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1、能源动力工程学院能源动力工程学院 何宝海何宝海第五章第五章 水轮机的空化与空蚀水轮机的空化与空蚀l第一节第一节 基本概念基本概念l第二节第二节 空蚀的机理空蚀的机理l第三节第三节 空化与空蚀的类型及评定标准空化与空蚀的类型及评定标准l第四节第四节 空化系数空化系数l第五节第五节 水轮机的吸出高度和安装高程水轮机的吸出高度和安装高程l第六节第六节 影响水轮机空蚀的因素影响水轮机空蚀的因素l第七节第七节 水轮机抗空化的措施水轮机抗空化的措施能源动力工程学院能源动力工程学院 何宝海何宝海第一节第一节 基本概念基本概念一、空化（汽蚀）与沸腾一、空化（汽蚀）与沸腾由于液体具有汽化特性，则当液体在恒压下加
2、热，或在由于液体具有汽化特性，则当液体在恒压下加热，或在恒温下用静力或动力方法降低其周围环境压力，都能使恒温下用静力或动力方法降低其周围环境压力，都能使液体达到汽化状态。液体达到汽化状态。051020304050607080901000.060.090.12 0.24 0.43 0.72 1.26 2.03 3.18 4.83 7.1510.33汽化压力（汽化压力（mH2O）水的温度（水的温度（）1mH2O=9806.65pa 在给定温度下，水开始汽化的临界压力叫做水的在给定温度下，水开始汽化的临界压力叫做水的汽化压力汽化压力。能源动力工程学院能源动力工程学院 何宝海何宝海二、空化与空蚀（汽蚀
3、侵蚀）二、空化与空蚀（汽蚀侵蚀）空化空化在液体中形成空穴（气核）使流体的连续性遭到破坏，在液体中形成空穴（气核）使流体的连续性遭到破坏，它发生在压力下降到某一临界值的流动区域中。在空穴中主要它发生在压力下降到某一临界值的流动区域中。在空穴中主要充满着液体的蒸汽以及从溶液中析出的气体。当这些空穴进入充满着液体的蒸汽以及从溶液中析出的气体。当这些空穴进入压力较低的区域时，就开始发育成长为较大的气泡，然后，气压力较低的区域时，就开始发育成长为较大的气泡，然后，气泡被流体带到压力高于临界值的区域，气泡就将溃灭，这个过泡被流体带到压力高于临界值的区域，气泡就将溃灭，这个过程称为程称为空化空化。空蚀空蚀是
4、指因空泡的溃灭，引起过流表面的材料损坏。在空是指因空泡的溃灭，引起过流表面的材料损坏。在空泡溃灭过程中伴随着机械、电化、热力、化学等过程的作用。泡溃灭过程中伴随着机械、电化、热力、化学等过程的作用。空蚀空蚀是空化的直接后果，空蚀只发生在固体边界上是空化的直接后果，空蚀只发生在固体边界上。空化空化过程可以发生在液体内部，也可以发生固定边界上过程可以发生在液体内部，也可以发生固定边界上。内因：内因：外因：外因：能源动力工程学院能源动力工程学院 何宝海何宝海第二节第二节 空蚀的机理空蚀的机理空空蚀蚀破破坏坏能源动力工程学院能源动力工程学院 何宝海何宝海空空蚀蚀破破坏坏能源动力工程学院能源动力工程学院
5、 何宝海何宝海 一、空蚀机理一、空蚀机理3.电化作用电化作用1.机械作用机械作用2.化学作用化学作用4.热力熔化作用热力熔化作用5.联合作用联合作用第二节第二节 空蚀的机理空蚀的机理能源动力工程学院能源动力工程学院 何宝海何宝海第二节第二节 空蚀的机理空蚀的机理二、空蚀对水轮机运行的影响二、空蚀对水轮机运行的影响 1破坏水轮机的过流部件，如导叶、转轮、转轮室、上下止漏破坏水轮机的过流部件，如导叶、转轮、转轮室、上下止漏环及尾水管等。环及尾水管等。2降低水轮机的出力和效率，因为空化和空蚀会破坏水流的正常降低水轮机的出力和效率，因为空化和空蚀会破坏水流的正常运行规律和能量转换规律，并会增加水流的漏
