第四章水轮机的空化与空蚀(new)
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。
第四章：叶片式流体机械的空化与空蚀
（三）吸出（入）真空度
H Vpa gpSpa gp0H S2 cS g 2 H 0 S
[HV]的值由试验确定 HSJ
二、无因次空化参数 （一）空化（或空蚀）系数
装置空化系数 水力机械空化系数 初生空化条件
P
ha H
NPSaH H
hr NPSrH
HH
n qV
3
NPSH
4 r
Ka
qV
ghr 34
3
n
S
qV
3
hr 4
nqH 4
H
3 4
n3q4
C5.62n3q4 1.54n3s4
HSJ
三、 泵的空化性能与入流角度的关系
这一部分内容不再讲述，有兴趣可参阅有关书籍。
HSJ
四、 水力机械的安装高度
h ap g 0 H Sp V g a H 0 S h r12 c g L 222 w g L 2
HSZ[HV]2cSg2 H0S
非标准状况下允许吸入真空度的换算
[ H V ] [ H V ] 1 .3 0 H 3 a H V a 0 .24
HSZ[HV]H0S
cS2 2g
HSJ
第三节 空化与空蚀的防护与改善措施
一、设计
1、合理确定叶轮低压侧的几何尺寸
用HS代替ZK并令:
cL2 2g
HSL
1
cL2 2g
wK2 wL2 2g
2
wL2 2g
ES
pS
g
ZS
cS2 2g
最后得:
pg KESHS12cg L 2 22 wgL 2
HSJ
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
空化空蚀机理
应力电化效应：局部产生交变高应力⇒晶格之间应力差
⇒金属内部微小电池变形，形成电势差。 应变电化效应。 边界层放电电化效应。 根据对汽蚀现象的观测，空化和空蚀破坏主要是机械破坏，化学 和电化作用是次要的。化学和电化的腐蚀加速了机械破坏过程。
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§4.1 空化与空蚀机理
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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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；
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片状空化和云状空化
典型超空化照片 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
（3）旋涡空化：由液流受到强烈的扰动而产生的旋涡形成的
。多发生在水力机械的进出口边和绕流物体的尾部。漩涡空化可 能是固定的，也可能是游移的，尾流中的漩涡空化是不稳定的和 多变的。其形态多为螺旋形。
性的，都有遭受过空蚀破坏的实例。
Note: 空蚀是空化的直接后果；
空化可发生在液体内部或者固体边界上；
空蚀只能发生在固体边界上。
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§4.1 空化与空蚀机理 二、空化机理
1、空化的初生
实验表明：纯净的液体能够承受拉应力。目前所测到纯水的最大 抗拉强度为26-27MPa，利用分子动力学理论计算则更大。
相同点：液体的汽化 不同点：
沸腾：液体在常压高温条件下的汽化。1atm,100 ℃
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
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§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
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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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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；
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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：
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。
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 。
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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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。
空蚀是空化的直接后果，空蚀只发生在固体边界上。
二、空蚀机理空蚀的形成与水的汽化现象有密切的联系。
在给定温度下，水开始汽化的临界压力叫做水的汽化压力。
水在各种温度下的汽化压力值见表4-1。
为应用方便，汽化压力用其导出单位mH2O (1mH2O=9806.65p a)表示。
表4-1 水的汽化压力值由上述可见，对于某一温度的水，当压力下降到某一汽化压力时，水就开始产生汽化现象。
通过水轮机的水流，如果在某些地方流速增高了，根据水力学的能量方程知道，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，便会产生汽蚀。
目前认为，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。
１．机械作用水流在水轮机流道中运动可能发生局部的压力降低，当局部压力低到汽化压力时，水就开始汽化，而原来溶解在水中的极微小的（直径约为10-5~10-4mm）空气泡也同时开始聚集、逸出。
从而，就在水中出现了大量的由空气及水蒸汽混合形成的气泡（直径在0.1~2.0mm以下）。
这些气泡随着水流进入压力高于汽化压力的区域时，一方面由于气泡外动水压力的增大，另一方面由于汽泡内水蒸汽迅速凝结使压力变得很低，从而使气泡内外的动水压差远大于维持气泡成球状的表面张力，导致气泡瞬时溃裂（溃裂时间约为几百分之一或几千分之一秒）。
