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第五章 叶片式流体的空蚀、泥沙
磨损及水力振动
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。
所以空化与空蚀同样也是反映水轮机、水
泵特性的一个重要指标，是设计、试验、运行
中必须考虑的问题，并且一直是国内外水力机
械领域中的重要研究课题。
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? 本章准备讨论 4个方面的问题,
1、空化与空蚀机理
2、水力机械的空化参数
3、水力机械的泥沙磨损
4、水力机械的水力振动
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第一节 空化与空蚀机理
一、空化现象
这是一种流体力学现象。
临界压力 ——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）。
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? 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。
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? 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）。
空泡的产生与发展取决于液体的状态
（温度和压力）以及液体本身的物理性质
（所含杂质量及所溶解的气体等）。
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? 空泡的发展型式
（按存在形式和产生的原因来分）,
①、游动型（离散型）空泡。
②、固定型空泡（空泡初生后形成附着于边界
上的空隙）。
③、旋涡型空泡（液体受强烈扰动而形成）。
④、振动型空泡。
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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。
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? 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。
? 2° 大的空泡在溃灭过程中会变形，空泡分裂
成若干个小空泡的过程中还会产生高速的微
射流束，产生很强的冲击力。
在过流边壁的某一个地方，随着液流的不
断流过，溃灭的空泡像尖刀一样反复锤打金
属边壁（疲劳破坏），金属表面在反复打击
下，金属晶格开始破坏 —出现裂纹。当压力
升高时，高压液流深进金属裂缝，压力突然
下降时，缝隙中的液流又吹出来，循环下去
造成金属破坏，最终成块脱落 ——剥蚀。
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2）化学作用
当空泡被压缩时，由于体积突然缩小，温度要
升高放出热量；同时水锤压力对金属表面的冲击也
要产生局部高温。当空泡凝结时，局部温度可达到
300° C左右，所以在这种高温、高压作用下，又促
使了空蚀对金属表面的氧化，这就是化学作用。
3）电化作用
气泡在高温高压作用下产生放电现象，这就是电
化作用。因为金属表面被高压液流反复冲击的部位
会产生很大热量，温度升高，形成热端，将会与邻
近点的非冲击部位 (冷端 ) 构成一个热电耦，在热电
耦的回路中产生电势，使金属内部有电流通过，也
产生电化腐蚀 (电解作用 )，致金属表面变暗变毛，
加速机械破坏作用。
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4）微射流理论
空泡在溃灭过程中还会产生高速的微射流
束，产生很强的冲击力，对材料表面产生破
坏作用。
三、空蚀破坏类型及对性能的影响
1,空化空蚀破坏类型
1）,翼型空化和空蚀
2）,间隙空化和空蚀
3）,空腔空化和空蚀
4）,局部空化和空蚀
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2、空化与空蚀对水力机械性能的影响
对性能产生影响，主要表现为四个方面,
1）、破坏过流表面
2）、机器能量特性发生变化
3）、引起振动和噪声
4）、使机组检修频繁
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第二节 水力机械的空化参数
既然空化与空蚀是水力机械在能量转
换中特有的现象，它对机器的性能造成直
接影响，故水力机械的空化空蚀性能也是
一项非常重要的特性指标。如何反映水力
机械的空化空蚀性能，这对于预测、改善
水力机械的空化空蚀性能是非常必要的。
常用翼型空化空蚀来表征水力机械的
性能，它是反击式水力机械中最主要的空
化空蚀形式。
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? 翼型空化主要发生在叶片背面靠近出水边
（水轮机）或进水边（泵）的地方，我们设
叶片背面的 K点为最低压力点，那么当 K点的
压力低于或等于当时液体温度的汽化压力时
（ pk/γ≤pv/γ）就发生空化。
? 空化 (或空蚀 )系数
泵,= 称装置空化系数
水轮机,= 称 电站空化
系数 ??
?
????? aa S
H
h??
? ?????????????? svaasvaa g?
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? 水力机械的空化系数 = ??
?
????
?
? rr Sh
gH
P va-Pk
? ?? ?? ?
?? ??
vak ???
