1、第五章 水輪機的空化與空蝕,第一節(jié) 基本概念 第二節(jié) 空蝕的機理 第三節(jié) 空化與空蝕的類型及評定標(biāo)準 第四節(jié) 空化系數(shù) 第五節(jié) 水輪機的吸出高度和安裝高程 第六節(jié) 影響水輪機空蝕的因素 第七節(jié) 水輪機抗空化的措施,第一節(jié) 基本概念,一、空化（汽蝕）與沸騰,由于液體具有汽化特性，則當(dāng)液體在恒壓下加熱，或在恒溫下用靜力或動力方法降低其周圍環(huán)境壓力，都能使液體達到汽化狀態(tài)。,汽化壓力（mH2O）,水的溫度（）,1mH2O=9806.65pa,在給定溫度下，水開始汽化的臨界壓力叫做水的汽化壓力。,二、空化與空蝕（汽蝕侵蝕）,空化在液體中形成空穴（氣核）使流體的連續(xù)性遭到破壞，它發(fā)生在壓力下降到某一臨界

2、值的流動區(qū)域中。在空穴中主要充滿著液體的蒸汽以及從溶液中析出的氣體。當(dāng)這些空穴進入壓力較低的區(qū)域時，就開始發(fā)育成長為較大的氣泡，然后，氣泡被流體帶到壓力高于臨界值的區(qū)域，氣泡就將潰滅，這個過程稱為空化。,空蝕是指因空泡的潰滅，引起過流表面的材料損壞。在空泡潰滅過程中伴隨著機械、電化、熱力、化學(xué)等過程的作用。,空蝕是空化的直接后果，空蝕只發(fā)生在固體邊界上。,空化過程可以發(fā)生在液體內(nèi)部，也可以發(fā)生固定邊界上。,內(nèi)因：,外因：,第二節(jié) 空蝕的機理,空蝕破壞,空蝕破壞,一、空蝕機理,3. 電化作用,1. 機械作用,2. 化學(xué)作用,4. 熱力熔化作用,5. 聯(lián)合作用,第二節(jié) 空蝕的機理,第二節(jié) 空蝕的機

3、理,二、空蝕對水輪機運行的影響,1破壞水輪機的過流部件，如導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪、轉(zhuǎn)輪室、上下止漏環(huán)及尾水管等。,2降低水輪機的出力和效率，因為空化和空蝕會破壞水流的正常運行規(guī)律和能量轉(zhuǎn)換規(guī)律，并會增加水流的漏損和水力損失。,縮短了機組的檢修周期，增加了機組檢修的復(fù)雜性?？栈涂瘴g檢修不僅耗用大量鋼材，而且延長工期，影響電力生產(chǎn)。,3空化和空蝕嚴重時，可能使機組產(chǎn)生強烈的振動、噪音及負荷波動，導(dǎo)致機組不能安全穩(wěn)定運行。,三、空蝕與磨損,空蝕：,磨損：,破壞位置特點：,作用關(guān)系：,發(fā)毛、變暗、失去金屬光澤；蜂窩狀；,劃痕、麻點；沿水流方向的魚鱗坑。,第二節(jié) 空蝕的機理,空化經(jīng)常在繞流體表面的低壓區(qū)或流向急變

4、部位出現(xiàn)。最大空蝕區(qū)位于空穴長度的下游端，但整個空蝕區(qū)是由最大空蝕點在向上下游延伸的一個范圍內(nèi)。,1.翼型空化和空蝕,一、汽蝕的類型,由于水流繞流葉片引起壓力降低而產(chǎn)生，與葉片翼型斷面的幾何形狀密切相關(guān)，所以稱為翼型空化和空蝕 。,第三節(jié) 空化與空蝕的類型及評定標(biāo)準,1.翼型空化和空蝕(翼型汽蝕）,翼型汽蝕與運行工況有關(guān)，當(dāng)水輪機處在非最優(yōu)工況時，則會誘發(fā)或加劇翼型汽蝕。,翼型汽蝕是混流式水輪機主要的汽蝕形式 。,2.間隙汽蝕,間隙汽蝕是當(dāng)水流通過狹小通道或間隙時引起局部流速升高，壓力降低到一定程度時所發(fā)生的一種汽蝕形態(tài) 。,混流式：,間隙汽蝕是軸流式水輪機主要的汽蝕形式 。,軸流式：,沖擊式