6、损和水力损失。运行规律和能量转换规律，并会增加水流的漏损和水力损失。缩短了机组的检修周期，增加了机组检修的复杂性。空化和缩短了机组的检修周期，增加了机组检修的复杂性。空化和空蚀检修不仅耗用大量钢材，而且延长工期，影响电力生产。空蚀检修不仅耗用大量钢材，而且延长工期，影响电力生产。3空化和空蚀严重时，可能使机组产生强烈的振动、噪音及负荷空化和空蚀严重时，可能使机组产生强烈的振动、噪音及负荷波动，导致机组不能安全稳定运行。波动，导致机组不能安全稳定运行。能源动力工程学院能源动力工程学院 何宝海何宝海三、空蚀与磨损三、空蚀与磨损空蚀：空蚀：磨损磨损：破坏位置特点：破坏位置特点：作用关系：作用关系：发
7、毛、变暗、失去金属光泽；蜂窝状；发毛、变暗、失去金属光泽；蜂窝状；划痕、麻点；沿水流方向的鱼鳞坑。划痕、麻点；沿水流方向的鱼鳞坑。第二节第二节 空蚀的机理空蚀的机理能源动力工程学院能源动力工程学院 何宝海何宝海空化经常在绕流体表面的空化经常在绕流体表面的低压区或流向急变部位低压区或流向急变部位出现。最大空出现。最大空蚀区位于空穴长度的下游端，但整个空蚀区是由最大空蚀点在蚀区位于空穴长度的下游端，但整个空蚀区是由最大空蚀点在向上下游延伸的一个范围内。向上下游延伸的一个范围内。1.翼型空化和空蚀翼型空化和空蚀 一、汽蚀的类型一、汽蚀的类型 由于水流绕流叶片引起压力降低由于水流绕流叶片引起压力降低而
8、产生，与叶片翼型断面的几何而产生，与叶片翼型断面的几何形状密切相关，所以称为翼型空形状密切相关，所以称为翼型空化和空蚀化和空蚀。第三节第三节 空化与空蚀的类型及评定标准空化与空蚀的类型及评定标准能源动力工程学院能源动力工程学院 何宝海何宝海1.1.翼型空化和空蚀翼型空化和空蚀(翼型汽蚀）翼型汽蚀）翼型汽蚀与运行工况有关，当水轮机处在非最优工况时，则会翼型汽蚀与运行工况有关，当水轮机处在非最优工况时，则会诱发或加剧翼型汽蚀。诱发或加剧翼型汽蚀。翼型汽蚀是混流式水轮机主要的汽蚀形式翼型汽蚀是混流式水轮机主要的汽蚀形式。能源动力工程学院能源动力工程学院 何宝海何宝海2.2.间隙汽蚀间隙汽蚀间隙汽蚀是
9、当水流通过狭小通道或间隙时引起局部流速升高，压间隙汽蚀是当水流通过狭小通道或间隙时引起局部流速升高，压力降低到一定程度时所发生的一种汽蚀形态力降低到一定程度时所发生的一种汽蚀形态。混流式：混流式：间隙汽蚀是轴流式水轮机主要的汽蚀形式间隙汽蚀是轴流式水轮机主要的汽蚀形式。轴流式：轴流式：冲击式：冲击式：能源动力工程学院能源动力工程学院 何宝海何宝海3.3.局部汽蚀局部汽蚀转桨式水轮机转桨式水轮机的局部汽蚀一般发的局部汽蚀一般发生在转轮室连接的不光滑台阶处生在转轮室连接的不光滑台阶处或局部凹坑处的后方；局部汽蚀或局部凹坑处的后方；局部汽蚀还可能发生在叶片固定螺钉及密还可能发生在叶片固定螺钉及密封螺