,
,
,
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? —称为外空化指标（安装机组时控制）
? —称内空化指标（设计时控制）
因为 是无因次的，它是水力机械空化现
象的相似准则，对几何相似，工作在相似工
况的机器 =const。
空化 (或空蚀 )比转速
C=5.62nqv1/2/△ hr3/4
??
?
?
?
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第三节 水力机械的泥沙磨损
河流中普遍夹带有大量的泥沙，尤其是
黄河的含沙量居世界首位。那么当大量泥沙
经过水轮机，会对电站的运行，对水轮机造
成什么影响呢？
对多泥沙河流上水电站的水轮机泥沙磨
损是一个普遍存在的问题。
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一、泥沙磨损的定义
水力机械的工作水流中，具有一定对内的
坚硬沙粒冲撞过流表面，而将造成材料的
微体积剥落，这一过程称为泥沙磨损。
二、泥沙磨损的危害
磨损过流部件 ηv↓,η↓, p↓，引起机
组振动 。
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举例说明,
1,白金电站（ ZL）：因过机水流中含有大量铁沙，
运行时间小于三年，转轮叶片普遍磨薄，边缘已严
重损坏，转轮室中部分已完全磨掉，露出了混凝土。
2,关江电站（ HL）：运行时间小于 2300小时，叶片
已穿孔。
3,甘肃家嘴电站,H=32米，转轮为 30#铸钢，运行
45天后，转轮出水边磨成鱼鳞坑，下环处磨成刀刃
状，出现缺口，下迷宫环全已磨损，运行一年后，
功率由 3000KW下降到 2400KW,
注,ZL机主要磨损部件为转轮及转轮室。
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4,河南某电站水轮机的转轮室与叶片间隙由
6—8毫米磨损到 70—100毫米。中高水头电
站，有时导水机构磨损比较严重。
5,甘肃某电站； H=100米，经过一个汛期运
行，导叶出现缺口，造成导叶严重漏水，开
停机困难。
6,渔子溪电站,H=270米，运行 11000小时
后，不锈钢转轮完好，但导叶和底环抗磨板
严重损坏。
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三、磨损机理
水力机械的泥沙磨损是一个很复杂的问题，
一般认为是由于机械和化学作用的结果，当
然主要是由于机械的作用。
当水流中的泥沙冲撞过流表面瞬间，可能
产生高温高压，那么在高温高压作用下，因
为水中含有气体，就很易使金属表面氧化，
使金属表面的保护膜被破坏 ——产生局部腐
蚀。再加上泥沙不断冲击金属表面，就更加
速金属保护层的破坏。
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另外，由于坚硬的泥沙硬度一般高于金
属材料的硬度，而且砂粒形状各异，有尖锐
的菱角形 圆形等，都以很高的速度处境在材
料表面上。当尖角砂粒以平行材料的表面移
动，使接触点产生横向塑性流动，切下一定
数量的微体积材料，这相当于微切削过程。
在垂直冲击下，尖角砂粒同材料接触时，
尖角会转动，这也存在微切削效果，但切削
能力不如小冲角。圆形砂粒垂直冲击在材料
表面会产生反复的塑性变形形成凹坑。这些
塑性降低，脆性增加的堆积物将重新受压移
位。同时在合适的砂粒冲角下,易被直接剪
断 ——属变形磨损。
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泥沙对过流表面的磨损过
程，相当于变形磨损和微切削
磨损的复合作用。
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空蚀破坏特征,
空蚀破坏是有潜伏期的，金属变色（表面
灰暗） →麻点（真孔状） →海绵状（表面十
分疏松），鱼鳞坑 →孔洞、沟槽、裂纹等。
破坏表面无金属光泽。
泥沙磨损破坏特征,
泥沙磨损破坏是无潜伏期的，具有擦痕 →
沟槽 →鱼鳞坑的破坏特征，破坏表面呈金属
光泽。
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四、影响泥沙磨损的因素
1.砂粒破度，形状，尺寸，含砂量等。
（砂成分：石英，长石，花岗石硬度 ↑；形状：
棱角形，尖角形，圆形等。
粒径 >0.25mm不允许通过水轮机，建议 0.05
或 0.05~0.1mm）
2.材料的抗磨性能（如金属表面渗碳，涂料，
环氧金刚砂，抗磨橡胶等）。
3.水流状态（水流速度及冲击方向）。
一般认为磨损量与流速成三次方关系 。
