臨界空化係數

臨界空化係數是在水輪機(包括水泵水輪機等水力機械，以下統稱水輪機)試驗、設計、研究和運行中經常涉及的反映其基本性能的關鍵參數。在過去的幾十年中，其曾經被作為評價水輪機空化性能和在空化條件下的能量性能的惟一參數和評價依據，受到廣泛的重視。但是，隨着試驗技術的不斷進步，特別是當人們可以通過氣泡觀測確定初生空化係數後，臨界空化係數的作用受到廣泛質疑，有人甚至認為臨界空化係數已經失去其存在價值，建議今後做模型試驗時不再進行確定臨界空化係數的試驗。臨界空化係數和初生空化係數是兩個有許多關聯、又有本質區別的性能參數，其各自反映了水輪機兩個不同方面的性能，所起作用也不同。過去將兩方面的要求都通過臨界空化係數一個來體現，確實誇大了其作用；如果忽略了臨界空化係數在確定水輪機效率和出力方面的作用，勢必會將兩方面功能強加給初生空化係數，而這也是其難以承擔的，使我們犯和過去同樣的錯誤 ^[1]  。

所謂臨界空化係數，是當水輪機的能量性能隨着空化係數的降低而產生某種(或某一趨勢)變化時所對應的空化係數。此處的能量性能指的是效率、功率和流量，通常用效率、單位功率和單位流量來表示。

臨界空化係數是通過模型試驗來確定的。試驗在固定水頭、固定轉速、固定導葉開度和葉片轉角的條件下進行，通常通過在試驗枱的尾水箱不斷地抽真空以降低試驗系統的壓力，逐步減小空化係數，並觀察效率、單位功率、單位流量的變化，進而確定臨界空化係數。

初生空化係數和臨界空化係數的區別

初生空化係數和臨界空化係數不同，其和所測試水輪機的能量性能沒有直接關係，是通過觀測轉輪進出口和流道內空泡產生和發展的狀況確定的。當轉輪葉片表面有空泡產生時，我們就定義該點的空化係數為初生空化係數。

需要強調指出的是，空泡產生的部位不同，其形成機理也不同，產生的影響也大不相同，需要區別對待。葉片出水邊背面產生的空化，通常稱為翼型空化，和葉柵稠密度、翼型及空化係數有關；葉片進水邊因脱流而產生的空化，空泡大多出現在背面(高水頭低單位轉速工況)，個別的也出現在正面(低水頭高單位轉速工況)，和葉片進水邊形狀及工況關係很大，受空化係數影響較小；對於軸流式和貫流式水輪機來説，還有一類空化，即間隙空化，由葉片端面間隙形成的高速水流和其到達葉片背面低壓區所產生的迴旋流所致。

近些年的驗收試驗，國內外開始關注和進行空化初生觀測，用以確定初生空化係數，在轉輪的綜合特性曲線上繪出葉片進水邊初生空化線和等初生空化係數線(主要指葉片出水邊)等。根據我們對大量觀測試驗的分析，葉片進水邊和端面間隙流引起的空化都屬於脱流空化，和臨界空化係數關係很小。也就是説，解決這兩類問題不能靠降低安裝高程以增大電站裝置空化係數來解決，而只能通過改變葉片進水邊翼型、葉片外緣背面加保護裙邊、調整額定水頭和最高水頭的關係、選擇最優工況單位轉速離最高水頭單位轉速比較近的轉輪等來實現.相比較而言，只有葉片出水邊背面產生的所謂“翼型空化”和臨界空化係數關係比較大，我們可以通過降低機組安裝高程的方法解決該類空蝕問題。但是，二者的聯繫屬間接聯繫，它們之間的關係會因轉輪、工況等不同而迥異，有時空化發生而效率不下降，有時也會效率下降很多而無翼型空化發生，決不能將二者等同起來。

總之，無論哪種初生空化係數，都與臨界空化係數不同，都根據不同部位的空化狀況決定，和水輪機當時的效率、出力、過流能力等無直接關係，不能和其與臨界空化係數等同。初生空化係數可用於判斷是否會產生空蝕，這是其應起的作用。但是，正像我們過去用臨界空化係數來判斷是否產生空化或空蝕是錯誤的一樣，試圖利用其判斷或確定水輪機能否達到所需的效率和出力也是錯誤的。判斷在空化條件下的效率和出力性能的惟一標準是臨界空化係數，它是通過其能量性能的變化確定的，其作用也就在這些方面，即用於確定水輪機的能量性能。也就是説，臨界空化係數在確定水輪機空化條件下效率及出力性能方面有不可替代的作用，當然不應當在今後的模型試驗中被取消 ^[2]  。

在臨界空化係數的作用及其和初生空化係數的關係被確定之後，如何通過臨界空化係數來精確地確定空化條件的效率和出力性能便成為問題的關鍵。

利用臨界空化係數確定水輪機出力有兩個不同的方面：一方面是在已知水輪機臨界空化係數、電站安裝高程或裝置空化係數，確定水輪機在各水頭下的最大出力；另一方面則已知電站的水頭、出力及水輪機臨界空化係數，確定機組的安裝高程或裝置空化係數。對於水電站改造來説，電站的裝置空化係數已定，需要確定的是在此條件下的水輪機出力。而對於新建電站來説，電站的出力是基本確定的，不確定的是裝置空化係數和機組安裝高程。我們通常面對的是後者，我們其後的討論也主要針對後者進行。

綜合上述分析，可得如下結論：

(1)臨界空化係數是通過測試能量特性的變化確定的，反映了水輪機效率、出力等參數隨空化係數變化的特性，和轉輪內是否產生空化、空蝕沒有必然聯繫。

(2)初生空化係數是通過觀測水輪機轉輪內各部位產生空化的狀況確定的，是反映轉輪空化性能的基本參數，但無法替代臨界空化係數在確定水輪機效率和出力性能方面的作用。

(3)過去採用空化安全係數法確定水輪機出力或裝置空化係數，有很大的隨意性，誤差非常大，可能會造成出力不足或挖深增加，造成不必要的損失或使電站造價大幅度增加，急需對其進行修正 ^[3]  。