10、钉处。封螺钉处。局部汽蚀主要是由于结构原因或铸造和加工缺陷形成表面不平局部汽蚀主要是由于结构原因或铸造和加工缺陷形成表面不平整、砂眼、气孔等所引起的局部流态突然变化而造成的。整、砂眼、气孔等所引起的局部流态突然变化而造成的。混流式水轮机混流式水轮机间隙汽蚀、局部汽蚀、间隙汽蚀、局部汽蚀、与运行工况的关系与运行工况的关系能源动力工程学院能源动力工程学院 何宝海何宝海4.4.空腔汽蚀空腔汽蚀反击式水轮机在一般工况运行时，转轮出口总具有一定的圆周反击式水轮机在一般工况运行时，转轮出口总具有一定的圆周分速度，使水流在尾水管产生旋转，形成真空涡带。当涡带中分速度，使水流在尾水管产生旋转，形成真空涡带。当
11、涡带中心出现的负压小于汽化压力时，水流会产生空化现象，而旋转心出现的负压小于汽化压力时，水流会产生空化现象，而旋转的涡带周期性地与尾水管壁相碰，引起尾水管壁产生汽蚀，称的涡带周期性地与尾水管壁相碰，引起尾水管壁产生汽蚀，称为空腔汽蚀。为空腔汽蚀。能源动力工程学院能源动力工程学院 何宝海何宝海 空腔汽蚀空腔汽蚀在较大负荷时，尾水管中涡带形状呈柱状形，几乎与尾水管中在较大负荷时，尾水管中涡带形状呈柱状形，几乎与尾水管中心线同轴，直径较小也较为稳定，尤其在最优工况时，涡带甚心线同轴，直径较小也较为稳定，尤其在最优工况时，涡带甚至可消失。但在低负荷时，空腔涡带较粗，呈螺旋形，而且自至可消失。但在低负荷
12、时，空腔涡带较粗，呈螺旋形，而且自身也在旋转，这种偏心的螺旋形涡带，在空间极不稳定，将发身也在旋转，这种偏心的螺旋形涡带，在空间极不稳定，将发生强烈的空腔汽蚀。生强烈的空腔汽蚀。除对转轮上冠及尾水管产生破坏作用外，还引起压力脉动、除对转轮上冠及尾水管产生破坏作用外，还引起压力脉动、机组振动，产生噪音，影响机组的稳定运行。机组振动，产生噪音，影响机组的稳定运行。能源动力工程学院能源动力工程学院 何宝海何宝海二、汽蚀的评定标准二、汽蚀的评定标准汽蚀部位的面积；汽蚀部位的面积；汽蚀深度的最大值和平均值。汽蚀深度的最大值和平均值。汽蚀指数：汽蚀指数：单位时间内叶片背面单位面积上的平均汽蚀单位时间内叶片
13、背面单位面积上的平均汽蚀深度，用符号深度，用符号Kh表示。表示。汽蚀体积汽蚀体积（m2.mm)叶片背面总叶片背面总面积（面积（m2)有效运行时有效运行时间（间（h)能源动力工程学院能源动力工程学院 何宝海何宝海复习复习汽蚀的概念汽蚀的概念汽蚀的类型、发生的原因、破坏部位汽蚀的类型、发生的原因、破坏部位能源动力工程学院能源动力工程学院 何宝海何宝海第四节第四节 空化（汽蚀）系数空化（汽蚀）系数一、水轮机的汽蚀系数一、水轮机的汽蚀系数 衡量水轮机性能常用两个重要参数：效率和汽蚀系数。衡量水轮机性能常用两个重要参数：效率和汽蚀系数。汽蚀由压力降低引起，因此为汽蚀由压力降低引起，因此为了确定汽蚀系数必
14、须了解压力了确定汽蚀系数必须了解压力分布，确定压力最低点的压力分布，确定压力最低点的压力值。值。不发生汽蚀的条件：不发生汽蚀的条件：压力最低点的压力不小于当时温度下水的汽压力最低点的压力不小于当时温度下水的汽化压力，即化压力，即效率高效率高能充分利用水能；能充分利用水能；汽蚀系数小汽蚀系数小水轮机在运行中不易发生汽蚀破坏。水轮机在运行中不易发生汽蚀破坏。能源动力工程学院能源动力工程学院 何宝海何宝海一、水轮机的汽蚀系数一、水轮机的汽蚀系数设最低压力点为设最低压力点为k点，其压力为点，其压力为Pk，2点为叶片出口边上的点，压点为叶片出口边上的点，压力为力为P2，a点为下游水面上的点，点为下游水面