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五、主要的抗磨措施
1.结构设计上改善水流流态
在结构设计上尽量使过流表面平滑，没
有凹凸不平，窄缝等造成局部旋涡产生。
设耐磨系数表征 ZG30 定为,1”
? 堆 6424焊条 —“≥4.0”
? 20Cr5Cu板材 —“2.0~3.0”
? 1Cr18Ni9Ti板材 —“1.2~1.8”
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2,采用耐磨材料几涂层，对易磨部位铺抗磨板。
如对顶盖和底环部分铺抗磨板，来加强过流部件
的耐磨性能。
3.合理选择机型和工作参数
机型,中高水头（ H=300~1700m）和 HL
（ H=30~700m）中选择时,
? 水斗式的喷针，喷嘴易遭泥沙磨损，造成 η↓，但易更
换,
? 水斗式总的耐磨，适宜多泥沙电站。
? HL的主要磨损部位是导叶，而且 HL的磨损对 η↓影
响比水斗式小，寿命长，但检修较难，从减少磨损观
点应选 HL。
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机型,低水头 ZL和 HL中选择时,
? ZL转轮出口处 W2较大，易遭磨损，但检修
比 HL容易。
? 从磨损观点看，宜选 HL机组。
工作参数,
? （ 1） 多泥沙电站 Hs允应取小一点。
? （ 2） 选择较大的转轮直径 D1，减少转轮中
相对流速，减少转轮磨损。
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4.对机组运行运行工况的限制
这主要是指规定合理的运行工况，当偏
离设计工况时，水流条件恶化，局部流速增
加，会加剧磨损破坏。所以必须控制机组的
运行工况。对多泥沙电站，水轮机作调相运
行和停机时，由于导叶关闭不严，在导叶间
会产生高速射流，使导叶磨损加剧。那么为
减少导叶磨损，停机时先不关闭导叶，而是
利用主阀的关闭来避免发生导叶的间隙泄漏。
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5.设沉沙池，排砂建筑物
在电站设沉沙池或排砂闸，来减少过机泥
沙。
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衡量水力机组性能的好坏，除了用能
量指标和空蚀性能好坏来判断外，还应
该有一个反映工作稳定性的指标，因为
机组的振动除了直接影响到运行的稳定
性外，而且剧烈振动还会造成设备和厂
房的破坏，所以振动问题目前已作为一
项重要的科研课题。
第四节 水力 机械 的水力振动
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引起水轮发电机组振动可分成三大类,
? 机械振动,由转动部分质量不平衡以及工况
及安装等原因造成。
? 电磁振动,由发电机电气部分的电磁力不平
衡而引起。
? 水力振动,由水轮机尾水管涡带、导叶或叶
片尾部的涡列、转轮止漏环中的压力脉动或
者引水钢管的振动等因数造成。
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一、尾水管涡带及其引起的水力振动
尾水管涡带是 HL和 ZD式水轮机在部分
负荷时，尾水管中出现的一种不稳定流动，
这种不稳定流动产生的压力脉动是造成水
轮机组振动和出力摆动的主要根源。
各种工况下尾水管涡带的形状及特点
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(a) （ b） (c) (d) (e) (f)
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a) 空载或负荷很小：尾水管成固稳型死水区且与尾
水管同心，这时压力脉动的值很小。
b)（ 30-40）％ N：出现偏心涡带，并稍有扭曲，水压
脉动大，是危险区域。
c)（ 40-55）％ N：涡带严重偏心水力脉动更大，是最
危险的区域。
d)（ 70-75）％ N：涡带同心水压脉动很小；对运行无
扰动。
e)（ 75-85）％ N：无涡带，没有水压脉动，运行稳定。
f) 满负荷到超负荷：基本是管状涡带（在转轮出口
约有收缩），有很小的压力脉动。
危险区域,
从图上可以看出：（ 30-55）％ N范围类涡 带
都出现偏心；水压脉动很大，一般要认为这两种
涡带皆是造成尾水管压力脉动的主要原因。
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? 由尾水管涡带造成的压力脉动属于低频压力脉
动，即涡带的频率是低于水轮机转动频率的，
一旦空腔外边形成了局部空蚀并引起水击作用
时就会产生不规则的强压力冲击，所以在这种
低频的压力脉动作用下就会引起水轮机组的振
动。
