
梢涡空化
➢
毂涡空化
1-3 空化的发展过程
就固定空化而言，其发展过程为空化初生、空化的发育以 及回注充填和溃退再生。 空化的初生：是指在绕流体的表面开始形成极小的可见空 泡区而言。当绕流体表面沿水流方向有较陡的负压梯度时， 在绕流体上就会出现一极薄的透明层并在其端部可以看到 一条与水流垂直的极细的分界线，如果压力稍有升高此空 泡即消失，此即空化初生。
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
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
水力机械空化空蚀问题的研究进展
型 ,计算叶栅和诱导轮中的非定常空化流动 ,分别观
察到间隙旋涡空化和回流空化 ,并通过试验进行了
对比验 证 ; 江 苏 大 学 的 向 清 江 [ 15 ] 也 进 行 了 类 似
研究.
1. 3 试验研究
试验是水力机械空化问题研究的最重要方法 ,
是验证理论分析和数值模拟结果准确度的唯一手
段 ,也是完善理论分析和数值计算方法的最佳途径.
空化微观方面的理论研究大多立足于空泡动力 学对空泡的发展变化过程进行分析. A rrojo[ 6 ]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 (作用 ) 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 [ 7 ]从空泡动力学出发 , 借助非平衡态热力学 理论 ,建立了有相变发生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. 这些研究表明 ,空泡动 力学是空化研究中重要的基础理论.
第四章+水轮机的空化与空蚀
第四章+水轮机的空化与空蚀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。
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。
空蚀：当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，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，引起过流表面的材料损坏。
只发生在固体边界上。
空蚀是空化的直接后果。
水轮机气蚀：水流通过水轮机时，如果某些地方流速增高了，根据水力学能量方程，必然引起该处的局部压力降低，如果该处水流速度增加很大，以致使压力降低到在该水温下的汽化压力时，则此低压区的水开始汽化，便会产生气蚀。
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。
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。
空化空蚀机理
12/71
§4.1 空化与空蚀机理
文丘里管空化器结构图
文丘里管轴截面速度云图
文丘里管壁面压力分布云图
文丘里管壁面气相体积分数云图
中国石油大学（北京） 机械与储运工程学院
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2、空蚀现象
当空泡溃灭的过程发生在固体表面及其附近，会使材料 受到破坏。这种由空化引起材料破坏的现象，称为空蚀。 空蚀能够使各种固体受到损害。所有金属，不论是软的 或硬的，脆性的还是具有延性的，在化学上是活性的还是惰
实际生活中，普通水根本不能承受拉应力。温度t=20℃的水， 当压力为0.24mH2O时(即汽化压力pv=0.24mH2O),水的连续 性被破坏而汽化。
液体中存在杂质是导致不能承受拉应力的根本原因。液体中除了 固体表面和液体中不可避免的含有一定数量的悬浮的固体粒子外, 主要杂质是未溶解的气体---称为气核（空化核）。
水轮机尾水管中旋涡空化的现场临摹图
螺旋桨上旋涡空化的高速摄像照片
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中国石油大学（北京） 机械与储运工程学院
旋涡空化的寿命可能游移空 化长，在旋涡角动量的维持下， 溃灭速率慢，故溃灭压力较小；
旋涡只能在液体内部存在，所 以只有旋涡在接触物体表面溃灭 时，才起破坏作用；
中国石油大学（北京） 机械与储运工程学院
中国石油大学（北京） 机械与储运工程学院
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§4.1 空化与空蚀机理
1、空化的初生
不溶于水、肉眼看不见、直径大约在10-5到10-6cm的微小气泡， 统称气核（空化核）。 空化初生不仅取决于液体的状态（压力） ，而且还与液体本身 的特性有关（含空化核的多少），且后者是主因，但却很难控 制和度量。 空化核是导致空化的根本原因（内因），压力降则是外因。 “空化核”观点已被大量试验证明，也与所观察到的物理现象 相吻合。 空化核主要有以下三种存在形式：
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