15、上的点，Pa为下游水面上的压力，若下游为下游水面上的压力，若下游为开敞式的，则为大气压力。列为开敞式的，则为大气压力。列出出k点和点和2点水流相对运动的伯努点水流相对运动的伯努力立程式力立程式水轮机流道示意图水轮机流道示意图若若则有则有能源动力工程学院能源动力工程学院 何宝海何宝海为了求出为了求出2 2点的压力，列叶片出口处点的压力，列叶片出口处2 2点与下游断面点与下游断面a a点间水流绝对运动的伯点间水流绝对运动的伯努力方程式努力方程式一、水轮机的汽蚀系数（续一、水轮机的汽蚀系数（续1）若若能源动力工程学院能源动力工程学院 何宝海何宝海式中式中则则 K K点的真空度为点的真空度为一、水轮机
16、的汽蚀系数（续一、水轮机的汽蚀系数（续2）1.1.静力真空静力真空静力真空又称为吸出高度，它与水轮机安装高程有关。静力真空又称为吸出高度，它与水轮机安装高程有关。取决于转轮相对于下游水面的装置高度，而与水轮机型取决于转轮相对于下游水面的装置高度，而与水轮机型式无关。式无关。能源动力工程学院能源动力工程学院 何宝海何宝海一、水轮机的汽蚀系数（续一、水轮机的汽蚀系数（续3）动力真空值由水轮机转轮和尾水管所形成，它与水轮机动力真空值由水轮机转轮和尾水管所形成，它与水轮机的流速水头、转轮叶片和尾水管几何形状有关，即与水的流速水头、转轮叶片和尾水管几何形状有关，即与水轮机结构及运行工况有关。轮机结构及运
17、行工况有关。2.2.动力真空动力真空同一水轮机应用于不同水头时，其值也不同。为此采用同一水轮机应用于不同水头时，其值也不同。为此采用动力真空的相对值来表示它的汽蚀性能。动力真空的相对值来表示它的汽蚀性能。汽蚀系数汽蚀系数尾水管尾水管恢复系数恢复系数若若则则能源动力工程学院能源动力工程学院 何宝海何宝海一、水轮机的汽蚀系数（续一、水轮机的汽蚀系数（续4）汽蚀系数的几点说明：汽蚀系数的几点说明：是动力真空的相对值，是一个无因次量，其值是动力真空的相对值，是一个无因次量，其值与转轮叶片翼型的几何形态、运行工况和尾水管与转轮叶片翼型的几何形态、运行工况和尾水管性能有关；性能有关；同型号水轮机相似工况下
18、同型号水轮机相似工况下 值相同；值相同；同型号水轮机不同工况下同型号水轮机不同工况下 值不同；值不同；的大小表示该水轮机在该工况下抗汽蚀性能的的大小表示该水轮机在该工况下抗汽蚀性能的好坏；好坏；能源动力工程学院能源动力工程学院 何宝海何宝海二、水轮机装置的汽蚀系数二、水轮机装置的汽蚀系数以动力真空和静力真空表示：以动力真空和静力真空表示：上式两端同时减掉汽化压力，并同时除以工作水头，则上式两端同时减掉汽化压力，并同时除以工作水头，则有有令令则有则有装装 置置汽蚀系数汽蚀系数能源动力工程学院能源动力工程学院 何宝海何宝海二、水轮机装置的汽蚀系数二、水轮机装置的汽蚀系数不发生汽蚀条件的另一表达形式
19、不发生汽蚀条件的另一表达形式当装置安装完毕后，在工作水头一定时其值当装置安装完毕后，在工作水头一定时其值不变不变。能源动力工程学院能源动力工程学院 何宝海何宝海第五节第五节 水轮机的吸出高度和安装高程水轮机的吸出高度和安装高程 一、吸出高度的确定一、吸出高度的确定1.1.吸出高度的规定吸出高度的规定吸出高度有正、负之分。吸出高度有正、负之分。当吸出高度计算点（当吸出高度计算点（即压力最低点即压力最低点）在下游尾水位）在下游尾水位高程以上时，高程以上时，H HS S为正值；若在下游尾水位高程以下为正值；若在下游尾水位高程以下则则H Hs s为负值。为负值。能源动力工程学院能源动力工程学院 何宝海