? 主要表现的特点是,
1）引起尾水管振动，严重时将破坏尾水管里衬
2）引起水轮机顶盖的推力轴承的垂直振动
3）可能引起压力水管振动
4) 引起厂方振动
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二、消除或减小尾水管压力脉动的措施
1.尾水管补气
2.布置阻水栅
3.导水栅
4.改变尾水管结构形状，加长尾水管
锥段及选择其适当的锥角
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三、涡列引起的叶片振动
卡门涡列,
水流绕过圆柱体或翼型时，在尾部会产生
两列交错的漩涡，这就是卡门涡列。
卡门涡的后果是使速度场发生变化，当这种
漩涡交替脱落时，就会对绕流过流部件形成
周期性振动。
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叶片振动,
由于叶片出水边总是具有一定厚度的
（并不是理想中的尖翼形），尤其是在偏离
最优工况运行时，当水流从叶片流过时，在
出水边不可避免的会产生漩涡（属于卡门涡
列），注意到，当这些单涡交替地从叶片脱
落出来的同时，将对具有弹性的叶片产生交
替变化的侧向作用力，激起叶片振荡；同时，
由于叶片的反馈作用，使叶片附近的水流也
受到激发和扰动，又会产生作用在叶片上的
周期性的脉动压力。
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? 卡门涡引起涡振的主要外部特征,
（ 1）产生金属共鸣声；
（ 2）叶片根部出现裂纹；
（ 3）机组振动。
? 发生部件：涡列引起的叶片振动主要发生在
转轮叶片和固定导叶，以及活动导叶出水边。
? 涡振消除办法,
（ 1）改变叶片自振频率（叶片中间加支
撑）。这样可以增加钢度提高自振频率。
（ 2）减薄叶片出口边（倒角 30° ～ 40° ）
第五章 叶片式流体的空蚀、泥沙
磨损及水力振动
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。
所以空化与空蚀同样也是反映水轮机、水
泵特性的一个重要指标，是设计、试验、运行
中必须考虑的问题，并且一直是国内外水力机
械领域中的重要研究课题。
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? 本章准备讨论 4个方面的问题,
1、空化与空蚀机理
2、水力机械的空化参数
3、水力机械的泥沙磨损
4、水力机械的水力振动
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第一节 空化与空蚀机理
一、空化现象
这是一种流体力学现象。
临界压力 ——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）。
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? 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。
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? 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）。
空泡的产生与发展取决于液体的状态
（温度和压力）以及液体本身的物理性质
（所含杂质量及所溶解的气体等）。
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? 空泡的发展型式
（按存在形式和产生的原因来分）,
①、游动型（离散型）空泡。
②、固定型空泡（空泡初生后形成附着于边界
上的空隙）。
③、旋涡型空泡（液体受强烈扰动而形成）。
④、振动型空泡。
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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。
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? 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。
? 2° 大的空泡在溃灭过程中会变形，空泡分裂
成若干个小空泡的过程中还会产生高速的微
射流束，产生很强的冲击力。
在过流边壁的某一个地方，随着液流的不
断流过，溃灭的空泡像尖刀一样反复锤打金
属边壁（疲劳破坏），金属表面在反复打击
下，金属晶格开始破坏 —出现裂纹。当压力
升高时，高压液流深进金属裂缝，压力突然
下降时，缝隙中的液流又吹出来，循环下去
造成金属破坏，最终成块脱落 ——剥蚀。