5、：,3.局部汽蝕,轉(zhuǎn)槳式水輪機的局部汽蝕一般發(fā)生在轉(zhuǎn)輪室連接的不光滑臺階處或局部凹坑處的后方；局部汽蝕還可能發(fā)生在葉片固定螺釘及密封螺釘處。,局部汽蝕主要是由于結(jié)構(gòu)原因或鑄造和加工缺陷形成表面不平整、砂眼、氣孔等所引起的局部流態(tài)突然變化而造成的。,混流式水輪機,間隙汽蝕、局部汽蝕、 與運行工況的關(guān)系,4.空腔汽蝕,反擊式水輪機在一般工況運行時，轉(zhuǎn)輪出口總具有一定的圓周分速度，使水流在尾水管產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，形成真空渦帶。當(dāng)渦帶中心出現(xiàn)的負壓小于汽化壓力時，水流會產(chǎn)生空化現(xiàn)象，而旋轉(zhuǎn)的渦帶周期性地與尾水管壁相碰，引起尾水管壁產(chǎn)生汽蝕，稱為空腔汽蝕。,空腔汽蝕,在較大負荷時，尾水管中渦帶形狀呈柱狀形，幾乎

6、與尾水管中心線同軸，直徑較小也較為穩(wěn)定，尤其在最優(yōu)工況時，渦帶甚至可消失。但在低負荷時，空腔渦帶較粗，呈螺旋形，而且自身也在旋轉(zhuǎn)，這種偏心的螺旋形渦帶，在空間極不穩(wěn)定，將發(fā)生強烈的空腔汽蝕。,除對轉(zhuǎn)輪上冠及尾水管產(chǎn)生破壞作用外，還引起壓力脈動、機組振動，產(chǎn)生噪音，影響機組的穩(wěn)定運行。,二、汽蝕的評定標(biāo)準,汽蝕部位的面積； 汽蝕深度的最大值和平均值。,汽蝕指數(shù)：,單位時間內(nèi)葉片背面單位面積上的平均汽蝕深度，用符號Kh表示。,汽蝕體積（m2.mm ),葉片背面總面積（m2 ),有效運行時間（h ),復(fù)習(xí),汽蝕的概念 汽蝕的類型、發(fā)生的原因、破壞部位,第四節(jié) 空化（汽蝕）系數(shù),一、水輪機的汽蝕系數(shù),

7、衡量水輪機性能常用兩個重要參數(shù)：效率和汽蝕系數(shù)。,汽蝕由壓力降低引起，因此為了確定汽蝕系數(shù)必須了解壓力分布，確定壓力最低點的壓力值。,不發(fā)生汽蝕的條件：,壓力最低點的壓力不小于當(dāng)時溫度下水的汽化壓力，即,效率高能充分利用水能； 汽蝕系數(shù)小水輪機在運行中不易發(fā)生汽蝕破壞。,一、水輪機的汽蝕系數(shù),設(shè)最低壓力點為k點，其壓力為Pk，2點為葉片出口邊上的點，壓力為P2，a點為下游水面上的點，Pa為下游水面上的壓力，若下游為開敞式的，則為大氣壓力。列出k點和2點水流相對運動的伯努力立程式,水輪機流道示意圖,若,則有,為了求出2點的壓力，列葉片出口處2點與下游斷面a點間水流絕對運動的伯努力方程式,一、水輪

8、機的汽蝕系數(shù)（續(xù)1）,式中,則 K點的真空度為,一、水輪機的汽蝕系數(shù)（續(xù)2）,1.靜力真空,靜力真空又稱為吸出高度，它與水輪機安裝高程有關(guān)。取決于轉(zhuǎn)輪相對于下游水面的裝置高度，而與水輪機型式無關(guān)。,一、水輪機的汽蝕系數(shù)（續(xù)3）,動力真空值由水輪機轉(zhuǎn)輪和尾水管所形成，它與水輪機的流速水頭、轉(zhuǎn)輪葉片和尾水管幾何形狀有關(guān)，即與水輪機結(jié)構(gòu)及運行工況有關(guān)。,2.動力真空,同一水輪機應(yīng)用于不同水頭時，其值也不同。為此采用動力真空的相對值來表示它的汽蝕性能。,汽蝕系數(shù),尾水管 恢復(fù)系數(shù),若,則,一、水輪機的汽蝕系數(shù)（續(xù)4）,汽蝕系數(shù)的幾點說明：,是動力真空的相對值，是一個無因次量，其值與轉(zhuǎn)輪葉片翼型的幾何形