20、何宝海1.1.吸出高度的规定吸出高度的规定 a a）立轴轴流式和斜流式水轮机的）立轴轴流式和斜流式水轮机的H HS S为转轮标称直径计算点高为转轮标称直径计算点高程与下游尾水位高程之差；程与下游尾水位高程之差；b b）立轴混流式水轮机的）立轴混流式水轮机的H HS S为水轮机底环平面高程与下游尾水为水轮机底环平面高程与下游尾水位高程之差；位高程之差；c c）卧轴水轮机的）卧轴水轮机的H HS S为转轮叶片最高点高程与下游尾水位高程为转轮叶片最高点高程与下游尾水位高程之差。之差。吸出高度有正、负之分吸出高度有正、负之分当吸出高度计算点在下游尾水位高程以上时，当吸出高度计算点在下游尾水位高程以上时
21、，H HS S为为正值；若在下游尾水位高程以下则正值；若在下游尾水位高程以下则H Hs s为负值。为负值。能源动力工程学院能源动力工程学院 何宝海何宝海2.2.吸出高度的计算吸出高度的计算则有则有考虑到原、模型之间的差异，考虑到原、模型之间的差异，并留有一定的安全裕度，得到并留有一定的安全裕度，得到 水轮机安装高程，在初步设计时可用下游最低水轮机安装高程，在初步设计时可用下游最低尾水位计算。尾水位计算。1 1-2 2台机组时，取一台机组台机组时，取一台机组50%50%负荷时相应的下游尾水位。负荷时相应的下游尾水位。多台机组时，取一台机组满负荷时相应的下游的尾水位。多台机组时，取一台机组满负荷时
22、相应的下游的尾水位。能源动力工程学院能源动力工程学院 何宝海何宝海2.2.吸出高度的计算吸出高度的计算 与水头有关，根据与水头有关，根据设计水头可在曲线设计水头可在曲线上查取。上查取。选较大值的情况选较大值的情况l 水轮机经常工作在最大水头条件下；水轮机经常工作在最大水头条件下；l 采用地下式厂房。采用地下式厂房。选较小值的情况选较小值的情况l 机组台数较多；机组台数较多；l 转轮材料抗汽蚀性能较好。转轮材料抗汽蚀性能较好。可按下述原则选取：可按下述原则选取：l 水质不好，含沙、含气量大，水温偏高；水质不好，含沙、含气量大，水温偏高；能源动力工程学院能源动力工程学院 何宝海何宝海二、安装高程的
23、确定二、安装高程的确定1.1.安装高程的规定安装高程的规定a a）立轴）立轴反击式水轮机安装高程规定为导叶水平中心线高程；反击式水轮机安装高程规定为导叶水平中心线高程；b b）卧轴水轮机，安装高程规定为主轴中心线的高程。）卧轴水轮机，安装高程规定为主轴中心线的高程。能源动力工程学院能源动力工程学院 何宝海何宝海2.2.安装高程的计算安装高程的计算立轴混流式水轮机立轴混流式水轮机立轴轴流式水轮机立轴轴流式水轮机卧轴反击式水轮机卧轴反击式水轮机XX水轮机结构高度系数，对水轮机结构高度系数，对轴流式轴流式取取0.410.41。能源动力工程学院能源动力工程学院 何宝海何宝海第六节第六节 影响水轮机空蚀
24、的因素影响水轮机空蚀的因素二、制造二、制造1.1.工作水头工作水头 三、运行三、运行2.2.出力出力 3.3.下游水位下游水位 一、设计一、设计 能源动力工程学院能源动力工程学院 何宝海何宝海第七节第七节 水轮机抗空化的措施水轮机抗空化的措施一、改善水轮机的水力设计一、改善水轮机的水力设计 1.K点靠近出口边；点靠近出口边；3.进水边与叶片正背面型线的连接要光滑，半径为进水边与叶片正背面型线的连接要光滑，半径为(0.20.3)最大厚度。最大厚度。2.在满足强度和刚度要求的条件下，叶片要尽量薄在满足强度和刚度要求的条件下，叶片要尽量薄 4.采用襟翼结构采用襟翼结构（长短叶片）。（长短叶片）。能源
