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
2 k 2 2
2
σ是动力真空的相对值、为无因次量，与水轮机转 轮翼型几何形态、运行工况和尾水管性能有关。对某 一几何形状既定的水轮机（包括尾水管相似，在既定
的某一工况下，σ是定值。
分析：几何形状相似的水轮机（包括尾水管相
似），在相似工况点（单位转速相等）速度三角相似，
则各速度的相对值相等，尾水管恢复系数亦相等，所 以σ相等。 σ是反映水轮机空化的一个相似准则。
Pa Pv Hs g g p H
当下游水面为大气
压力时，电站空化系数
σP 仅 取 决 于 转 轮 相 对
于下游水面的相对高度，
表示水轮机离开空化起
始点的表征值。
当 K 点压 力 Pk 降至 相 应 温
度汽化压力 Pv 时，水轮机的 空化处于临界状态，此时 σP =σ；当σP >σ时，转 轮中最低压力点的压力 Pk>Pv，
根据对空化现象的观测，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。化学和电 化的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。 空蚀严重时，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。
2 2 2 PK WK uK P2 W22 u2 ZK Z2 hK 2 g 2 g 2 g g 2 g 2 g
2 PK P2 W22 WK ( Z 2 Z K ) hK 2 g g 2g
u K u2
2 PK P2 W22 WK ( Z 2 Z K ) hK 2 g g 2g
水轮机转轮必须同时具备良好的能量性能和空
化性能，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空蚀破坏。
设水轮机流道最低压力点 K 的压力为Pk，2点叶片出口边的 压力为P2，a点为下游水面上的 点、压力为 Pa 。若下游为开敞 式，则 Pa 为大气压力。列出 K 点和 2 点水流相对运动的伯努 力方程式：
水轮机翼型空蚀的主要部位
2、间隙空化、空蚀
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空化和空蚀。 主要发生在混流式水
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，以及导叶
端面间隙处。
3、局部空化、空蚀
主要由于铸造和加工缺陷形成表面不平整、砂眼、
为求出 2 点的压力，可取叶片出口处 2 点与下游断 面a点间水流绝对运动的伯努力方程式：
Z2 P V P2 V Za a h2a g 2 g g 2 g
2 2 2 a
Va 0
Pa P2 V22 Z2 Z a h2a g g 2g
2 Pa PK V22 WK W22 (Z K Z a ) ( hk a ) g g 2g 2g
Pk Pv P gH
转轮中不会发生空化；当
σP <σ 时 ， 转 轮 中 最 低 压
力点Pk<Pv，转轮中将发生空
化。
通过选择适当的值 Hs 来保
证水轮机在无空化的条件下 运行。
二、水轮机的吸出高度
1、吸出高度计算公式
Pk Pv P gH
在某一工况下，最低压力点处的动力真空值是一
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、空蚀
混流式水轮机：主要是翼型空化空蚀，间隙、局部
空化空蚀是次要的。
转桨式水轮机：以间隙空化空蚀为主。
冲击式水轮机：主要发生在喷嘴和喷针处，而在水 斗的分水刃处由于承受高速水流而常常有空蚀发生。
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的两个重要参数：能量Biblioteka 能的效率空化性能的空化系数
1.翼型空化、空蚀
水流绕流叶片引起压力降低而产生。叶片背面压 力往往为负压，当该压力降低到环境汽化压力以下时， 便发生空化和空蚀。 与叶片翼型断面的 几何形状密切相关， 所以称为翼型空化、 空蚀。与运行工况有 关，非最优工况时， 会诱发或加剧，是反 击式水轮机主要的空 化和空蚀形态。 沿叶片背面压力分布
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。
2 Pa PK V22 WK W22 (Z K Z a ) ( hk a ) g g 2g 2g
方程式两端同时减去
Pv g
除以水头H
hk a V22 w 2g
Pa Pv Hs Pk Pv g g WK2 W22 V22 ( W ) gH H 2 gH 2g
定的。静力真空Hs与水轮机的装置高程有关。
因此，可通过选择合适的吸出高度 Hs 来控制最低
压力点的真空值，以达到避免空化和空蚀的目的。
Pk Pmin Pv g g g
Pa Pv HS g g p H
Pa Pv HS H g g
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
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）。
（3）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）。 （4）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。 （5）撞击现象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。
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
水力机械中水流运动比较复杂，将在不同条件下形 成空化初生、空化现象可能出现在不同部位。 空化位置：绕流体表面的低压区或流向急变部位。 最大空蚀区：位于平均空穴长度的下游端。整个空蚀 区由最大空蚀点在上下游延伸相对宽的一个范围内。 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。
K
1.动力真空
V22 Wk2 W22 hv hk a 2g 2g
由水轮机转轮和尾水管所形成， 与各流速水头、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：Hs=Zk-Za 取决于转轮相对于下游水面的装置高度。与水 轮机的安装高程有关，而与水轮机型式无关，称为 吸出高度。
（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，可使机组产生强烈振动、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
1、机械作用
（1）流道中局部压力降低到汽化压力时，水开始汽
化，原溶解在水中极微小的（直径约为10-5～10-4mm）
空气泡同时开始聚集、逸出。水中出现大量由空气及 水蒸汽混合形成的气泡（直径在0.1～2.0mm以下）。 （2）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
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
V22 V22 w 1 w 2g 2g
ξw、ηw—尾水管的阻力系数、恢复系数
水轮机空化系数 水电站空化系数
W W2 V22 w 2 gH 2 gH
2 k 2
Pa Pv Hs g g p H
Pk Pv P gH
W W2 V w 2 gH 2 gH
4、空腔空化、空蚀：与运行工况有关。
较大负荷时：涡带形状呈柱状形，与尾水管中心线同 轴，直径较小也较为稳定；在最优工况时，涡带甚至 可消失。
低负荷时：空腔涡带较粗，呈螺旋形，且自身也在旋 转。偏心螺旋形涡带，在空间极不稳定，空蚀强烈。
翼型空化空蚀：最普遍、最严重。 空腔空化空蚀：某些水电站比较严重，以致影响水轮 机的稳定运行。 间隙、局部空化空蚀：只产生在局部较小范围内。
hk a hk 2 h2a
2 Pv Pa PK V22 WK W22 (Z K Z a ) ( hk a ) g g g 2g 2g
K
2 Pv Pa PK V22 WK W22 (Z K Z a ) ( hk a ) g g g 2g 2g