水輪機(jī)的空化與空蝕課件

1、第四章第四章 水輪機(jī)的空化與空蝕水輪機(jī)的空化與空蝕第一節(jié)、水輪機(jī)的空化與空蝕第一節(jié)、水輪機(jī)的空化與空蝕1. 概念概念v 沸騰：沸騰：水在一定壓力下加溫引起的汽化；水在一定壓力下加溫引起的汽化；v 空化：空化：環(huán)境溫度不變壓力降低引起的汽化。環(huán)境溫度不變壓力降低引起的汽化。 空化壓力空化壓力：在給定溫度下，液體開始汽化的臨界壓力。在給定溫度下，液體開始汽化的臨界壓力。 空蝕：空蝕：當(dāng)空化產(chǎn)生的空穴進(jìn)入壓力較低的區(qū)域，開始變成較當(dāng)空化產(chǎn)生的空穴進(jìn)入壓力較低的區(qū)域，開始變成較大的氣泡，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，引起過(guò)流表

2、面的材料破壞。泡就將潰滅，引起過(guò)流表面的材料破壞。2. 空蝕破壞的機(jī)理空蝕破壞的機(jī)理v水開始汽化水開始汽化汽泡汽泡(水蒸氣水蒸氣+空氣空氣)進(jìn)入高壓區(qū)進(jìn)入高壓區(qū)向向汽泡中心壓縮、沖擊，在汽泡內(nèi)形成很大的微觀水汽泡中心壓縮、沖擊，在汽泡內(nèi)形成很大的微觀水錘壓力錘壓力(可達(dá)幾百大氣壓可達(dá)幾百大氣壓)； 汽泡產(chǎn)生反作用力向外膨脹，壓力升高，水流質(zhì)點(diǎn)汽泡產(chǎn)生反作用力向外膨脹，壓力升高，水流質(zhì)點(diǎn)向外沖擊。向外沖擊。 大量汽泡連續(xù)不斷地產(chǎn)生與潰滅，水流質(zhì)點(diǎn)反復(fù)沖大量汽泡連續(xù)不斷地產(chǎn)生與潰滅，水流質(zhì)點(diǎn)反復(fù)沖擊，使過(guò)流通道的金屬表面遭到嚴(yán)重破壞擊，使過(guò)流通道的金屬表面遭到嚴(yán)重破壞 機(jī)械破機(jī)械破壞，稱為疲勞剝蝕

3、壞，稱為疲勞剝蝕。v汽泡被壓縮，由于體積縮小，汽化破壞時(shí)水流質(zhì)點(diǎn)汽泡被壓縮，由于體積縮小，汽化破壞時(shí)水流質(zhì)點(diǎn)相互撞擊，引起局部溫度升高相互撞擊，引起局部溫度升高(可達(dá)到可達(dá)到300)，汽泡，汽泡的氧原子與金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，造成腐蝕；同時(shí)由的氧原子與金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，造成腐蝕；同時(shí)由于溫度升高，產(chǎn)生電解作用于溫度升高，產(chǎn)生電解作用化學(xué)腐蝕化學(xué)腐蝕。v使過(guò)流部件機(jī)械強(qiáng)度降低，嚴(yán)重時(shí)整個(gè)部件受使過(guò)流部件機(jī)械強(qiáng)度降低，嚴(yán)重時(shí)整個(gè)部件受到破壞。到破壞。v增加過(guò)流部件的糙率，水頭損失加大，效率降增加過(guò)流部件的糙率，水頭損失加大，效率降低，流量減小，出力下降。低，流量減小，出力下降。v機(jī)組產(chǎn)生振動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)造

4、成廠房振動(dòng)破壞。機(jī)組產(chǎn)生振動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)造成廠房振動(dòng)破壞。v縮短了機(jī)組檢修的周期，增加了檢修的復(fù)雜性?？s短了機(jī)組檢修的周期，增加了檢修的復(fù)雜性。消耗鋼材、延長(zhǎng)工期。消耗鋼材、延長(zhǎng)工期。3. 空蝕造成的危害空蝕造成的危害第二節(jié)第二節(jié) 水輪機(jī)空蝕類型水輪機(jī)空蝕類型v翼形翼形( (葉片葉片) )空蝕空蝕：轉(zhuǎn)輪葉片背面出口處產(chǎn)生的空蝕，與轉(zhuǎn)輪葉片背面出口處產(chǎn)生的空蝕，與葉片形狀、工況有關(guān)。是反擊式水輪機(jī)的主要空蝕形式。葉片形狀、工況有關(guān)。是反擊式水輪機(jī)的主要空蝕形式。v間隙空蝕：間隙空蝕：當(dāng)水流通過(guò)間隙和較小的通道時(shí)，局部流速當(dāng)水流通過(guò)間隙和較小的通道時(shí)，局部流速增大，壓力降低而產(chǎn)生的空蝕。增大，壓力降低