4 水力机械的空化与空蚀
4 水力机械的空化与空蚀§4-1 汽蚀现象在某个温度下，压力低到某一值时，液体发生汽化，此压力称为该温度下的汽化压力，一般用p v 。
叶栅空化数 21121w p p k v ρ-= 1w ——相对流速在某个温度下，压力低到某一值时，液体发生汽化，此压力称为该温度下的汽化压力，一般用p v 表示。
液体流动过程中，如果某一部位的压力低于某一临界压力（一般情况，该临界压力与水的汽化压力接近）时，溶解于水的气体逸出，形成空泡（空穴），当空泡随水流运动到压力较高的地方时，空泡迅速凝结而溃灭。
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 空化数221∞∞-=w p p K v ρ 一、汽蚀余量NPSH在泵进口（尾水管出口）所具有的高出汽化压力的富裕（余）能头，其大小以换算到基准面的水柱高表示二、必须汽蚀余量r h ∆叶轮内压力最低点的压力等于汽化压力时，机器的汽蚀余量C 0——叶片进口前（水轮机出口）液流的绝对速度W 0——相对速度 21,λλ——流速分布不均系数。
由试验得出，是泵的固有参数① S-0列能量方程：② 0-k 列相对运动伯努利方程：③=①+②-γvp 得：即：γγpp p h vk a ∆+-=∆当初生空化（出现第一个空化空泡）时r a h h ∆=∆ 实际中一般认为：r cr h p h ∆=∆≈∆γ，常取r cr h h ∆=∆C 、要求a r h h ∆<∆临界汽蚀余量cr h ∆：效率下降1%~3%时所对应的a h ∆三、有效汽蚀余量（装置汽蚀余量）a h ∆1、定义它是装置提供给泵（水轮机）的汽蚀余量2、表达式：列进水池和水泵进口（水轮机出口）3、a r h h ∆∆与的关系a. r h ∆与装置无关，a h ∆与装置有关b. r h ∆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实际中常用cr h ∆代替r h ∆：K h h cr +∆=∆][K —安全余量五、允许吸上真空高[H s ]′ 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、表达式而进口断面的真空度为代入上式要不发生汽蚀 ][h h a ∆≥∆当][h h a ∆=∆时sH '有最大值 当不是标准状态时必须修正六、汽蚀系数水力机械的汽蚀系数σ装置空化系数)a hom T (p σ七、安装高度的确定g H 压力最低点到进水池面（水轮机下游水面）1）][h ∆已知由有效汽蚀余量公式要求水泵不发生汽蚀对于水轮机：H K h σσ=∆][，安全系数2.2~05.1=σK ，比转速愈高σK 的值越大，或者取H h )(][σσ∆+=∆，0≈w h ，90033.10∇-=γe p ，电站水温5~25℃，3299.0~0889.0='γv p可以简化为2）[H s ]已知列进水池面与泵进口断面要求：]['≤'s sH H 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 。
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
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§ 1-2 汽蚀性能参数
• 九、空化的防护措施 • 1、从流体机械本身着手 • 2、从装置本身着手
ha
p0
Hg
h0s
pv
[h]
降低安装高 减少吸入管损失 补气等
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）
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）
pe 10.33
900
pv 0.0889 ~ 0.3299
Hg
pe
[h] hw
pv
K 的值越大，
Hg
10.0
900
K
H
H SZ H g K1D1
§ 1-2 汽蚀性能参数
H SZ H g K1D1
§ 1-2 汽蚀性能参数
2）[Hs] 已知 列进水池面与泵进口断面
pe
Hg
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
Z0
p0
W02 2g
u
2 0
2g
Zk
pk
wk2 2g
u
2 k
2g
h0k
③=
①+②-
pv
ps
c
2 s
2g
pv
pk pv
(Zk
Zs)
wk2 w02 2g
c02 2g
u
2 0
u
2 k
四、允许汽蚀余量 保证不发生汽蚀的最低汽蚀余量
[h] hr K
实际中常用 hcr 代替 hr ：
K—安全余量
[h] hcr K
§ 1-2 汽蚀性能参数
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
H s
pa
ps
得
得
H s
pa
c
2 s
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
1
• 当两台泵进口，几何相似，运动相似则有