25、动力工程学院能源动力工程学院 何宝海何宝海第七节第七节 水轮机抗空化的措施水轮机抗空化的措施5.尽可能采用小而均匀的间隙尽可能采用小而均匀的间隙。7.加长转轮的泄水锥、加长尾水管加长转轮的泄水锥、加长尾水管的直锥管部分和其加大扩散角。的直锥管部分和其加大扩散角。6.叶片端部背面装设防蚀片叶片端部背面装设防蚀片。能源动力工程学院能源动力工程学院 何宝海何宝海第七节第七节 水轮机抗空化的措施水轮机抗空化的措施二、提高加工工艺水平，采用抗蚀材料二、提高加工工艺水平，采用抗蚀材料 1.材料硬度的影响材料硬度的影响:2.极限拉伸强度极限拉伸强度：3.材料的弹性：材料的弹性：4.材料的晶粒性质：材料的晶粒
26、性质：一般硬度高的材料抗蚀能力强。一般硬度高的材料抗蚀能力强。材料的拉伸强度、屈服强度及延性越大，材料的拉伸强度、屈服强度及延性越大，其抗蚀能力越强其抗蚀能力越强。高弹性体类材料，具有很高的延性，弹性模量很高弹性体类材料，具有很高的延性，弹性模量很低，在低强度空化作用时，不发生汽蚀，而在较低，在低强度空化作用时，不发生汽蚀，而在较高强度汽蚀中会产生较突然的彻底破坏高强度汽蚀中会产生较突然的彻底破坏。材料的晶粒越细密，抗蚀能力越强，一般材料的晶粒越细密，抗蚀能力越强，一般说来，合金能改善金属的晶格结构，因而说来，合金能改善金属的晶格结构，因而能提高抗蚀性能。能提高抗蚀性能。5.材料内部的非溶解物
27、：材料内部的非溶解物：金属材料中含有不纯物质则大大降低金属材料中含有不纯物质则大大降低其抗空蚀能力。铸铁（游离石墨）。其抗空蚀能力。铸铁（游离石墨）。能源动力工程学院能源动力工程学院 何宝海何宝海第七节第七节 水轮机抗空化的措施水轮机抗空化的措施三、改善运行条件并采用适当的运行措施三、改善运行条件并采用适当的运行措施 综上所述，抗蚀材料应具有韧性强、硬度高、抗拉综上所述，抗蚀材料应具有韧性强、硬度高、抗拉力强、疲劳极限高、应变硬化好、晶格细、好的可力强、疲劳极限高、应变硬化好、晶格细、好的可焊性等综合性能焊性等综合性能。合理拟定水电厂的运行方式，要尽量保持机组在最优工况区运合理拟定水电厂的运行
28、方式，要尽量保持机组在最优工况区运行，在非设计工况下运行时，可采用在转轮下部补气的方法，行，在非设计工况下运行时，可采用在转轮下部补气的方法，对破坏偏心涡带形成，减轻空腔汽蚀、振动有一定作用。对破坏偏心涡带形成，减轻空腔汽蚀、振动有一定作用。1.主轴中心补气主轴中心补气 2.尾水管补气尾水管补气 能源动力工程学院能源动力工程学院 何宝海何宝海本章教学要求本章教学要求 l了解汽蚀现象及其发生的原因；了解汽蚀现象及其发生的原因；l掌握水轮机汽蚀的类型；掌握水轮机汽蚀的类型；l掌握水轮机汽蚀系数的意义；掌握水轮机汽蚀系数的意义；l吸出高度和安装高程的规定；吸出高度和安装高程的规定；l吸出高度和安装高程的计算；吸出高度和安装高程的计算；l掌握水轮机抗汽蚀的措施。掌握水轮机抗汽蚀的措施。公式：公式：1.1.汽蚀系数；汽蚀系数；2.2.吸出高度及安装高程。吸出高度及安装高程。