水轮机空化特性

水轮机在不同运行工况下转轮和过流部件空化的性能。水轮机空化是水轮机在能量转换过程中常见的一种现象，过去称为气蚀或汽蚀。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。

空化的类型

反击式水轮机常见的空化主要有：①叶型空化。主要指正常条件下发生在转轮叶片等部位上的空化。当下游水位降低，在叶片背面等压力较低的部位，压力降低到接近汽化压力时，就将发生空化。②偏离最优工况后产生的空化。此时因冲角加大、水流恶化等，在转轮进出口将产生旋涡脱流等空化现象，常见的如进口边空化、叶道涡、片状空化等，以及在转轮后发生的尾水管涡带（又称空腔空化）等。后几种空化的主要危害不是造成空蚀，而是产生压力脉动或水力不稳定现象，有可能造成机组的强烈振动（参见水轮发电机组振动）。③局部空化。可分成：因设计不良或结构原因造成局部水流流态不好，如轴流转桨式水轮机叶片的吊孔，混流式水轮机转轮的泄水孔等处产生的空蚀；由加工制造不良、过流表面凹凸不平、波浪度大或材质缺陷等所引起的局部空蚀等。

空化和空蚀的防护

对水轮机中产生的空化和空蚀需进行具体分析，对症下药，才能取得最好的效果。除了要积极提高水轮机流道的设计水平，做好模型水轮机的空化试验研究，提高加工制造质量等措施外，对正常的叶型空化，需选择合适的装置空化系数或水轮机安装高程；对偏离最优工况所产生的空化，可通过合理选择机组的参数或调整水轮机的运行区等措施，以及修改局部型线等办法加以改善；对可能造成不稳定性的空化（如尾水管涡带等），则可采取补气（参见水轮机补气装置）或装设稳流装置等办法。

空化系数与安全保证

反击式水轮机的空化安全与空化系数密切相关。水轮机空化系数（σ）的定义为

式中，H_a为大气压力水柱；H_v为汽化压力水柱；H_s为水轮机吸出高度，H为水轮机工作水头。为了预测水轮机的空化性能，通常在水轮机模型试验中用改变σ值的办法，对水轮机在各种运行工况下的空化进行测定。通过试验确定σ值与模型水轮机的特性，如效率、流量、出力之间的关系，并将能量特性开始发生变化或变化至某一临界点时的σ值称为临界空化系数（σ_cr）。相应于电站下游水位的空化系数，称为装置空化系数（σ_pl）。早年水轮机空蚀的安全性主要用σ_cr乘上一个安全系数k来确定，即σ_pl=kσ_cr。这种方法称之为能量法或外特性法。近年来愈来愈多的水轮机，已改用目测或仪表观测等办法确定开始出现空泡时的初生空化系数σ_i值，取σ_pl＞σ_i，以此来确定水轮机的安装高程，即要求水轮机做到无空化运行。

为了使水轮机不出现过度的空蚀，通常在订货合同中由订货方提出要求或由双方参照有关标准，协商确定允许的空蚀量，由厂家作出保证。