Q n hr3/ 4
C
国外采用
• 我国习惯上用
5.62n Q
泵
C hr3/ 4
103/4 5.62
水轮机
3、说明：
① hr大，则C小，抗汽蚀能差
② 是设计工况下的参数计算而得
③ 有因次
④ C值的大小与扬程无关
⑤
5.62n Q
nQ
C hr3/ 4
ns
3.13 H 3/4
C 1.795
§ 1-2 空蚀机理
2）化学作用
当空泡被压缩时，由于体积突然缩小，温度要升高放出热量；同 时水锤压力对金属表面的冲击也要产生局部高温。当空泡凝结时， 局部温度可达到300°C左右，所以在这种高温、高压作用下，又促 使了空蚀对金属表面的氧化，这就是化学作用。
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。
水力机械空化与空蚀
§1-1 空化、空蚀(汽蚀)现象
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。
所以空化与空蚀同样也是反映水轮机、水泵特性的一个 重要指标，是设计、试验、运行中必须考虑的问题，并且 一直是国内外水力机械领域中的重要研究课题。
§1-1 空化、空蚀(汽蚀)现象
§ 1-2 空蚀机理
4）微射流理论
空泡在溃灭过程中还会产生高速的微射流束，产生很强的冲 击力，对材料表面产生破坏作用。
§ 1-3 空蚀分类
1、空化空蚀破坏类型
1）翼型空化和空蚀 2）间隙空化和空蚀 3）空腔空化和空蚀 4）局部空化和空蚀
§ 1-4 空蚀的危害
1、空化与空蚀对水力机械性能的影响 对性能产生影响，主要表现为四个方面：
pa
pa
pv
pv
§ 1-2 汽蚀性能参数
六、汽蚀系数 水力机械的汽蚀系数
装置空化系数 (托马系数) 七、安装高度的确定
进水池面与泵进口列能量方程
hr
H
pe
Hg
ps
c
2 s
2g
hw
ha
ps
cs2 2g
pv
pe
Hg
hw
pv
p (T homa)
p
ha H
H g —压力最低点到进水池面（水轮机下游水面）
1] (1 ) c02 2g
Zk Zs 0
u
2 0
u
2 k
0
2g
w02 [(wk 2g w0
)2
1] 2
w02 2g
(1 )
c02 2g
1
c02 2g
hsk
c02 2g
即：
hr
1
c02 2g
2
w02 2g
当初生空化（出现第一个空化空泡）时
ha hr
要求 hr ha
临界汽蚀余量 hcr ：效率下降1%~3%时所对应的 ha
hrP 1Pc02P 2 w02P hrM 1M c02M 2M w02M
• 几何相似时，可以认为 1P 1M , 2P 2M
•
由运动相似
hrP hrM
1Pc02P 2 w02P 1M c02M 2M w02M
u12P u12M
( D1P nP )2 D1M nM
• 对于同一台泵，当转速变化时
1-2 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。
ns
3/4
• 九、空化的防护措施
• 1、从流体机械本身着手
• ①降低 c0 ， w0
• c0 ——加大Ds适当→ c0 减少，大
• w0 ——加大bs（进口前伸） • ② 双吸叶轮——对于泵
大 w0
• ③ 加大下环的锥角和曲率半径——对于低比转速
• ④ 加工精度
• ⑤ 诱导轮
• ⑥ 超空化翼型
§1-1 空化、空蚀(汽蚀)现象
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）。
空泡的产生与发展取决于液体的状态（温度和压力）以 及液体本身的物理性质（所含杂质量及所溶解的气体 等）。
2g
ha
pv
要不发生汽蚀 ha [h] ,当 ha [h]时,
[H s ]
pa
cs2 2g
[h]
pv
H s 有最大值
当不是标准状态时必须修正
即
[H ] [H s ] 10.33
pa
0.24
pv
[Hs ]
pa
c
2 s
2g
[h]
pv
[H s ]
pa
cs2 2g
[h]
pv
[H s ] [H s ]
1） [h] 已知 由有效汽蚀余量公式
ha
pe
Hg
hw
pv
要求水泵不发生汽蚀
ha [h]
即
ha
pe
H g hw
pv
[h]
得
Hg
pe
[h] hw
pv
§ 1-2 汽蚀性能参数
对于水轮机：
[h] KH， K 1.05 ~ 2.2 安全系数，比转速愈高
[h] ( )H
hw 0
实际中一般认为：
hcr
p
hr
§ 1-2 汽蚀性能参数
三、有效汽蚀余量（装置汽蚀余量）
1、定义
它是装置提供给泵（水轮机）的汽蚀余量
2、表达式：列进水池和水泵进口（水轮机出口）
pe
Hg
ps
c
2 s
2g
hw
得
ha
ps
c
2 s
2g
pv
pe
Hg
hw
pv
3、 a. b.
hhrrh与r越与装小h置，a 的无抗关关汽系，蚀性h能a 与越装好置有关
ps
c
2 s
2g
hw
H s
pa
ps
要求
H S
pa
pe
cs2 2g
Hg
hw
H s [H s ]
H s
pa
pe
c
2 s
2g
Hg
hw
[H s ]
Hg
[H s ]
pa
pe
v
2 s
2g
hw
§ 1-2 汽蚀性能参数