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2）化学作用
当空泡被压缩时，由于体积突然缩小，温度要
升高放出热量；同时水锤压力对金属表面的冲击也
要产生局部高温。当空泡凝结时，局部温度可达到
300° C左右，所以在这种高温、高压作用下，又促
使了空蚀对金属表面的氧化，这就是化学作用。
3）电化作用
气泡在高温高压作用下产生放电现象，这就是电
化作用。因为金属表面被高压液流反复冲击的部位
会产生很大热量，温度升高，形成热端，将会与邻
近点的非冲击部位 (冷端 ) 构成一个热电耦，在热电
耦的回路中产生电势，使金属内部有电流通过，也
产生电化腐蚀 (电解作用 )，致金属表面变暗变毛，
加速机械破坏作用。
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4）微射流理论
空泡在溃灭过程中还会产生高速的微射流
束，产生很强的冲击力，对材料表面产生破
坏作用。
三、空蚀破坏类型及对性能的影响
1,空化空蚀破坏类型
1）,翼型空化和空蚀
2）,间隙空化和空蚀
3）,空腔空化和空蚀
4）,局部空化和空蚀
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2、空化与空蚀对水力机械性能的影响
对性能产生影响，主要表现为四个方面,
1）、破坏过流表面
2）、机器能量特性发生变化
3）、引起振动和噪声
4）、使机组检修频繁
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第二节 水力机械的空化参数
既然空化与空蚀是水力机械在能量转
换中特有的现象，它对机器的性能造成直
接影响，故水力机械的空化空蚀性能也是
一项非常重要的特性指标。如何反映水力
机械的空化空蚀性能，这对于预测、改善
水力机械的空化空蚀性能是非常必要的。
常用翼型空化空蚀来表征水力机械的
性能，它是反击式水力机械中最主要的空
化空蚀形式。
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? 翼型空化主要发生在叶片背面靠近出水边
（水轮机）或进水边（泵）的地方，我们设
叶片背面的 K点为最低压力点，那么当 K点的
压力低于或等于当时液体温度的汽化压力时
（ pk/γ≤pv/γ）就发生空化。
? 空化 (或空蚀 )系数
泵,= 称装置空化系数
水轮机,= 称 电站空化
系数 ??
?
????? aa S
H
h??
? ?????????????? svaasvaa g?
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? 水力机械的空化系数 = ??
?
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P va-Pk
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? —称为外空化指标（安装机组时控制）
? —称内空化指标（设计时控制）
因为 是无因次的，它是水力机械空化现
象的相似准则，对几何相似，工作在相似工
况的机器 =const。
空化 (或空蚀 )比转速
C=5.62nqv1/2/△ hr3/4
??
?
?
?
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第三节 水力机械的泥沙磨损
河流中普遍夹带有大量的泥沙，尤其是
黄河的含沙量居世界首位。那么当大量泥沙
经过水轮机，会对电站的运行，对水轮机造
成什么影响呢？
对多泥沙河流上水电站的水轮机泥沙磨
损是一个普遍存在的问题。
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一、泥沙磨损的定义
水力机械的工作水流中，具有一定对内的
坚硬沙粒冲撞过流表面，而将造成材料的
微体积剥落，这一过程称为泥沙磨损。
二、泥沙磨损的危害
磨损过流部件 ηv↓,η↓, p↓，引起机
组振动 。
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举例说明,
1,白金电站（ ZL）：因过机水流中含有大量铁沙，
运行时间小于三年，转轮叶片普遍磨薄，边缘已严
重损坏，转轮室中部分已完全磨掉，露出了混凝土。
2,关江电站（ HL）：运行时间小于 2300小时，叶片
已穿孔。
3,甘肃家嘴电站,H=32米，转轮为 30#铸钢，运行
45天后，转轮出水边磨成鱼鳞坑，下环处磨成刀刃
状，出现缺口，下迷宫环全已磨损，运行一年后，
功率由 3000KW下降到 2400KW,
注,ZL机主要磨损部件为转轮及转轮室。
