1、第四章第四章 水轮机的空化与空蚀水轮机的空化与空蚀第一节、水轮机的空化与空蚀第一节、水轮机的空化与空蚀1. 概念概念v 沸腾：沸腾：水在一定压力下加温引起的汽化；水在一定压力下加温引起的汽化；v 空化：空化：环境温度不变压力降低引起的汽化。环境温度不变压力降低引起的汽化。 空化压力空化压力：在给定温度下，液体开始汽化的临界压力。在给定温度下，液体开始汽化的临界压力。 空蚀：空蚀：当空化产生的空穴进入压力较低的区域，开始变成较当空化产生的空穴进入压力较低的区域，开始变成较大的气泡，然后气泡被流体带到压力高于临界值的区域，气大的气泡，然后气泡被流体带到压力高于临界值的区域，气泡就将溃灭，引起过流表
2、面的材料破坏。泡就将溃灭，引起过流表面的材料破坏。2. 空蚀破坏的机理空蚀破坏的机理v水开始汽化水开始汽化汽泡汽泡(水蒸气水蒸气+空气空气)进入高压区进入高压区向向汽泡中心压缩、冲击，在汽泡内形成很大的微观水汽泡中心压缩、冲击，在汽泡内形成很大的微观水锤压力锤压力(可达几百大气压可达几百大气压)； 汽泡产生反作用力向外膨胀，压力升高，水流质点汽泡产生反作用力向外膨胀，压力升高，水流质点向外冲击。向外冲击。 大量汽泡连续不断地产生与溃灭，水流质点反复冲大量汽泡连续不断地产生与溃灭，水流质点反复冲击，使过流通道的金属表面遭到严重破坏击，使过流通道的金属表面遭到严重破坏 机械破机械破坏，称为疲劳剥蚀
3、坏，称为疲劳剥蚀。v汽泡被压缩，由于体积缩小，汽化破坏时水流质点汽泡被压缩，由于体积缩小，汽化破坏时水流质点相互撞击，引起局部温度升高相互撞击，引起局部温度升高(可达到可达到300)，汽泡，汽泡的氧原子与金属发生化学反应，造成腐蚀；同时由的氧原子与金属发生化学反应，造成腐蚀；同时由于温度升高，产生电解作用于温度升高，产生电解作用化学腐蚀化学腐蚀。v使过流部件机械强度降低，严重时整个部件受使过流部件机械强度降低，严重时整个部件受到破坏。到破坏。v增加过流部件的糙率，水头损失加大，效率降增加过流部件的糙率，水头损失加大，效率降低，流量减小，出力下降。低，流量减小，出力下降。v机组产生振动，严重时造
4、成厂房振动破坏。机组产生振动，严重时造成厂房振动破坏。v缩短了机组检修的周期，增加了检修的复杂性。缩短了机组检修的周期，增加了检修的复杂性。消耗钢材、延长工期。消耗钢材、延长工期。3. 空蚀造成的危害空蚀造成的危害第二节第二节 水轮机空蚀类型水轮机空蚀类型v翼形翼形( (叶片叶片) )空蚀空蚀：转轮叶片背面出口处产生的空蚀，与转轮叶片背面出口处产生的空蚀，与叶片形状、工况有关。是反击式水轮机的主要空蚀形式。叶片形状、工况有关。是反击式水轮机的主要空蚀形式。v间隙空蚀：间隙空蚀：当水流通过间隙和较小的通道时，局部流速当水流通过间隙和较小的通道时，局部流速增大，压力降低而产生的空蚀。增大，压力降低
5、而产生的空蚀。v空腔空蚀：空腔空蚀：在非最优工况时，水流在尾水管中发生旋转在非最优工况时，水流在尾水管中发生旋转形成一种对称真空涡带，引起尾水管中水流速度和压力的形成一种对称真空涡带，引起尾水管中水流速度和压力的脉动，在尾水管进口处产生空蚀破坏，还可能造成尾水管脉动，在尾水管进口处产生空蚀破坏，还可能造成尾水管振动。振动。v局部空蚀：局部空蚀：在过流部件凹凸不平因脱流而产生的空蚀。在过流部件凹凸不平因脱流而产生的空蚀。 翼形空蚀翼形空蚀局部空蚀局部空蚀空腔空蚀空腔空蚀间隙空蚀间隙空蚀尾水管内的真空涡带尾水管内的真空涡带1 .4 .2 V o rte x O b se rv e d in F r
6、a n c is R u n n e r（ 涡 带 观 察 ）较大负荷时低负荷时第三节第三节 水轮机的空蚀系数、吸出高和安装高程水轮机的空蚀系数、吸出高和安装高程一、水轮机的空蚀系数一、水轮机的空蚀系数v 衡量水轮机好坏：一是效率；二是空蚀系数。衡量水轮机好坏：一是效率；二是空蚀系数。v 反击式水轮机发生空蚀破坏的根本原因是过流通道中出现反击式水轮机发生空蚀破坏的根本原因是过流通道中出现了了ppb的情况，因此防止空蚀的措施是限制的情况，因此防止空蚀的措施是限制p的降低，使的降低，使ppb。v 影响水轮机效率的主要原因是翼型空蚀，所以衡量水轮机影响水轮机效率的主要原因是翼型空蚀，所以衡量水轮机空
7、蚀性能好坏一般是针对翼型空蚀而言，其标志为空蚀系空蚀性能好坏一般是针对翼型空蚀而言，其标志为空蚀系数。数。v 空蚀系数空蚀系数是水轮机空蚀特征的一个标志，是水轮机空蚀特征的一个标志，越大，越容易越大，越容易破坏破坏 。叶片上压力最低点叶片上压力最低点 通过研究叶片上的压力分布情况，得到叶片上压力最低点通过研究叶片上的压力分布情况，得到叶片上压力最低点(一般为叶片背面靠近转轮叶片出口处一般为叶片背面靠近转轮叶片出口处)K点的压力为点的压力为(列列K点点和和2点、点、2点和下游水面的能量方程点和下游水面的能量方程)： K点的真空值点的真空值Hk.v： )22(22222gVgWWHppHwkska
