2.6　水轮机的空化和空蚀

水轮机空化是水轮机在能量转换过程中一种常见的现象，过去我国也常称之为气蚀或汽蚀。水轮机发生空化后，会引起噪音和机组的振动，空泡溃灭打击到流道表面时会造成空蚀。有的空化虽然不会造成空蚀损害，但可能造成很大的水压脉动而引起水力不稳定。因此水轮机的空化性能，是标志水轮机性能优劣的重要指标。它直接关系到水电站的土建投资、机组使用寿命和运行安全。

2.6.1　空化和空蚀的机理

2.6.1.1　空化的机理

日常生活中的沸腾是液体汽化的一种形式。沸腾的发生主要取决于液体内部温度的变化，同时也与液体表面压力有关。例如在一个标准大气压（1标准大气压＝101325Pa）下，水温达到100℃时，水开始沸腾；在海拔2200m的高程上，大气压力为80kPa，水在93℃沸腾；如果绝对压力降低到2kPa，水温低于20℃时，水就会沸腾。通常情况下，把水在衡定的压力下加热，当温度高于某一温度，开始汽化形成气泡的现象称为沸腾。而把温度不变，由于压力降低到某一临界压力，水发生汽化或溶解于水中的空气发育形成空穴的现象称为空化现象。水在一定温度下开始空化的临界压力称为汽化压力。表2－1给出了水的汽化压力与温度的关系。

我们以前通常所说的气蚀现象，实际上包括了空化和空蚀两个过程。在进入水轮机的水中，存在大量的亚微观尺寸的小泡（10－3～10－4mm），泡中包含着不溶于水的永久性气体或蒸汽，或者同时包含着气体和蒸汽。这种小泡称为气核。关于气核的内部构造和它长期存在于水体中的原因等尚没有统一认识，但这种微团一致被认为是液体产生空化的内因。

水轮机中水流的平均温度变化不大，但随着水轮机运行工况的变化，过流通道内部的压力是经常变化的。当水轮机流道中的某些部位由于某种原因（如流速过大）引起压力降低，并低于水的汽化压力时，水开始汽化不断放出水蒸气。这些蒸气逐渐向气核里扩散，使其体积变大形成可见的气泡，从而使液相流体的连续性遭到破坏。这个气泡也称为空泡，这个过程称为空化初生。

当继续降压时，这些气泡由初生不断长大。当气泡随水流进入压力高于汽化压力的区域时，气泡中的蒸汽迅速凝结成水珠，它占据的空间被气泡中原有的气体扩散充满，密度减小，压力降低。于是周围的高压水流质点便以极高的速度向气泡中心冲击，形成了巨大的冲击压力。气泡在这个压力下被压缩，直到气泡内气体的弹性压力大于冲击压力时，这种压缩才被阻止。接着气泡由于反作用力而产生膨胀，被强烈碰撞的水质点又以较高的速度向外冲击，从而使气泡周围的压力急剧降低。这样如此反复，气泡经过几次的压缩与回弹，每次都出现变形与收缩，或者分裂，以致逐渐溃灭而消失，使水流的连续性得以恢复。综上所述，我们把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，水流中气核成长、聚积、流动、分裂、溃灭过程的总称，称为空化。空化包括了空泡的初生、发育成长到溃灭的整个过程。

2.6.1.2　空蚀的机理

空化过程可以发生在液体内部，也可以发生在固体边界上。当发生在固体边界附近时，会对固体边界造成空蚀。空蚀就是指由于空泡的溃灭，而引起过流表面的材料损坏。空蚀是空化的直接后果，它只发生在固体边界上。

空蚀机理是一个复杂的问题，空蚀可能是空泡溃灭过程中多种因素共同作用的结果。

多数学者一致认为空泡溃灭的机械作用是空蚀的主要原因，其中又有两种观点。一种观点认为，破坏是由空泡溃灭回弹过程中从空泡中心辐射出来的冲击压力产生的，即冲击压力波模式。此时溃灭空泡位于固体边界附近，其冲击压力波从气泡中心射到边界上，在边壁会形成一个球面凹形蚀坑。另一种观点认为，空蚀是由微型射流所造成的。空泡溃灭时发生变形，这种变形会促成流速很大的微型液体射流，该射流将在空泡溃灭结束前的瞬间穿透空泡的内部，如果溃灭地点离固体边界相当近，则该射流会射向固体边界造成空蚀。

除此之外，当空泡高速受压后，由于体积缩小和水流质点的相互撞击及对金属表面的撞击，会放出大量的热，促使金属表面氧化造成损坏，并在金属晶格中形成热电偶和电位差，从而形成电流，对金属表面产生电解作用而造成破坏。

2.6.2　空化和空蚀的类型

水轮机的空化和空蚀习惯上按其发生的部位不同分为翼型、间隙、局部、空腔空化和空蚀4种类型。

2.6.2.1　翼型空化和空蚀

翼型空化和空蚀是由反击式水轮机转轮叶片翼型引起的。水流进入反击式水轮机转轮绕流翼型时，转轮叶片的正面与背面之间存在压力差。若以大气压力作比较，一般情况下，叶片正面为正压力，背面为负压力。当叶片背面的负压力低于水的汽化压力时，翼型空化和空蚀就可能发生，如图2－15（a）所示。

