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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； Δβ0时，空化将发生在Ⅱ区。 图7-1 翼型空化部位示意图 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 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7-3 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； 1 β′ ：小流量时叶片进口相对水流角； 1 β′′ ：大流量时叶片进口相对水流角。 1 小流量时：空化区发生在叶片背面。 大流量时：当进口相对水流角大于叶片角时，空化区发 生在叶片工作面。 图7-4 叶片进口速度 2、间隙空化 各类叶片式水力机械，均有可能存在间隙空化。 是由于水流通过窄小的通道，引起局部流速升高，压力降 低而产生的一种漩涡空化。图7-5：轴流式水轮机叶片与转 轮室的间隙处出现的空化与空蚀的部位示意图。 反击式水轮机出现间隙空化的部位： （1）导叶与顶盖间隙处； （2 ）导叶与底环间隙处； （3 ）转轮各种迷宫环之间； 冲击式水轮机出现间隙空化的部位： 水斗式水轮机的喷嘴与喷针之间。 间隙空化的特点：范围不大，破坏严 重。高水头水轮机尤为突出。 图7-5 间隙空化示意图 3、空腔空化——反击式水轮机所特有的一种漩涡空化。 尤以混流式水轮机最为突出。 出现情况：水轮机在非设计工况下运行。叶片出口水流 不再保持法向出流，vu2≠0，此旋转水流在尾水管中产生 回流。当回流达到转轮区后，在转轮作用下，在尾水管 中心区形成强制涡，在水流不对称流动下，涡流偏心形 成螺旋状涡带。当涡带中心压力低于汽化压力或含气量 足够大时，涡带内形成空腔——空腔空化（见图7-6 ）。 空腔空化造成机组振动和运行的不稳定。 图7-6 水轮机尾水管中的空腔空化 4、局部空化——只出现在某一很小范围 形成原因：铸造和加工缺陷形成过流件表面不平整， 砂眼、气孔等引起的局部流态突然变化而造成。 上述四种空化引起的空蚀破坏分别称为：翼型空蚀、 间隙空蚀、空腔空蚀、局部空蚀。 ξ7-2 反击式水轮机的空化特性 常用空化数σ来评价水轮机空化特性。 图7-7：水轮机装置简图。 推导水轮机空化系数用。 图中：0点—表示上游； 1点和2点—表示工作叶轮 片的进口和出口；