水轮机的空化和空蚀

水轮机的空化和空蚀

水轮机的空化与空蚀空化发生在流道中水流局部压力下降到临界压力(一般接近汽化压力)时，水中气核发展成为气泡，从而使液相流体的连续性遭到破坏， 变为含气的二相流(若同时含气和含砂，则为多相流)。气泡中主要充 满着液体的蒸汽以及从溶液中析出的气体。当这些气泡进入压力较低的 区域时，就发育成长为较大的气泡，当气泡随水流运动到压力较高区域， 气泡将迅速凝缩并溃灭。因此，空化包括了气泡的积聚、流动、分裂到 溃灭的整个过程。空化过程可以发生在液体内部，也可以发生在固体边 界上。 空蚀是指由于空泡的溃灭，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。空蚀是空化的直 接后果，空蚀只发生在固体边界上。

水轮机的空化和空蚀

空化、空蚀导致的不良后果(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。

水轮机的空化和空蚀

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，把水加热到100°C,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20°C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。

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。

水轮机的空化和空蚀

空化空泡

水轮机的空化和空蚀

空化空泡

水轮机的空化和空蚀

水轮机空化系数与电站空化系数水轮机空化系数σ 不同型式水轮机的吸出高度

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。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 pK ,2点为叶片出口边上的点，压力

为 p2 ,a点为下游水面上的点，pa 为下游水面上的压力，若下游为开敞式的，则 pa 为大气压力。

水轮机的空化和空蚀

水轮机空化系数与电站空化系数2 W K W22 V22 w 2 gH 2 gH

由水轮机空化系数σ的表达式可知：

⑴σ是动力真空值的相对值，是一个无因次量。 ⑵σ值与转轮翼型和水轮机的工况有关，因这两者均影响到相对速度 WK、W2和叶道中的压力分布，也影响到转轮的出口动能。K点的相对速度 越大，一般其转轮出口动能V2也相应大一些，空化系数σ也会增大。 ⑶σ 值与尾水管的性能有关，尾水管的恢复系数越大σ 也越大，水轮 机发生空化的可能性越大。 ⑷几何形状相似的水轮机，在相似工况下其σ 值是相同的值。对于某 一水轮机，在既定的某一工况下，其σ 值是定值。

水轮机的空化和空蚀

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臵参数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(主要针对翼型空化) 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 p K pvp pK p min v H p

水轮机的空化和空蚀

水轮机安装高程的确定 将上式变换形式得p a pv Hs 装置空化系数 p 水轮机空化系数 H

最后整理后得Hs pa pv H

式中

pa——水轮机安装处的大气压力； pv ——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；H ——对应的水轮机工作水头。

水轮机的空化和空蚀

水轮机安装高程的确定 在进行实际计算时，考虑到：pa 10.33mH 2O ; ⑴海平面的平均大气压力 r

⑵一般地区河流水温为5~200C,相应水的饱和汽化压力为0.09~0.24mH2O; ⑶ 根 据 气 象 条 件 ， 大 气 压 力 与 平 均 值 之 间 ， 有 时 可 能 降 低 0.3 ~

0.4mH2O左右；⑷水轮机的实际装臵高程不为零，根据实测，低空大气层的平均大气 压当高程每升高900 m时降低1mmH2O。 综合了这些变化因素后，可以近似写成H s 10 H 900

式中

——水电站下游水面相对于海平面的标高。

水轮机的空化和空蚀

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。不同装臵方式的水轮机安装高程的计 算方法如下： ⑴立轴混流式水轮机 w Hs b0 2

式中

w ——尾水位，m;

b0——导叶高度，m。

水轮机的空化和空蚀

水轮机安装高程的确定 ⑵立轴轴流式水轮机 式中 w H s XD1 D1—转轮直径，m;

X—轴流式水轮机结构高度系数，取0.41。

⑶卧式反击式水轮机

w H s

D1 2