临界空化系数

在水轮机试验、设计、研究和运行中经常涉及的反映其基本性能的关键参数

临界空化系数是在水轮机（包括水泵水轮机等水力机械，以下统称水轮机）试验、设计、研究和运行中经常涉及的反映其基本性能的关键参数。在过去的几十年中，其曾经被作为评价水轮机空化性能和在空化条件下的能量性能的惟一参数和评价依据，受到广泛的重视。

系数介绍

临界空化系数是在水轮机(包括水泵水轮机等水力机械，以下统称水轮机)试验、设计、研究和运行中经常涉及的反映其基本性能的关键参数。在过去的几十年中，其曾经被作为评价水轮机空化性能和在空化条件下的能量性能的惟一参数和评价依据，受到广泛的重视。但是，随着试验技术的不断进步，特别是当人们可以通过气泡观测确定初生空化系数后，临界空化系数的作用受到广泛质疑，有人甚至认为临界空化系数已经失去其存在价值，建议今后做模型试验时不再进行确定临界空化系数的试验。临界空化系数和初生空化系数是两个有许多关联、又有本质区别的性能参数，其各自反映了水轮机两个不同方面的性能，所起作用也不同。过去将两方面的要求都通过临界空化系数一个来体现，确实夸大了其作用；如果忽略了临界空化系数在确定水轮机效率和出力方面的作用，势必会将两方面功能强加给初生空化系数，而这也是其难以承担的，使我们犯和过去同样的错误。

定义及方法

所谓临界空化系数，是当水轮机的能量性能随着空化系数的降低而产生某种(或某一趋势)变化时所对应的空化系数。此处的能量性能指的是效率、功率和流量，通常用效率、单位功率和单位流量来表示。

临界空化系数是通过模型试验来确定的。试验在固定水头、固定转速、固定导叶开度和叶片转角的条件下进行，通常通过在试验台的尾水箱不断地抽真空以降低试验系统的压力，逐步减小空化系数，并观察效率、单位功率、单位流量的变化，进而确定临界空化系数。

两者区别

初生空化系数和临界空化系数的区别

初生空化系数和临界空化系数不同，其和所测试水轮机的能量性能没有直接关系，是通过观测转轮进出口和流道内空泡产生和发展的状况确定的。当转轮叶片表面有空泡产生时，我们就定义该点的空化系数为初生空化系数。

需要强调指出的是，空泡产生的部位不同，其形成机理也不同，产生的影响也大不相同，需要区别对待。叶片出水边背面产生的空化，通常称为翼型空化，和叶栅稠密度、翼型及空化系数有关；叶片进水边因脱流而产生的空化，空泡大多出现在背面(高水头低单位转速工况)，个别的也出现在正面(低水头高单位转速工况)，和叶片进水边形状及工况关系很大，受空化系数影响较小；对于轴流式和贯流式水轮机来说，还有一类空化，即间隙空化，由叶片端面间隙形成的高速水流和其到达叶片背面低压区所产生的回旋流所致。

近些年的验收试验，国内外开始关注和进行空化初生观测，用以确定初生空化系数，在转轮的综合特性曲线上绘出叶片进水边初生空化线和等初生空化系数线(主要指叶片出水边)等。根据我们对大量观测试验的分析，叶片进水边和端面间隙流引起的空化都属于脱流空化，和临界空化系数关系很小。也就是说，解决这两类问题不能靠降低安装高程以增大电站装置空化系数来解决，而只能通过改变叶片进水边翼型、叶片外缘背面加保护裙边、调整额定水头和最高水头的关系、选择最优工况单位转速离最高水头单位转速比较近的转轮等来实现.相比较而言，只有叶片出水边背面产生的所谓“翼型空化”和临界空化系数关系比较大，我们可以通过降低机组安装高程的方法解决该类空蚀问题。但是，二者的联系属间接联系，它们之间的关系会因转轮、工况等不同而迥异，有时空化发生而效率不下降，有时也会效率下降很多而无翼型空化发生，决不能将二者等同起来。

总之，无论哪种初生空化系数，都与临界空化系数不同，都根据不同部位的空化状况决定，和水轮机当时的效率、出力、过流能力等无直接关系，不能和其与临界空化系数等同。初生空化系数可用于判断是否会产生空蚀，这是其应起的作用。但是，正像我们过去用临界空化系数来判断是否产生空化或空蚀是错误的一样，试图利用其判断或确定水轮机能否达到所需的效率和出力也是错误的。判断在空化条件下的效率和出力性能的惟一标准是临界空化系数，它是通过其能量性能的变化确定的，其作用也就在这些方面，即用于确定水轮机的能量性能。也就是说，临界空化系数在确定水轮机空化条件下效率及出力性能方面有不可替代的作用，当然不应当在今后的模型试验中被取消。

安装高程

在临界空化系数的作用及其和初生空化系数的关系被确定之后，如何通过临界空化系数来精确地确定空化条件的效率和出力性能便成为问题的关键。

利用临界空化系数确定水轮机出力有两个不同的方面：一方面是在已知水轮机临界空化系数、电站安装高程或装置空化系数，确定水轮机在各水头下的最大出力；另一方面则已知电站的水头、出力及水轮机临界空化系数，确定机组的安装高程或装置空化系数。对于水电站改造来说，电站的装置空化系数已定，需要确定的是在此条件下的水轮机出力。而对于新建电站来说，电站的出力是基本确定的，不确定的是装置空化系数和机组安装高程。我们通常面对的是后者，我们其后的讨论也主要针对后者进行。

总结

综合上述分析，可得如下结论：

(1)临界空化系数是通过测试能量特性的变化确定的，反映了水轮机效率、出力等参数随空化系数变化的特性，和转轮内是否产生空化、空蚀没有必然联系。

(2)初生空化系数是通过观测水轮机转轮内各部位产生空化的状况确定的，是反映转轮空化性能的基本参数，但无法替代临界空化系数在确定水轮机效率和出力性能方面的作用。

(3)过去采用空化安全系数法确定水轮机出力或装置空化系数，有很大的随意性，误差非常大，可能会造成出力不足或挖深增加，造成不必要的损失或使电站造价大幅度增加，急需对其进行修正。

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