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。

1.空化机理“气核理论”——液体中存在着微笑的汽泡（称为核子），这些核子使液体的抗拉强度降低；当液体的压强低于汽化压强时，这些核子迅速膨胀形成气泡，从而导致空化发生。

空化过程——空化是一种物理变化过程，涉及汽泡的产生、生长、破裂、反弹的全过程；在水温不变的条件下，当液体内部压力降低到某一限度时，即该温度下液体的汽化压力时，液体本体将发生破坏，在局部以气核为中心形成汽泡，这些汽泡随着液体向前流动，至某高压处时，汽泡周围的高压液体压缩汽泡，使汽泡急剧缩小以致破裂。

空化机理——在水轮机中，当水流过过流部件时，由于绕流叶片局部脱落、水流急剧拐弯等原因，在相应的部位都会引起流速过大而使压力降低。

如果压力降低到该温度下的汽化压力时，一方面由于水的汽化产生了水蒸气的汽泡；另一方面水中溶解的一部分空气也会随着压力降低而被释放出来，这样就形成了水蒸气和空气混合的膨胀空泡。

这些膨胀的空泡如果被带到高压区，空泡中的水蒸气会凝结成水珠，体积突然缩小，于是周围的高压水流质点就高速的向汽泡中心冲击，产生巨大的微观水锤压力（有时可以达到几百个大气压）。

在微观水锤的作用下，空泡中的空气被压缩（或者直接溃灭破裂为数个小气泡），直到空泡的大气弹性压力大于水锤压力时，才停止压缩，紧接着空泡由于反作用力而瞬间膨胀，又会发育成新的空泡。

2.空蚀机理空蚀是一种微观、瞬时、随机、多相、缓慢而连续的复杂现象，由多种因素共同造成，主要是空泡溃灭时产生巨大压力冲击的结果。

空蚀机理——包括：机械破坏、热力学损坏、电化学损坏。

机械破坏：空化过程中，空泡形成和压缩（或溃灭）的过程，每秒近千万次。

发生在固体边壁附近空泡溃灭，会形成指向边壁的高速射水流。

此外，空化过程中北压缩的空泡反向膨胀时，会产生冲击波，反向膨胀越大冲击波越强，这也是是边壁产生塑性变形的一种作用力。

长期连续的机械冲击作用便会导致金属剥蚀。

热力学损坏：当高速运动的空泡受压后，空泡迅速被压缩而辐射出大量的热量，产生高温，以使金属融化，造成损坏。

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。