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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）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。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
2、坏正常水流流动的程度时，能量损失会急剧增加，）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。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。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空化、空蚀导致的不良后果 第2页，本讲稿共18页遭空蚀破坏的金属材料表面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
3、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下加
4、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。在一定温度下水开始空化的压力称为汽化压力。化。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。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。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。在水轮
5、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。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，本讲稿共18页温度和汽化压力的关系温度和汽化压力的关系第7页，本讲稿共18页空化空泡空化空泡第8页，本讲稿共18页空化空泡空化空泡第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反击式水轮机的空化系数及电
6、站空化系数 下面分析和推导下面分析和推导叶片不发生空化的条件叶片不发生空化的条件和和表征水轮机空化性能的空化系数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 图图4-15为为一一水水抡抡机机流流道道示示意意图图，设设最最低低压压力力点点为为K点点。其其压压力力为为 ，2点点为为叶叶片片出出口口边边上上的的点点，压压力力为为 ，a点点为为下下游游水水面面上上的的点点，为为下下游游水水面面上上的的压压力力，若若下游为开敞式的，则下游为开敞式的，则 为大气压力。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水轮机空化
7、系数与电站空化系数 由水轮机空化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动能口动能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
8、轮机机发发生生空空化的可能性越大化的可能性越大。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轮机机，在在既既定定的某一工况下，其的某一工况下，其值是定值。值是定值。第11页，本讲稿共18页空化空化试验装置试验装置第12页，本讲稿共18页空化试验装置空化试验装置第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原型水轮机的吸出高度 安装高程定义及计算公式安装高程定义及计算公式 通通过过选选择择合合适适的的几几何何吸吸出出高高度度来来控控制制转转轮轮出出口口处处的的压压力力值值，可可以以防
9、防止止发发生生严严重重的的翼翼型型空空化化。显显然然，吸吸出出高高度度越越小小，则则水水轮轮机机装装得得越越低低，水水轮轮机机抗抗空空化化性性能能愈愈好好，但但水水电电站站的的基基建建投投资资则则愈愈大大，因因此此，选选择择合合理理的的吸吸出出高高度度是是水水轮轮机机装装置置参参数数优化设计和电站总体设计的技术经济的重要问题之一。优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原型水轮机的吸出高度 为为了了完完全全避避免免在在转转轮轮叶叶片片上上的的空空化化，必必须须使使K点点的的压压力力大大于于水水流流的的饱和汽化压力饱和汽化压力，即，即第14页，本讲稿共18页 水轮机安
10、装高程的确定水轮机安装高程的确定 将上式变换形式得将上式变换形式得 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
11、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每升高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安装高程定义及计算公式 反反击击式式水水轮轮机机的的安安装装高
12、高程程是是指指水水轮轮机机导导叶叶中中心心线线（立立式式机机组组）或或主主轴轴中中心心线线（卧卧式式机组）的海拔高程机组）的海拔高程。水水轮轮机机安安装装高高程程用用符符号号 表表示示。不不同同装装置置方方式式的的水水轮轮机机安安装装高高程程的的计计算方法如下：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