水轮机与水泵的空化与空蚀(常近时)思维导图
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.
第四章 水轮机的空化与空蚀
由于液体具有汽化特性，液体在恒压下加热，或恒温下用静 力或动力方法降低其周围环境压力，都能使液体汽化。 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，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，称为空化。 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，它发 生在压力下降到某一临界值的流动区域中，空穴中主要充满着液 体的蒸汽以及从溶液中析出的气体。 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。
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
水轮机的空化和空蚀
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；
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。
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。
水利机械空化
第七章水力机械的空蚀破坏§7-1 水力机械的空化现象简介一、水力机械中的空化形态水力机械中可能存在的空化：游移空化，固定空化，漩涡空化。
导流面来流方向突然发生变化，易出现固定型空化；导流面来流方向逐渐变化，且冲角较小则可能出现游移空化；叶轮出口边（转轮进口边）、叶轮与固定件之间的间隙处，由于压力的急剧变化，常出现漩涡空化。
偏离最优工况的水轮机尾水管中常出现漩涡空化。
在固定空化出现的同时，在固定空泡的表面也伴随有游移空泡产生。
二、水力机械中空化现象的分类通常不按空化的基本形态分类，而按空化发生的部位分类，分成四类：翼型空化，间隙空化，空隙空化，局部空化。
1、翼型空化——叶片式水力机械普遍存在的一种空化现象（1）翼型空化与翼型几何形状有关图7-1：反击式水轮机叶片空化一般发生在叶片的背面：Ⅰ区和Ⅲ区；Δβ<0时，空化将发生在Ⅱ区。
图7-1 翼型空化部位示意图翼型空化与翼型几何形状的关系：图7-2：对称翼型压力分布压力分布情况：A 、B 两个低压区；空化：可能在四个部位出现空化区。
当系统p 下降时，首先在A 点发生空化；p 进一步降低，空泡长度延伸；有可能B 点尚未出现空化前，A 点空泡下游端已到达B 点。
若p 再进一步下降，空泡长度会有较大的增长。
图7-2 对称翼型的压力分布翼型特征：头部为半圆形；尾部的断面逐渐变尖图7-3 尖拱二维柱体的压力分布图7-3：将图7-2翼型头部稍加修改：用一个二倍柱径的尖拱代替圆头，见图7-3。
低压点仍为二个（A、B点），但A点已向下游移动，负压绝对值减小。
当p下降到一定值时，空泡将包围整个翼型，只在头部有限区域存在正压区。
结论：翼型空化可以靠改变翼型的几何形状加以改变。
（2）翼型空化与运行工况有关以水泵为例，泵工况发生变化时，进口相对速度和大小发生变化。
见图7-4设在叶片进口处为法向入流，β—叶片进口安放角；1β′：小流量时叶片进口相对水流角；1β′′：大流量时叶片进口相对水流角。