5、而產(chǎn)生的空蝕。v空腔空蝕：空腔空蝕：在非最優(yōu)工況時(shí)，水流在尾水管中發(fā)生旋轉(zhuǎn)在非最優(yōu)工況時(shí)，水流在尾水管中發(fā)生旋轉(zhuǎn)形成一種對(duì)稱真空渦帶，引起尾水管中水流速度和壓力的形成一種對(duì)稱真空渦帶，引起尾水管中水流速度和壓力的脈動(dòng)，在尾水管進(jìn)口處產(chǎn)生空蝕破壞，還可能造成尾水管脈動(dòng)，在尾水管進(jìn)口處產(chǎn)生空蝕破壞，還可能造成尾水管振動(dòng)。振動(dòng)。v局部空蝕：局部空蝕：在過(guò)流部件凹凸不平因脫流而產(chǎn)生的空蝕。在過(guò)流部件凹凸不平因脫流而產(chǎn)生的空蝕。 翼形空蝕翼形空蝕局部空蝕局部空蝕空腔空蝕空腔空蝕間隙空蝕間隙空蝕尾水管內(nèi)的真空渦帶尾水管內(nèi)的真空渦帶1 .4 .2 V o rte x O b se rv e d in F r

6、a n c is R u n n e r（ 渦 帶 觀 察 ）較大負(fù)荷時(shí)低負(fù)荷時(shí)第三節(jié)第三節(jié) 水輪機(jī)的空蝕系數(shù)、吸出高和安裝高程水輪機(jī)的空蝕系數(shù)、吸出高和安裝高程一、水輪機(jī)的空蝕系數(shù)一、水輪機(jī)的空蝕系數(shù)v 衡量水輪機(jī)好壞：一是效率；二是空蝕系數(shù)。衡量水輪機(jī)好壞：一是效率；二是空蝕系數(shù)。v 反擊式水輪機(jī)發(fā)生空蝕破壞的根本原因是過(guò)流通道中出現(xiàn)反擊式水輪機(jī)發(fā)生空蝕破壞的根本原因是過(guò)流通道中出現(xiàn)了了ppb的情況，因此防止空蝕的措施是限制的情況，因此防止空蝕的措施是限制p的降低，使的降低，使ppb。v 影響水輪機(jī)效率的主要原因是翼型空蝕，所以衡量水輪機(jī)影響水輪機(jī)效率的主要原因是翼型空蝕，所以衡量水輪機(jī)空

7、蝕性能好壞一般是針對(duì)翼型空蝕而言，其標(biāo)志為空蝕系空蝕性能好壞一般是針對(duì)翼型空蝕而言，其標(biāo)志為空蝕系數(shù)。數(shù)。v 空蝕系數(shù)空蝕系數(shù)是水輪機(jī)空蝕特征的一個(gè)標(biāo)志，是水輪機(jī)空蝕特征的一個(gè)標(biāo)志，越大，越容易越大，越容易破壞破壞 。葉片上壓力最低點(diǎn)葉片上壓力最低點(diǎn) 通過(guò)研究葉片上的壓力分布情況，得到葉片上壓力最低點(diǎn)通過(guò)研究葉片上的壓力分布情況，得到葉片上壓力最低點(diǎn)(一般為葉片背面靠近轉(zhuǎn)輪葉片出口處一般為葉片背面靠近轉(zhuǎn)輪葉片出口處)K點(diǎn)的壓力為點(diǎn)的壓力為(列列K點(diǎn)點(diǎn)和和2點(diǎn)、點(diǎn)、2點(diǎn)和下游水面的能量方程點(diǎn)和下游水面的能量方程)： K點(diǎn)的真空值點(diǎn)的真空值Hk.v： )22(22222gVgWWHppHwkska

8、kv)22(22222gVgWWHppwksak靜力真空動(dòng)力真空v靜力真空靜力真空Hs是吸出高度，取決于水輪機(jī)的安裝是吸出高度，取決于水輪機(jī)的安裝高程，與水輪機(jī)的性能無(wú)關(guān)；高程，與水輪機(jī)的性能無(wú)關(guān)；v動(dòng)力真空動(dòng)力真空hk與轉(zhuǎn)輪葉型、水輪機(jī)工況、尾水管與轉(zhuǎn)輪葉型、水輪機(jī)工況、尾水管性能有關(guān)，因此表明水輪機(jī)空蝕性能的只是動(dòng)性能有關(guān)，因此表明水輪機(jī)空蝕性能的只是動(dòng)力真空：力真空： )(21/22222VWWgHHhwkkv稱水輪機(jī)的空蝕系數(shù)，是動(dòng)力真空的相對(duì)值。稱水輪機(jī)的空蝕系數(shù)，是動(dòng)力真空的相對(duì)值。v與葉型、工況有關(guān)。與葉型、工況有關(guān)。v與尾水管的性能有關(guān)。與尾水管的性能有關(guān)。v幾何形狀相似的水輪

