水轮机的空化与空蚀
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❖ 空腔空蚀：在非最优工况时，水流在尾水管中发生旋转
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？
叶片上压力最低点
通过研究叶片上的压力分布情况，得到叶片上压力最低点
(一般为叶片背面靠近转轮叶片出口处)K点的压力为(列K点
和2点、2点和下游水面的能量方程)：
pk
pa
Hs
(Wk2 W22 2g
w
V22 2g
)
K点的真空值Hk.v：
H kv
pa
pk
H
s
(Wk2 W22 2g
w
V22 2g
)
静力真空
（涡带观察）
较大负荷时
低负荷时
第三节 水轮机的空蚀系数、吸出高和安装高程
一、水轮机的空蚀系数
❖ 衡量水轮机好坏：一是效率；二是空蚀系数。 ❖ 反击式水轮机发生空蚀破坏的根本原因是过流通道中出现
了p<pb的情况，因此防止空蚀的措施是限制p的降低，使 p≥pb。 ❖ 影响水轮机效率的主要原因是翼型空蚀，所以衡量水轮机 空蚀性能好坏一般是针对翼型空蚀而言，其标志为空蚀系 数。 ❖ 空蚀系数б是水轮机空蚀特征的一个标志，б越大，越容易 破坏 。
动力真空
❖ 静力真空Hs是吸出高度，取决于水轮机的安装 高程，与水轮机的性能无关；
❖ 动力真空hk与转轮叶型、水轮机工况、尾水管 性能有关，因此表明水轮机空蚀性能的只是动
力真空：
hk
/
H
1 2gH
(Wk2
W22
wV22 )
❖ б称水轮机的空蚀系数，是动力真空的相对值。 ❖ б与叶型、工况有关。 ❖ б与尾水管的性能有关。 ❖ 几何形状相似的水轮机，工况相似，б相同；对
10 在空化与空蚀方面，混流水轮机和轴流水轮机有什么区别？
第四章 水轮机的空化与空蚀
第一节、水轮机的空化与空蚀
1. 概念
❖ 沸腾：水在一定压力下加温引起的汽化； ❖ 空化：环境温度不变压力降低引起的汽化。
空化压力：在给定温度下，液体开始汽化的临界压力。 空蚀：当空化产生的空穴进入压力较低的区域，开始变成较 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，引起过流表面的材料破坏。
❖ 汽泡被压缩，由于体积缩小，汽化破坏时水流质点 相互撞击，引起局部温度升高(可达到300℃)，汽泡 的氧原子与金属发生化学反应，造成腐蚀；同时由 于温度升高，产生电解作用→化学腐蚀。
3. 空蚀造成的危害
❖ 使过流部件机械强度降低，严重时整个部件受 到破坏。
❖ 增加过流部件的糙率，水头损失加大，效率降 低，流量减小，出力下降。
❖ 机组产生振动，严重时造成厂房振动破坏。 ❖ 缩短了机组检修的周期，增加了检修的复杂性。
消耗钢材、延长工期。
第二节 水轮机空蚀类型
❖ 翼形(叶片)空蚀：转轮叶片背面出口处产生的空蚀，与
叶片形状、工况有关。是反击式水轮机的主要空蚀形式。
❖ 间隙空蚀：当水流通过间隙和较小的通道时，局部流速
增大，压力降低而产生的空蚀。
Hs
pa
pB
H
Pa/γ=10.33
Hs
10.0
900
( m
)H
PB/γ=0.09~0.24
Hs
10.0
900
k mH
❖ 水轮机吸出高Hs是转轮叶片压力最低点到下游水面 的垂直高度Zk，与水轮机形式有关，规定如下： (1) 立轴混流式水轮机： 导叶下部底环平面到下游尾水面垂直高度。 (2) 立轴轴流式水轮机： 转轮叶片轴线到下游尾水面垂直高度。 (3) 卧轴贯流式水轮机： 叶片出口最高点到下游尾水面垂直高度。 (4) 设计尾水位高于上述高程Hs为负，反之为正。 (5) 为保证水轮机在运行中不发生空蚀，对各种工况 下Hs 进行试验，取其中较小值。
b0 ： 水轮机导叶高度；D1 ：转轮直径
第四节 防止空蚀的措施
流速和压力是产生空蚀最重要的两个原因，因 此要控制流速和压力的急剧变化。
1. 设计制造方面： 合理选型，叶型流线设计，表 面光滑，抗空蚀钢衬(不锈钢)。
2. 工程措施：合理选择安装高程，采取防沙、排 沙措施，防止有害泥沙进入水轮机。
3. 运行方面：避开低负荷、低水头运行，合理调 度，必要时向尾水管补气。
2. 空蚀破坏的机理 ❖ 水开始汽化→汽泡(水蒸气+空气)→进入高压区→向
汽泡中心压缩、冲击，在汽泡内形成很大的微观水 锤压力(可达几百大气压)；
汽泡产生反作用力向外膨胀，压力升高，水流质点 向外冲击。