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4,河南某电站水轮机的转轮室与叶片间隙由
6—8毫米磨损到 70—100毫米。中高水头电
站，有时导水机构磨损比较严重。
5,甘肃某电站； H=100米，经过一个汛期运
行，导叶出现缺口，造成导叶严重漏水，开
停机困难。
6,渔子溪电站,H=270米，运行 11000小时
后，不锈钢转轮完好，但导叶和底环抗磨板
严重损坏。
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三、磨损机理
水力机械的泥沙磨损是一个很复杂的问题，
一般认为是由于机械和化学作用的结果，当
然主要是由于机械的作用。
当水流中的泥沙冲撞过流表面瞬间，可能
产生高温高压，那么在高温高压作用下，因
为水中含有气体，就很易使金属表面氧化，
使金属表面的保护膜被破坏 ——产生局部腐
蚀。再加上泥沙不断冲击金属表面，就更加
速金属保护层的破坏。
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另外，由于坚硬的泥沙硬度一般高于金
属材料的硬度，而且砂粒形状各异，有尖锐
的菱角形 圆形等，都以很高的速度处境在材
料表面上。当尖角砂粒以平行材料的表面移
动，使接触点产生横向塑性流动，切下一定
数量的微体积材料，这相当于微切削过程。
在垂直冲击下，尖角砂粒同材料接触时，
尖角会转动，这也存在微切削效果，但切削
能力不如小冲角。圆形砂粒垂直冲击在材料
表面会产生反复的塑性变形形成凹坑。这些
塑性降低，脆性增加的堆积物将重新受压移
位。同时在合适的砂粒冲角下,易被直接剪
断 ——属变形磨损。
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泥沙对过流表面的磨损过
程，相当于变形磨损和微切削
磨损的复合作用。
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空蚀破坏特征,
空蚀破坏是有潜伏期的，金属变色（表面
灰暗） →麻点（真孔状） →海绵状（表面十
分疏松），鱼鳞坑 →孔洞、沟槽、裂纹等。
破坏表面无金属光泽。
泥沙磨损破坏特征,
泥沙磨损破坏是无潜伏期的，具有擦痕 →
沟槽 →鱼鳞坑的破坏特征，破坏表面呈金属
光泽。
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四、影响泥沙磨损的因素
1.砂粒破度，形状，尺寸，含砂量等。
（砂成分：石英，长石，花岗石硬度 ↑；形状：
棱角形，尖角形，圆形等。
粒径 >0.25mm不允许通过水轮机，建议 0.05
或 0.05~0.1mm）
2.材料的抗磨性能（如金属表面渗碳，涂料，
环氧金刚砂，抗磨橡胶等）。
3.水流状态（水流速度及冲击方向）。
一般认为磨损量与流速成三次方关系 。
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五、主要的抗磨措施
1.结构设计上改善水流流态
在结构设计上尽量使过流表面平滑，没
有凹凸不平，窄缝等造成局部旋涡产生。
设耐磨系数表征 ZG30 定为,1”
? 堆 6424焊条 —“≥4.0”
? 20Cr5Cu板材 —“2.0~3.0”
? 1Cr18Ni9Ti板材 —“1.2~1.8”
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2,采用耐磨材料几涂层，对易磨部位铺抗磨板。
如对顶盖和底环部分铺抗磨板，来加强过流部件
的耐磨性能。
3.合理选择机型和工作参数
机型,中高水头（ H=300~1700m）和 HL
（ H=30~700m）中选择时,
? 水斗式的喷针，喷嘴易遭泥沙磨损，造成 η↓，但易更
换,
? 水斗式总的耐磨，适宜多泥沙电站。
? HL的主要磨损部位是导叶，而且 HL的磨损对 η↓影
响比水斗式小，寿命长，但检修较难，从减少磨损观
点应选 HL。
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机型,低水头 ZL和 HL中选择时,
? ZL转轮出口处 W2较大，易遭磨损，但检修
比 HL容易。
? 从磨损观点看，宜选 HL机组。
工作参数,
? （ 1） 多泥沙电站 Hs允应取小一点。
? （ 2） 选择较大的转轮直径 D1，减少转轮中
相对流速，减少转轮磨损。
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4.对机组运行运行工况的限制
这主要是指规定合理的运行工况，当偏
离设计工况时，水流条件恶化，局部流速增
加，会加剧磨损破坏。所以必须控制机组的
运行工况。对多泥沙电站，水轮机作调相运
行和停机时，由于导叶关闭不严，在导叶间
会产生高速射流，使导叶磨损加剧。那么为