9、機(jī)，工況相似，幾何形狀相似的水輪機(jī)，工況相似，相同；對(duì)相同；對(duì)任一水輪機(jī)在既定工況下，任一水輪機(jī)在既定工況下，也是定值。也是定值。v值影響因素復(fù)雜，理論難以確定，廣泛使用的值影響因素復(fù)雜，理論難以確定，廣泛使用的方法是進(jìn)行水輪機(jī)模型試驗(yàn)得出方法是進(jìn)行水輪機(jī)模型試驗(yàn)得出m,并認(rèn)為并認(rèn)為=m。 二、水輪機(jī)的吸出高度二、水輪機(jī)的吸出高度 為了防止空蝕，必須限制為了防止空蝕，必須限制k點(diǎn)的壓力，使點(diǎn)的壓力，使pkpv HppHBasHHms)(9000 .10HkHms9000 .10)22(22222gVgWWHppwksakHHpsa保證水輪機(jī)內(nèi)不發(fā)生汽蝕的條件：保證水輪機(jī)內(nèi)不發(fā)生汽蝕的條件： p

10、k pv Pa/=10.33 PB/=0.090.24v水輪機(jī)吸出高水輪機(jī)吸出高Hs是轉(zhuǎn)輪葉片壓力最低點(diǎn)到下游水面是轉(zhuǎn)輪葉片壓力最低點(diǎn)到下游水面的垂直高度的垂直高度Zk，與水輪機(jī)形式有關(guān)，規(guī)定如下：，與水輪機(jī)形式有關(guān)，規(guī)定如下： (1) 立軸混流式水輪機(jī)：立軸混流式水輪機(jī)： 導(dǎo)葉下部底環(huán)平面到下游尾水面垂直高度。導(dǎo)葉下部底環(huán)平面到下游尾水面垂直高度。 (2) 立軸軸流式水輪機(jī)：立軸軸流式水輪機(jī)： 轉(zhuǎn)輪葉片軸線到下游尾水面垂直高度。轉(zhuǎn)輪葉片軸線到下游尾水面垂直高度。 (3) 臥軸貫流式水輪機(jī)：臥軸貫流式水輪機(jī)： 葉片出口最高點(diǎn)到下游尾水面垂直高度。葉片出口最高點(diǎn)到下游尾水面垂直高度。 (4) 設(shè)

11、計(jì)尾水位高于上述高程設(shè)計(jì)尾水位高于上述高程Hs為負(fù)，反之為正。為負(fù)，反之為正。 (5) 為保證水輪機(jī)在運(yùn)行中不發(fā)生空蝕，對(duì)各種工況為保證水輪機(jī)在運(yùn)行中不發(fā)生空蝕，對(duì)各種工況下下Hs 進(jìn)行試驗(yàn)，取其中較小值進(jìn)行試驗(yàn)，取其中較小值。 三、水輪機(jī)的安裝高程三、水輪機(jī)的安裝高程 1. 立軸立軸HL：導(dǎo)葉中心平面高程：導(dǎo)葉中心平面高程 Za=w+Hs+b0/2 2. 立軸立軸ZL：導(dǎo)葉中心平面高程：導(dǎo)葉中心平面高程 Za=w+Hs+xD1 (x=0.380.48) 3. 臥軸臥軸HL和和GL：軸中心高程：軸中心高程 Za=w+Hs-D1/2 注：注： w ：水電站設(shè)計(jì)尾水位：水電站設(shè)計(jì)尾水位, 選用水電

12、站最低尾水選用水電站最低尾水 位（位（12臺(tái)機(jī)組時(shí)取一臺(tái)機(jī)組臺(tái)機(jī)組時(shí)取一臺(tái)機(jī)組50%額定流量，額定流量，34臺(tái)機(jī)組時(shí)取一臺(tái)機(jī)組額定流量）臺(tái)機(jī)組時(shí)取一臺(tái)機(jī)組額定流量） b0 ： 水輪機(jī)導(dǎo)葉高度；水輪機(jī)導(dǎo)葉高度；D1 ：轉(zhuǎn)輪直徑：轉(zhuǎn)輪直徑第四節(jié)第四節(jié) 防止空蝕的措施防止空蝕的措施 流速和壓力流速和壓力是產(chǎn)生空蝕最重要的兩個(gè)原因，因是產(chǎn)生空蝕最重要的兩個(gè)原因，因此要控制流速和壓力的急劇變化。此要控制流速和壓力的急劇變化。 1. 設(shè)計(jì)制造方面：設(shè)計(jì)制造方面： 合理選型，葉型流線設(shè)計(jì)，表合理選型，葉型流線設(shè)計(jì)，表面光滑，抗空蝕鋼襯面光滑，抗空蝕鋼襯(不銹鋼不銹鋼)。 2. 工程措施：工程措施：合理選擇安裝高程，采取防沙、排合理選擇安裝高程，采取防沙、排沙措施，防止有害泥沙進(jìn)入水輪機(jī)。沙措施，防止有害泥沙進(jìn)入水輪機(jī)。 3. 運(yùn)行方面：運(yùn)行方面：避開低負(fù)荷、低水頭運(yùn)行，合理調(diào)避開低負(fù)荷、低水頭運(yùn)行，合理調(diào)度，必要時(shí)向尾水管補(bǔ)氣。度，必要時(shí)向尾水管補(bǔ)氣。 1 復(fù)習(xí)題：復(fù)習(xí)題： 1 什么是空化與空蝕？2 2 空蝕的機(jī)理是什么？3 3 水輪機(jī)中常發(fā)