8、kv)22(22222gVgWWHppwksak静力真空动力真空v静力真空静力真空Hs是吸出高度，取决于水轮机的安装是吸出高度，取决于水轮机的安装高程，与水轮机的性能无关；高程，与水轮机的性能无关；v动力真空动力真空hk与转轮叶型、水轮机工况、尾水管与转轮叶型、水轮机工况、尾水管性能有关，因此表明水轮机空蚀性能的只是动性能有关，因此表明水轮机空蚀性能的只是动力真空：力真空： )(21/22222VWWgHHhwkkv称水轮机的空蚀系数，是动力真空的相对值。称水轮机的空蚀系数，是动力真空的相对值。v与叶型、工况有关。与叶型、工况有关。v与尾水管的性能有关。与尾水管的性能有关。v几何形状相似的水轮
9、机，工况相似，几何形状相似的水轮机，工况相似，相同；对相同；对任一水轮机在既定工况下，任一水轮机在既定工况下，也是定值。也是定值。v值影响因素复杂，理论难以确定，广泛使用的值影响因素复杂，理论难以确定，广泛使用的方法是进行水轮机模型试验得出方法是进行水轮机模型试验得出m,并认为并认为=m。 二、水轮机的吸出高度二、水轮机的吸出高度 为了防止空蚀，必须限制为了防止空蚀，必须限制k点的压力，使点的压力，使pkpv HppHBasHHms)(9000 .10HkHms9000 .10)22(22222gVgWWHppwksakHHpsa保证水轮机内不发生汽蚀的条件：保证水轮机内不发生汽蚀的条件： p
10、k pv Pa/=10.33 PB/=0.090.24v水轮机吸出高水轮机吸出高Hs是转轮叶片压力最低点到下游水面是转轮叶片压力最低点到下游水面的垂直高度的垂直高度Zk，与水轮机形式有关，规定如下：，与水轮机形式有关，规定如下： (1) 立轴混流式水轮机：立轴混流式水轮机： 导叶下部底环平面到下游尾水面垂直高度。导叶下部底环平面到下游尾水面垂直高度。 (2) 立轴轴流式水轮机：立轴轴流式水轮机： 转轮叶片轴线到下游尾水面垂直高度。转轮叶片轴线到下游尾水面垂直高度。 (3) 卧轴贯流式水轮机：卧轴贯流式水轮机： 叶片出口最高点到下游尾水面垂直高度。叶片出口最高点到下游尾水面垂直高度。 (4) 设
11、计尾水位高于上述高程设计尾水位高于上述高程Hs为负，反之为正。为负，反之为正。 (5) 为保证水轮机在运行中不发生空蚀，对各种工况为保证水轮机在运行中不发生空蚀，对各种工况下下Hs 进行试验，取其中较小值进行试验，取其中较小值。 三、水轮机的安装高程三、水轮机的安装高程 1. 立轴立轴HL：导叶中心平面高程：导叶中心平面高程 Za=w+Hs+b0/2 2. 立轴立轴ZL：导叶中心平面高程：导叶中心平面高程 Za=w+Hs+xD1 (x=0.380.48) 3. 卧轴卧轴HL和和GL：轴中心高程：轴中心高程 Za=w+Hs-D1/2 注：注： w ：水电站设计尾水位：水电站设计尾水位, 选用水电
12、站最低尾水选用水电站最低尾水 位（位（12台机组时取一台机组台机组时取一台机组50%额定流量，额定流量，34台机组时取一台机组额定流量）台机组时取一台机组额定流量） b0 ： 水轮机导叶高度；水轮机导叶高度；D1 ：转轮直径：转轮直径第四节第四节 防止空蚀的措施防止空蚀的措施 流速和压力流速和压力是产生空蚀最重要的两个原因，因是产生空蚀最重要的两个原因，因此要控制流速和压力的急剧变化。此要控制流速和压力的急剧变化。 1. 设计制造方面：设计制造方面： 合理选型，叶型流线设计，表合理选型，叶型流线设计，表面光滑，抗空蚀钢衬面光滑，抗空蚀钢衬(不锈钢不锈钢)。 2. 工程措施：工程措施：合理选择安
13、装高程，采取防沙、排合理选择安装高程，采取防沙、排沙措施，防止有害泥沙进入水轮机。沙措施，防止有害泥沙进入水轮机。 3. 运行方面：运行方面：避开低负荷、低水头运行，合理调避开低负荷、低水头运行，合理调度，必要时向尾水管补气。度，必要时向尾水管补气。 1 复习题：复习题： 1 什么是空化与空蚀？2 2 空蚀的机理是什么？3 3 水轮机中常发生哪些空化？4 4 什么是水轮机的空化系数？水轮机空化系数有哪些特性？5 5 什么是电站的空化系数？电站的空化系数与水轮机空化系数有什么关系？为什么？6 6 通过什么方法如何确定水轮机的空化系数？7 7 如何确定水轮机的安装高程？8 8 从大的方面讲，防止水轮机空蚀常采用哪些措施？9 9 采用哪些措施防止尾水管中的空腔空化和水力振动？ 10 在空化与空蚀方面，混流水轮机和轴流水轮机有什么区别？
