水輪機的空化和空蝕

水輪機的空化和空蝕第一頁，共十二頁，編輯于2023年，星期三（1）損壞水輪機過流部件表面。在水輪機運行過程中，隨著時間的推移，在轉(zhuǎn)輪和某些過流部件的局部表面上，開始時表面金屬失去光澤而變成灰暗色，接著形成即麻點狀，進一步發(fā)展形成海綿狀（即蜂窩狀），此時金屬表面已受到嚴重破壞，再進一步發(fā)展就會產(chǎn)生金屬局部脫落，甚至穿孔。（2）當空化、空蝕發(fā)展到破壞正常水流流動的程度時，能量損失會急劇增加，效率和出力大幅度下降。（3）水輪機在空化、空蝕狀態(tài)下運行，特別是混流式水輪機，其過流部件易發(fā)生低頻率大振幅的壓力脈動，甚至導(dǎo)致整個機組和水電廠廠房危險的振動及噪聲?？栈?、空蝕導(dǎo)致的不良后果

第二頁，共十二頁，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。在一個標準大氣壓下，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，如當壓力下降到2338Pa時，水在20°C時就會開始沸騰汽化。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。液體在流動過程中當速度發(fā)生變化時，其壓力也會同時發(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。在水輪機流道內(nèi)某些區(qū)域壓力降低的原因主要是由水流對轉(zhuǎn)輪做功所引起的。此外，局部流速過高或流動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，流道的突然擴散或收縮等都會造成不良的流動條件。第三頁，共十二頁，編輯于2023年，星期三空化空泡第四頁，共十二頁，編輯于2023年，星期三空化空泡第五頁，共十二頁，編輯于2023年，星期三

水輪機空化系數(shù)與電站空化系數(shù)

反擊式水輪機的空化系數(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空化性能的空化系數(shù)。水輪機空化系數(shù)σ不同型式水輪機的吸出高度

圖4-15為一水掄機流道示意圖，設(shè)最低壓力點為K點。其壓力為，2點為葉片出口邊上的點，壓力為，a點為下游水面上的點，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，共十二頁，編輯于2023年，星期三

水輪機空化系數(shù)與電站空化系數(shù)由水輪機空化系數(shù)σ的表達式可知：⑴σ是動力真空值的相對值，是一個無因次量。

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

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，水輪機發(fā)生空化的可能性越大。

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

通過選擇合適的幾何吸出高度來控制轉(zhuǎn)輪出口處的壓力值，可以防止發(fā)生嚴重的翼型空化。顯然，吸出高度越小，則水輪機裝得越低，水輪機抗空化性能愈好，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裝置參數(shù)優(yōu)化設(shè)計和電站總體設(shè)計的技術(shù)經(jīng)濟的重要問題之一。原型水輪機的吸出高度(主要針對翼型空化）

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

水輪機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)工況點的水輪機空化系數(shù)，由綜合特性曲線查得；

——對應(yīng)的水輪機工作水頭。第九頁，共十二頁，編輯于2023年，星期三

水輪機安裝高程的確定

在進行實際計算時，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，有時可能降低0.3～0.4mH2O左右；⑷水輪機的實際裝置高程不為零，根據(jù)實測，低空大氣層的平均大氣壓當高程每升高900m時降低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于海平面的標高。第十頁，共十二頁，編輯于2023年，星期三安裝高程定義及計算公式

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

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

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