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1、水轮机的空化和空蚀水轮机的空化和空蚀第1页，本讲稿共18页（1）损坏水轮机过流部件表面。在水轮机运行过程中，随着时间的推移，在转轮和某些过流部件的局部表面上，开始时表面金属失去光泽而变成灰暗色，接着形成即麻点状，进一步发展形成海绵状（即蜂窝状），此时金属表面已受到严重破坏，再进一步发展就会产生金属局部脱落，甚至穿孔。（2）当空化、空蚀发展到破坏正常水流流动的程度时，能量损失会急剧增加，效率和出力大幅度下降。（3）水轮机在空化、空蚀状态下运行，特别是混流式水轮机，其过流部件易发生低频率大振幅的压力脉动，甚至导致整个机组和水电厂厂房危险的振动及噪声。空化、空蚀导致的不良后果 第2页，本讲稿共18页
2、遭空蚀破坏的金属材料表面 第3页，本讲稿共18页混流式水轮机转轮叶片空蚀第4页，本讲稿共18页轴流式水轮机转轮叶片空蚀第5页，本讲稿共18页 水流的空化现象 汽泡能否从液体中析出取决于该种液体的汽化特性。在一个标准大气压下，把水加汽泡能否从液体中析出取决于该种液体的汽化特性。在一个标准大气压下，把水加热到热到100C，水就开始沸腾汽化。压力越低，水开始汽化的温度也越低，如当压力下降到，水就开始沸腾汽化。压力越低，水开始汽化的温度也越低，如当压力下降到2338Pa时，水在时，水在20C时就会开始沸腾汽化。为了区别上述两种情况，通常把水在一定压力时就会开始沸腾汽化。为了区别上述两种情况，通常把水在
3、一定压力下加温而汽化的现象称为沸腾；而把环境温度不变，由于压力降低而引起的汽化称为空化。下加温而汽化的现象称为沸腾；而把环境温度不变，由于压力降低而引起的汽化称为空化。在一定温度下水开始空化的压力称为汽化压力。在一定温度下水开始空化的压力称为汽化压力。空化是液体中压力降低的结果。液体在流动过程中当速度发生变化时，其压力也会同时发生变化。如果压力下降到使该液体汽化的临界压力之下，就将发生空化。在水轮机流道内某些区域压力降低的原因主要是由水流对转轮做功所引起的。此外，局部流速过高或流动脱离边界层形成脱流也可导致压力降低。例如，非流线翼型绕流，流道的突然扩散或收缩等都会造成不良的流动条件。第6页，本
4、讲稿共18页温度和汽化压力的关系第7页，本讲稿共18页空化空泡第8页，本讲稿共18页空化空泡第9页，本讲稿共18页 水轮机空化系数与电站空化系数水轮机空化系数与电站空化系数 反击式水轮机的空化系数及电站空化系数 下面分析和推导叶片不发生空化的条件和表征水轮机空化性能的空化系数。水轮机空化系数水轮机空化系数 不同型式水轮机的吸出高度不同型式水轮机的吸出高度 图4-15为一水抡机流道示意图，设最低压力点为K点。其压力为 ，2点为叶片出口边上的点，压力为 ，a点为下游水面上的点，为下游水面上的压力，若下游为开敞式的，则 为大气压力。第10页，本讲稿共18页 水轮机空化系数与电站空化系数 由水轮机空化
5、系数由水轮机空化系数的表达式可知：的表达式可知：是动力真空值的相对值，是一个无因次量是动力真空值的相对值，是一个无因次量。值值与与转转轮轮翼翼型型和和水水轮轮机机的的工工况况有有关关，因因这这两两者者均均影影响响到到相相对对速速度度WK、W2和和叶叶道道中中的的压压力力分分布布，也也影影响响到到转转轮轮的的出出口口动动能能。K点点的的相相对对速速度度越越大大，一一般般其其转转轮轮出出口口动能动能V2也相应大一些，空化系数也相应大一些，空化系数也会增大。也会增大。值值与与尾尾水水管管的的性性能能有有关关，尾尾水水管管的的恢恢复复系系数数越越大大也也越越大大，水水轮轮机机发发生生空空化化的的可可能
6、性越大能性越大。几几何何形形状状相相似似的的水水轮轮机机，在在相相似似工工况况下下其其值值是是相相同同的的值值。对对于于某某一一水水轮机，在既定的某一工况下，其轮机，在既定的某一工况下，其值是定值。值是定值。第11页，本讲稿共18页空化试验装置第12页，本讲稿共18页空化试验装置第13页，本讲稿共18页水轮机安装高程的确定水轮机安装高程的确定 原型水轮机的吸出高度 安装高程定义及计算公式 通过选择合适的几何吸出高度来控制转轮出口处的压力值，可以防止发生严重的翼型空化。显然，吸出高度越小，则水轮机装得越低，水轮机抗空化性能愈好，但水电站的基建投资则愈大，因此，选择合理的吸出高度是水轮机装置参数优
7、化设计和电站总体设计的技术经济的重要问题之一。原型水轮机的吸出高度 为了完全避免在转轮叶片上的空化，必须使K点的压力大于水流的饱和汽化压力，即第14页，本讲稿共18页 水轮机安装高程的确定 将上式变换形式得 最后整理后得最后整理后得式中式中 水轮机安装处的大气压力；水轮机安装处的大气压力；该处相应于平均水温下的汽化压力；该处相应于平均水温下的汽化压力；相应工况点的水轮机空化系数，由综合特性曲线查得；相应工况点的水轮机空化系数，由综合特性曲线查得；对应的水轮机工作水头。对应的水轮机工作水头。第15页，本讲稿共18页 水轮机安装高程的确定 在进行实际计算时，考虑到：在进行实际计算时，考虑到：海平面
8、的平均大气压力海平面的平均大气压力 ；一一般般地地区区河河流流水水温温为为5200C，相相应应水水的的饱饱和和汽汽化化压压力力为为0.090.24mH2O；根根据据气气象象条条件件，大大气气压压力力与与平平均均值值之之间间，有有时时可可能能降降低低0.30.4mH2O左右；左右；水轮机的实际装置高程不为零，根据实测，低空大气层的平均大气压当高程每升水轮机的实际装置高程不为零，根据实测，低空大气层的平均大气压当高程每升高高900 m m时降低时降低1mmH2O。综合了这些变化因素后，可以近似写成 式中式中 水电站下游水面相对于海平面的标高。水电站下游水面相对于海平面的标高。第16页，本讲稿共18页安装高程定义及计算公式 反击式水轮机的安装高程是指水轮机导叶中心线（立式机组）或主轴中心线（卧式机组）的海拔高程。水轮机安装高程用符号 表示。不同装置方式的水轮机安装高程的计算方法如下：立轴混流式水轮机立轴混流式水轮机式中式中 尾水位，尾水位，m；b0导叶高度，导叶高度，m。第17页，本讲稿共18页 水轮机安装高程的确定 立轴轴流式水轮机立轴轴流式水轮机式中式中 D1转轮直径，转轮直径，m；X轴流式水轮机结构高度系数，取轴流式水轮机结构高度系数，取0.41。卧式反击式水轮机卧式反击式水轮机第18页，本讲稿共18页