减少导叶磨损，停机时先不关闭导叶，而是
利用主阀的关闭来避免发生导叶的间隙泄漏。
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5.设沉沙池，排砂建筑物
在电站设沉沙池或排砂闸，来减少过机泥
沙。
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衡量水力机组性能的好坏，除了用能
量指标和空蚀性能好坏来判断外，还应
该有一个反映工作稳定性的指标，因为
机组的振动除了直接影响到运行的稳定
性外，而且剧烈振动还会造成设备和厂
房的破坏，所以振动问题目前已作为一
项重要的科研课题。
第四节 水力 机械 的水力振动
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引起水轮发电机组振动可分成三大类,
? 机械振动,由转动部分质量不平衡以及工况
及安装等原因造成。
? 电磁振动,由发电机电气部分的电磁力不平
衡而引起。
? 水力振动,由水轮机尾水管涡带、导叶或叶
片尾部的涡列、转轮止漏环中的压力脉动或
者引水钢管的振动等因数造成。
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一、尾水管涡带及其引起的水力振动
尾水管涡带是 HL和 ZD式水轮机在部分
负荷时，尾水管中出现的一种不稳定流动，
这种不稳定流动产生的压力脉动是造成水
轮机组振动和出力摆动的主要根源。
各种工况下尾水管涡带的形状及特点
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(a) （ b） (c) (d) (e) (f)
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a) 空载或负荷很小：尾水管成固稳型死水区且与尾
水管同心，这时压力脉动的值很小。
b)（ 30-40）％ N：出现偏心涡带，并稍有扭曲，水压
脉动大，是危险区域。
c)（ 40-55）％ N：涡带严重偏心水力脉动更大，是最
危险的区域。
d)（ 70-75）％ N：涡带同心水压脉动很小；对运行无
扰动。
e)（ 75-85）％ N：无涡带，没有水压脉动，运行稳定。
f) 满负荷到超负荷：基本是管状涡带（在转轮出口
约有收缩），有很小的压力脉动。
危险区域,
从图上可以看出：（ 30-55）％ N范围类涡 带
都出现偏心；水压脉动很大，一般要认为这两种
涡带皆是造成尾水管压力脉动的主要原因。
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? 由尾水管涡带造成的压力脉动属于低频压力脉
动，即涡带的频率是低于水轮机转动频率的，
一旦空腔外边形成了局部空蚀并引起水击作用
时就会产生不规则的强压力冲击，所以在这种
低频的压力脉动作用下就会引起水轮机组的振
动。
? 主要表现的特点是,
1）引起尾水管振动，严重时将破坏尾水管里衬
2）引起水轮机顶盖的推力轴承的垂直振动
3）可能引起压力水管振动
4) 引起厂方振动
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二、消除或减小尾水管压力脉动的措施
1.尾水管补气
2.布置阻水栅
3.导水栅
4.改变尾水管结构形状，加长尾水管
锥段及选择其适当的锥角
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三、涡列引起的叶片振动
卡门涡列,
水流绕过圆柱体或翼型时，在尾部会产生
两列交错的漩涡，这就是卡门涡列。
卡门涡的后果是使速度场发生变化，当这种
漩涡交替脱落时，就会对绕流过流部件形成
周期性振动。
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叶片振动,
由于叶片出水边总是具有一定厚度的
（并不是理想中的尖翼形），尤其是在偏离
最优工况运行时，当水流从叶片流过时，在
出水边不可避免的会产生漩涡（属于卡门涡
列），注意到，当这些单涡交替地从叶片脱
落出来的同时，将对具有弹性的叶片产生交
替变化的侧向作用力，激起叶片振荡；同时，
由于叶片的反馈作用，使叶片附近的水流也
受到激发和扰动，又会产生作用在叶片上的
周期性的脉动压力。
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? 卡门涡引起涡振的主要外部特征,
（ 1）产生金属共鸣声；
（ 2）叶片根部出现裂纹；
（ 3）机组振动。
? 发生部件：涡列引起的叶片振动主要发生在
转轮叶片和固定导叶，以及活动导叶出水边。
? 涡振消除办法,
（ 1）改变叶片自振频率（叶片中间加支
撑）。这样可以增加钢度提高自振频率。
（ 2）减薄叶片出口边（倒角 30° ～ 40° ）