9、態(tài)、運行工況和尾水管性能有關(guān)； 同型號水輪機相似工況下 值相同； 同型號水輪機不同工況下 值不同； 的大小表示該水輪機在該工況下抗汽蝕性能的好壞；,二、水輪機裝置的汽蝕系數(shù),以動力真空和靜力真空表示：,上式兩端同時減掉汽化壓力，并同時除以工作水頭，則有,令,則有,裝 置 汽蝕系數(shù),二、水輪機裝置的汽蝕系數(shù),不發(fā)生汽蝕條件的另一表達形式,當(dāng)裝置安裝完畢后，在工作水頭一定時其值不變。,第五節(jié) 水輪機的吸出高度和安裝高程,一、吸出高度的確定,1.吸出高度的規(guī)定,吸出高度有正、負之分。,當(dāng)吸出高度計算點（即壓力最低點）在下游尾水位高程以上時， HS為正值；若在下游尾水位高程以下則Hs為負值。,1.吸出

10、高度的規(guī)定,a）立軸軸流式和斜流式水輪機的HS為轉(zhuǎn)輪標(biāo)稱直徑計算點高程與下游尾水位高程之差；,b）立軸混流式水輪機的HS為水輪機底環(huán)平面高程與下游尾水位高程之差；,c）臥軸水輪機的HS為轉(zhuǎn)輪葉片最高點高程與下游尾水位高程之差。,吸出高度有正、負之分,當(dāng)吸出高度計算點在下游尾水位高程以上時， HS為正值；若在下游尾水位高程以下則Hs為負值。,2.吸出高度的計算,則有,考慮到原、模型之間的差異，并留有一定的安全裕度，得到,水輪機安裝高程，在初步設(shè)計時可用下游最低尾水位計算。,1-2臺機組時，取一臺機組50%負荷時相應(yīng)的下游尾水位。 多臺機組時，取一臺機組滿負荷時相應(yīng)的下游的尾水位。,2.吸出高度的

11、計算,與水頭有關(guān)，根據(jù)設(shè)計水頭可在曲線上查取。,選較大值的情況,水輪機經(jīng)常工作在最大水頭條件下；,采用地下式廠房。,選較小值的情況,機組臺數(shù)較多；,轉(zhuǎn)輪材料抗汽蝕性能較好。,可按下述原則選?。?水質(zhì)不好，含沙、含氣量大，水溫偏高；,二、安裝高程的確定,1.安裝高程的規(guī)定,a）立軸反擊式水輪機安裝高程規(guī)定為導(dǎo)葉水平中心線高程；,b）臥軸水輪機，安裝高程規(guī)定為主軸中心線的高程。,2.安裝高程的計算,立軸混流式水輪機,立軸軸流式水輪機,臥軸反擊式水輪機,X水輪機結(jié)構(gòu)高度系數(shù)，對軸流式取0.41。,第六節(jié) 影響水輪機空蝕的因素,二、制造,1.工作水頭,三、運行,2.出力,3.下游水位,一、設(shè)計,第七節(jié)

12、 水輪機抗空化的措施,一、改善水輪機的水力設(shè)計,1.K點靠近出口邊；,3.進水邊與葉片正背面型線的連接要光滑，半徑為(0.20.3 )最大厚度。,2.在滿足強度和剛度要求的條件下，葉片要盡量薄,4.采用襟翼結(jié)構(gòu) （長短葉片）。,第七節(jié) 水輪機抗空化的措施,5.盡可能采用小而均勻的間隙 。,7.加長轉(zhuǎn)輪的泄水錐、加長尾水管的直錐管部分和其加大擴散角。,6.葉片端部背面裝設(shè)防蝕片 。,第七節(jié) 水輪機抗空化的措施,二、提高加工工藝水平，采用抗蝕材料,1.材料硬度的影響:,2.極限拉伸強度 ：,3.材料的彈性：,4.材料的晶粒性質(zhì)：,一般硬度高的材料抗蝕能力強。,材料的拉伸強度、屈服強度及延性越大， 其抗蝕能力越強。,高彈性體類材料，具有很高的延性，彈性模量很低，在低強度空化作用時，不發(fā)生汽蝕，而在較高強度汽蝕中會產(chǎn)生較突然的徹底破壞 。,材料的晶粒越細密，抗蝕能力越強，一般說來，合金能改善金屬的晶格結(jié)構(gòu)，因而能提高抗蝕性能。,5.材料內(nèi)部的非溶解物：,金屬材料中含有不純物質(zhì)則大大降低其抗空蝕能力。鑄鐵（游離石墨）。,第七節(jié) 水輪機抗空化的措施,三、改善運行條件并采用適當(dāng)?shù)倪\行措施,綜上所述，抗蝕材料應(yīng)具有韌性強、硬度高、抗拉力強、疲勞極限高、應(yīng)變硬化好、晶格細、好的可焊性等綜合性能 。,合理擬定水電廠的