大量汽泡连续不断地产生与溃灭，水流质点反复冲 击，使过流通道的金属表面遭到严重破坏→ 机械破 坏，称为疲劳剥蚀。
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？
叶片上压力最低点
通过研究叶片上的压力分布情况，得到叶片上压力最低点
(一般为叶片背面靠近转轮叶片出口处)K点的压力为(列K点
和2点、2点和下游水面的能量方程)：
pk
pa
Hs
(Wk2 W22 2g
w
V22 2g
)
K点的真空值Hk.v：
H kv
pa
pk
H
s
(Wk2 W22 2g
w
V22 2g
)
静力真空
（涡带观察）
较大负荷时
低负荷时
第三节 水轮机的空蚀系数、吸出高和安装高程
一、水轮机的空蚀系数
❖ 衡量水轮机好坏：一是效率；二是空蚀系数。 ❖ 反击式水轮机发生空蚀破坏的根本原因是过流通道中出现
了p<pb的情况，因此防止空蚀的措施是限制p的降低，使 p≥pb。 ❖ 影响水轮机效率的主要原因是翼型空蚀，所以衡量水轮机 空蚀性能好坏一般是针对翼型空蚀而言，其标志为空蚀系 数。 ❖ 空蚀系数б是水轮机空蚀特征的一个标志，б越大，越容易 破坏 。
动力真空
❖ 静力真空Hs是吸出高度，取决于水轮机的安装 高程，与水轮机的性能无关；
❖ 动力真空hk与转轮叶型、水轮机工况、尾水管 性能有关，因此表明水轮机空蚀性能的只是动
力真空：
hk
/
H
1 2gH
(Wk2
W22
wV22 )
❖ б称水轮机的空蚀系数，是动力真空的相对值。 ❖ б与叶型、工况有关。 ❖ б与尾水管的性能有关。 ❖ 几何形状相似的水轮机，工况相似，б相同；对
10 在空化与空蚀方面，混流水轮机和轴流水轮机有什么区别？
第四章 水轮机的空化与空蚀
第一节、水轮机的空化与空蚀
1. 概念
❖ 沸腾：水在一定压力下加温引起的汽化； ❖ 空化：环境温度不变压力降低引起的汽化。
空化压力：在给定温度下，液体开始汽化的临界压力。 空蚀：当空化产生的空穴进入压力较低的区域，开始变成较 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，引起过流表面的材料破坏。
❖ 汽泡被压缩，由于体积缩小，汽化破坏时水流质点 相互撞击，引起局部温度升高(可达到300℃)，汽泡 的氧原子与金属发生化学反应，造成腐蚀；同时由 于温度升高，产生电解作用→化学腐蚀。
3. 空蚀造成的危害
❖ 使过流部件机械强度降低，严重时整个部件受 到破坏。
❖ 增加过流部件的糙率，水头损失加大，效率降 低，流量减小，出力下降。
❖ 机组产生振动，严重时造成厂房振动破坏。 ❖ 缩短了机组检修的周期，增加了检修的复杂性。
消耗钢材、延长工期。
第二节 水轮机空蚀类型
❖ 翼形(叶片)空蚀：转轮叶片背面出口处产生的空蚀，与
叶片形状、工况有关。是反击式水轮机的主要空蚀形式。
❖ 间隙空蚀：当水流通过间隙和较小的通道时，局部流速
增大，压力降低而产生的空蚀。
Hs
pa
pB
H
Pa/γ=10.33
Hs
10.0
900
( m
)H
PB/γ=0.09~0.24
Hs
10.0
900
k mH
❖ 水轮机吸出高Hs是转轮叶片压力最低点到下游水面 的垂直高度Zk，与水轮机形式有关，规定如下： (1) 立轴混流式水轮机： 导叶下部底环平面到下游尾水面垂直高度。 (2) 立轴轴流式水轮机： 转轮叶片轴线到下游尾水面垂直高度。 (3) 卧轴贯流式水轮机： 叶片出口最高点到下游尾水面垂直高度。 (4) 设计尾水位高于上述高程Hs为负，反之为正。 (5) 为保证水轮机在运行中不发生空蚀，对各种工况 下Hs 进行试验，取其中较小值。
b0 ： 水轮机导叶高度；D1 ：转轮直径
第四节 防止空蚀的措施
流速和压力是产生空蚀最重要的两个原因，因 此要控制流速和压力的急剧变化。
1. 设计制造方面： 合理选型，叶型流线设计，表 面光滑，抗空蚀钢衬(不锈钢)。
2. 工程措施：合理选择安装高程，采取防沙、排 沙措施，防止有害泥沙进入水轮机。
3. 运行方面：避开低负荷、低水头运行，合理调 度，必要时向尾水管补气。
2. 空蚀破坏的机理 ❖ 水开始汽化→汽泡(水蒸气+空气)→进入高压区→向
汽泡中心压缩、冲击，在汽泡内形成很大的微观水 锤压力(可达几百大气压)；
汽泡产生反作用力向外膨胀，压力升高，水流质点 向外冲击。
大量汽泡连续不断地产生与溃灭，水流质点反复冲 击，使过流通道的金属表面遭到严重破坏→ 机械破 坏，称为疲劳剥蚀。