在气泡溃裂的瞬间，其周围的水流质点便在极高的压差作用下产生极大的流速向汽泡中心冲击，形或巨大的冲击压力（其值可达几十甚至几百个大气压）。
在此冲击压力作用下，原来气泡内的气体全部溶于水中，并与一小股水体一起急剧收缩形成聚能高压“水核”。
而后水核迅速膨胀冲击周围水体，并一直传递到过流部件表面，致使过流部件表面受到一小股高速射流的撞击。
这种撞击现象是伴随着运动水流中气泡的不断生成与溃裂而产生的，它具有高频脉冲的特点，从而对过流部件表面造成材料的破坏，这种破坏作用称为空蚀的“机械作用”。
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。
这种局部出现的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。
据试验测定，在气泡凝结时，局部瞬时高温可过300℃，在这种高温和高压作用下，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，局部受热的材料与四周低温的材料之间，会产生局部温差，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。
根据对汽蚀现象的多年观测，认为空化和空蚀破坏主要是机械破坏，化学和电化作用是次要的。
在机械作用的同时，化学和电化腐蚀加速了机械破坏过程。
空化和空蚀在破坏开始时，一般是金属表面失去光泽而变暗，接着是变毛糙而发展成麻点，一般呈针孔状，深度在1~2mm以内；再进一步使金属表面十分疏松成海绵状，也称为蜂窝状深度为3mm到几十毫米。
汽蚀严重时，可能造成水轮机叶片的穿孔破坏。
空化和空蚀的存在对水轮机运行极为不利，其影响主要表现在以下几方面：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。
第二节水轮机空化与空蚀类型由于水力机械中的水流是比较复杂的，空化现象可以出现在不同部位及在不同条件下形成空化初生。
对于各种类型的水力机械空化区的观察和室内试验成果可知，空化经常在绕流体表面的低压区或流向急变部位出现，而最大空蚀区位于平均空穴长度的下游端，但整个空蚀区是由最大空蚀点在上下游延伸相对宽的一个范围内。
所以，导流面的空蚀部分并非是引起空化观察现象的低压点，而低压点在空蚀区的上游，即在空穴的上游端。
根据空化和空蚀发生的条件和部位的不同，一般可分为以下四种：１．翼型空化和空蚀。
翼型空化和空蚀是由于水流绕流叶片引起压力降低而产生的。
叶片背面的压力往往为负压，其压力分布如图4-2。
当背面低压区的压力降低到环境汽化压力以下时，便发生空化和空蚀。
这种空化和空蚀与叶片翼型断面的几何形状密切相关，所以称为翼型空化和空蚀。
翼型空化和空蚀是反击式水轮机主要的空化和空蚀形态。
翼型空化和空蚀与运行工况有关，当水轮机处在非最优工况时，则会诱发或加剧翼型空化和空蚀。
图4-2 沿叶片背面压力分布国内许多水电站水轮机的调查，混流式水轮机的翼型空化和空蚀主要可能发生在图4-3)(b所示的A～D四个区域。
A区为叶片背面下半部出水边；B区为叶片背面与下环靠近处；C区为下环立面内侧；D区为转轮叶片背面与上冠交界处。
轴流式轮机的翼型空化和空蚀主要发生在叶背面的出水边和叶片与轮毂的连接处附近，如图4-3)(a所示。
图4-3 水轮机翼型空蚀的主要部位(b混流式转轮翼型空蚀主要部位)(a轴流式转轮翼型空蚀主要部位；)２．间隙空化和空蚀。
间隙空化和空蚀是当水流通过狭小通道或间隙时引起局部流速升高，压力降低到一定程度时所发生的一种空化和空蚀形态，如图4-4所示。
间隙空化和空蚀主要发生混流式水轮机转轮上、下迷宫环间隙处，轴流转桨式水轮机叶片外缘与转轮室的间隙处，叶片根部与轮毂间隙处，以及导水叶端面间隙处。
图4-4 间隙空化和空蚀３．局部空化和空蚀。
局部空化和空蚀主要是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突然变化而造成的。
例如，转桨式水轮机的局部空化和空蚀一般发生在转轮室连接的不光滑台阶处或局部凹坑处的后方；其局部空化和空蚀还可能发生在叶片固定螺钉及密封螺钉处，这是因螺钉的凹入或突出造成的。
混流式水轮机转轮上冠泄水孔后的空化和空蚀破坏，也是一种局部空化和空蚀。
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。
空腔空化和空蚀的发生一般与运行工况有关。
在较大负荷时，尾水管中涡带形状呈柱状形，见图4-5)(b，几乎与尾水管中心线同轴，直径较小也较为稳定，尤其在最优工况时，涡带甚至可消失。
但在低负荷时，空腔涡带较粗，呈螺旋形，而且自身也在旋转，这种偏心的螺旋形涡带，在空间极不稳定，将发生强烈的空腔空化和空蚀，见图4-5)(a、)(c。
图4-5 空腔汽蚀涡带的形状总上所述，混流式水轮机的空化和空蚀主要是翼型空化和空蚀，而间隙空化和空蚀和局部空化和空蚀仅仅是次要的；而转桨式水轮机是以间隙空化和空蚀为主；对于冲击式水轮机的空化和空蚀主要发生在喷嘴和喷针处，而在水头的分水刃处由于承受高速水流而常常有空蚀发生。
在上述四种空化和空蚀中，间隙空化和空蚀、局部空化和空蚀一般只产生在局部较小的范围内，翼型空化和空蚀则是最为普遍和严重的空化和空蚀现象，而空腔空化和空蚀对某些水电站可能比较严重，以致影响水轮机的稳定运行。
关于评定水轮机空化和空蚀的标准，除了常用测量空蚀部位的空蚀面积和空蚀深度的最大值和平均值外，我国目前采用空蚀指数在反映空蚀破坏程度，它是指单位时间内叶片背面单位面积上的平均空蚀深度，用符号h K 表示： FTV K h =(mm/h) (4-1)式中V —空蚀体积，m 2.mm ；T —有效运行时间，不包括调相时间，h ； F —叶片背面总面积，m 2 ；；h K —水轮机的空蚀指数，410-mm/h 。
为了区别各种水轮机的空化和空蚀破坏程度，表4-2中按值大小h K 分为五级。
表4-2 空蚀等级表第三节 水轮机的空化系数与吸出高度一、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。
所以，一个好的水轮机转轮必须同时具备良好的能量性能和空化性能，即既要效率高，能充分利用水能，又要空化系数小，使水轮机在运行中不易发生汽蚀破坏。
本节将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4-6为一水轮机流道示意图，设最低压力点为K 点，其压力为K P ,2点为叶片出口边上的点，压力为2P ，a 点为下游水面上的点，a P 为下游水面上的压力，若下游为开敞式的，则a P 为大气压力。