翼型空化和空蚀是反击式水轮机主要的空化和空蚀类型。随着转轮叶片的几何形状和水轮机的运行工况不同，其空蚀区位于叶片的不同部位。在大多数的情况下，靠近叶片出水边的背面负压最大，在此最容易发生空蚀破坏。图2－16（a）示出了混流式水轮机转轮产生翼型空蚀的主要部位，即转轮叶片背面下半部出水边（A区），叶片背面与下环、上冠的交界处（B区、D区）和下环内表面（C区）。轴流式水轮机转轮的翼型空蚀主要发生在靠叶片进口的地方和叶片背面出水边，如图2－16（b）所示。

2.6.2.2　间隙空化和空蚀

间隙空化和空蚀是水流通过水轮机某些狭小的通道或间隙时，由于出现局部的流速增加和压力降低而产生的，如图2－15（b）所示。

轴流式水轮机以间隙空化和空蚀最为突出，发生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（对于转桨式水轮机）的间隙附近，如图2－17（a）所示。对于混流式水轮机，主要在导叶上下端面及在顶盖、底环上相当于导叶全关位置的区域［图2－17（b）］上出现间隙空化和空蚀，这是由于导叶关闭时漏水的缘故。另外，在止漏环［图2－17（b）］、上冠减压孔的后侧［图2－17（c）］等处也常有空蚀出现。水斗式水轮机则主要在喷嘴和喷针之间发生间隙空化和空蚀［图2－17（d）］。

2.6.2.3　局部空化和空蚀

局部空化和空蚀是由于水轮机过流表面凹凸不平引起脱流而产生的，如图2－15（c）所示，多由水轮机铸造和加工缺陷以及局部结构不光滑引起，如桨叶、减压孔、限位销、螺钉孔等部位。

2.6.2.4　空腔空化和空蚀

当反击式水轮机偏离最优工况运行时，转轮出口水流的绝对速度存在圆周切向分量，该圆周切向分速度会使水流旋转，在转轮出口处出现一条螺旋形状、中间含有蒸汽和其他气体的大空腔，并以某种频率在尾水管圆锥段部分摆动，称之为涡带，如图2－15（d）所示。涡带中心的压力较低（真空度很高），当低于汽化压力时就会发生空腔空化。这种周期性摆动的真空涡带将造成尾水管中的流速场和压力场也发生周期性的变化，并周期性地碰撞尾水管进口段边壁，从而产生空蚀并引起机组的振动和噪音，严重时将使机组产生过大的振动和功率摆动，以致影响机组运行的稳定性。

2.6.3　空化和空蚀的危害及防护措施

2.6.3.1　空化和空蚀的危害

空化和空蚀现象是水力机械设计和运行中必须重视的问题，其所造成的危害已引起了普遍关注。水轮机空化和空蚀所造成的危害主要包括以下几个方面。

1.破坏水轮机的过流部件

空化和空蚀对水轮机过流部件的侵蚀破坏有个发展过程：开始是金属表面失去光泽而变暗，接着变得毛糙而出现麻点状和蜂窝状；发展到比较严重时，在较薄的部位将会穿孔，甚至整块脱落。

2.降低水轮机的功率和效率

空化和空蚀对水轮机过流部件的损坏发展到一定程度，将使叶片绕流受力情况变坏，能量损失急剧增加，使水轮机的功率和效率大幅度降低。

3.引起噪音和振动

水轮机在产生空化和空蚀的某些工况运行时，过流部件会产生较大的压力脉动，甚至使机组发生强烈的噪音和振动，严重时还会引起厂房结构同时发生周期性的振动。因此，必要时应对水轮机采取补气措施或避开这种运行工况。

综上所述，水轮机的空化和空蚀不仅降低了它的使用寿命，而且增加了机组运行的困难。所以，防止空化和空蚀，尽可能减小其破坏作用，以及提高水轮机的抗空蚀性能，对电力生产和水电站建设是非常有意义的。

2.6.3.2　空化和空蚀的防护措施

影响水轮机空化和空蚀的因素比较多，为了防止空化和空蚀的发生，减少空化和空蚀的危害，应该从多方面着手共同采取措施来达到这一目的。

水轮机设计制造部门应该努力研究改进水轮机本身的水力性能和材料。例如，精心地研制转轮的型式、叶片翼型形状尺寸和数目以减小翼型空化；尽可能采用小而均匀的间隙以减小间隙空化；通过加长尾水管圆锥段部分和加大扩散角以及加长泄水锥能有效地控制尾水管中的空腔空化；提高加工工艺水平，力求过流部件表面光滑，翼型符合流线。又如采用优良抗蚀材料（不锈钢），提高水轮机抗空蚀破坏的能力；或在容易发生空蚀的部位铺焊一定厚度的不锈钢板；或在过流表面加设化学保护层，使气泡的破坏作用不致靠近过流表面，减少剥蚀后果等。

水轮机在运行中几乎无法避免空化和空蚀的发生，但是为了尽可能减少空化和空蚀的出现，水电站设计、运行部门应该针对其产生的条件采取相应的防范措施，关键是保证水流内部的压力不低于水的汽化压力。为此，水电站设计部门应该正确地选择水轮机型号（即比转速），合理地确定其安装高程（即吸出高度），以防止翼型空蚀和空腔空蚀。运行部门尽量避开或缩短不利的运行工况；或采用向尾水管进口补入空气的工程措施，改善空腔空化和空蚀；对出现的空蚀破坏及时进行检修，以免空蚀破坏的扩大。