水輪機(jī)的空化和空蝕

水輪機(jī)的空化和空蝕第一頁(yè)，共十二頁(yè)，編輯于2023年，星期三（1）損壞水輪機(jī)過(guò)流部件表面。在水輪機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，隨著時(shí)間的推移，在轉(zhuǎn)輪和某些過(guò)流部件的局部表面上，開始時(shí)表面金屬失去光澤而變成灰暗色，接著形成即麻點(diǎn)狀，進(jìn)一步發(fā)展形成海綿狀（即蜂窩狀），此時(shí)金屬表面已受到嚴(yán)重破壞，再進(jìn)一步發(fā)展就會(huì)產(chǎn)生金屬局部脫落，甚至穿孔。（2）當(dāng)空化、空蝕發(fā)展到破壞正常水流流動(dòng)的程度時(shí)，能量損失會(huì)急劇增加，效率和出力大幅度下降。（3）水輪機(jī)在空化、空蝕狀態(tài)下運(yùn)行，特別是混流式水輪機(jī)，其過(guò)流部件易發(fā)生低頻率大振幅的壓力脈動(dòng)，甚至導(dǎo)致整個(gè)機(jī)組和水電廠廠房危險(xiǎn)的振動(dòng)及噪聲?？栈?、空蝕導(dǎo)致的不良后果

第二頁(yè)，共十二頁(yè)，編輯于2023年，星期三

水流的空化現(xiàn)象

汽泡能否從液體中析出取決于該種液體的汽化特性。在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，把水加熱到100°C，水就開始沸騰汽化。壓力越低，水開始汽化的溫度也越低，如當(dāng)壓力下降到2338Pa時(shí)，水在20°C時(shí)就會(huì)開始沸騰汽化。為了區(qū)別上述兩種情況，通常把水在一定壓力下加溫而汽化的現(xiàn)象稱為沸騰；而把環(huán)境溫度不變，由于壓力降低而引起的汽化稱為空化。在一定溫度下水開始空化的壓力稱為汽化壓力。

空化是液體中壓力降低的結(jié)果。液體在流動(dòng)過(guò)程中當(dāng)速度發(fā)生變化時(shí)，其壓力也會(huì)同時(shí)發(fā)生變化。如果壓力下降到使該液體汽化的臨界壓力之下，就將發(fā)生空化。在水輪機(jī)流道內(nèi)某些區(qū)域壓力降低的原因主要是由水流對(duì)轉(zhuǎn)輪做功所引起的。此外，局部流速過(guò)高或流動(dòng)脫離邊界層形成脫流也可導(dǎo)致壓力降低。例如，非流線翼型繞流，流道的突然擴(kuò)散或收縮等都會(huì)造成不良的流動(dòng)條件。第三頁(yè)，共十二頁(yè)，編輯于2023年，星期三空化空泡第四頁(yè)，共十二頁(yè)，編輯于2023年，星期三空化空泡第五頁(yè)，共十二頁(yè)，編輯于2023年，星期三

水輪機(jī)空化系數(shù)與電站空化系數(shù)

反擊式水輪機(jī)的空化系數(shù)及電站空化系數(shù)下面分析和推導(dǎo)葉片不發(fā)生空化的條件和表征水輪機(jī)空化性能的空化系數(shù)。水輪機(jī)空化系數(shù)σ不同型式水輪機(jī)的吸出高度

圖4-15為一水掄機(jī)流道示意圖，設(shè)最低壓力點(diǎn)為K點(diǎn)。其壓力為，2點(diǎn)為葉片出口邊上的點(diǎn)，壓力為，a點(diǎn)為下游水面上的點(diǎn)，為下游水面上的壓力，若下游為開敞式的，則為大氣壓力。第六頁(yè)，共十二頁(yè)，編輯于2023年，星期三

水輪機(jī)空化系數(shù)與電站空化系數(shù)由水輪機(jī)空化系數(shù)σ的表達(dá)式可知：⑴σ是動(dòng)力真空值的相對(duì)值，是一個(gè)無(wú)因次量。

⑵σ值與轉(zhuǎn)輪翼型和水輪機(jī)的工況有關(guān)，因這兩者均影響到相對(duì)速度WK、W2和葉道中的壓力分布，也影響到轉(zhuǎn)輪的出口動(dòng)能。K點(diǎn)的相對(duì)速度越大，一般其轉(zhuǎn)輪出口動(dòng)能V2也相應(yīng)大一些，空化系數(shù)σ也會(huì)增大。

⑶σ值與尾水管的性能有關(guān)，尾水管的恢復(fù)系數(shù)越大σ也越大，水輪機(jī)發(fā)生空化的可能性越大。

⑷幾何形狀相似的水輪機(jī)，在相似工況下其σ值是相同的值。對(duì)于某一水輪機(jī)，在既定的某一工況下，其σ值是定值。第七頁(yè)，共十二頁(yè)，編輯于2023年，星期三水輪機(jī)安裝高程的確定原型水輪機(jī)的吸出高度安裝高程定義及計(jì)算公式

通過(guò)選擇合適的幾何吸出高度來(lái)控制轉(zhuǎn)輪出口處的壓力值，可以防止發(fā)生嚴(yán)重的翼型空化。顯然，吸出高度越小，則水輪機(jī)裝得越低，水輪機(jī)抗空化性能愈好，但水電站的基建投資則愈大，因此，選擇合理的吸出高度是水輪機(jī)裝置參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)和電站總體設(shè)計(jì)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)的重要問(wèn)題之一。原型水輪機(jī)的吸出高度(主要針對(duì)翼型空化）

為了完全避免在轉(zhuǎn)輪葉片上的空化，必須使K點(diǎn)的壓力大于水流的飽和汽化壓力，即第八頁(yè)，共十二頁(yè)，編輯于2023年，星期三

水輪機(jī)安裝高程的確定將上式變換形式得

最后整理后得式中——水輪機(jī)安裝處的大氣壓力；

——該處相應(yīng)于平均水溫下的汽化壓力；

——相應(yīng)工況點(diǎn)的水輪機(jī)空化系數(shù)，由綜合特性曲線查得；

——對(duì)應(yīng)的水輪機(jī)工作水頭。第九頁(yè)，共十二頁(yè)，編輯于2023年，星期三

水輪機(jī)安裝高程的確定

在進(jìn)行實(shí)際計(jì)算時(shí)，考慮到：⑴海平面的平均大氣壓力；⑵一般地區(qū)河流水溫為5～200C，相應(yīng)水的飽和汽化壓力為0.09～0.24mH2O；⑶根據(jù)氣象條件，大氣壓力與平均值之間，有時(shí)可能降低0.3～0.4mH2O左右；⑷水輪機(jī)的實(shí)際裝置高程不為零，根據(jù)實(shí)測(cè)，低空大氣層的平均大氣壓當(dāng)高程每升高900m時(shí)降低1mmH2O。

綜合了這些變化因素后，可以近似寫成

式中——水電站下游水面相對(duì)于海平面的標(biāo)高。第十頁(yè)，共十二頁(yè)，編輯于2023年，星期三安裝高程定義及計(jì)算公式

反擊式水輪機(jī)的安裝高程是指水輪機(jī)導(dǎo)葉中心線（立式機(jī)組）或主軸中心線（臥式機(jī)組）的海拔高程。

水輪機(jī)安裝高程用符號(hào)表示。不同裝置方式的水輪機(jī)安裝高程的計(jì)算方法如下：⑴立軸混流式水輪機(jī)式中——尾水位，m；

b0——導(dǎo)葉高度，m。第十一頁(yè)，共十二頁(yè)，編輯于2023年，星期三