第四章-水轮机的空化与空蚀

第四章水轮机的空化与空蚀第一节水流的空化一、水流的空化现象标准大气压力下，水温达到100℃时，发生沸腾汽化；当周围环境压力降低到0.24mH2O时，发生空化现象。认识到空化空蚀的破坏：发现轮船高速金属螺旋桨在很短时间内就被破坏。固体围绕固定位置振动液体质点位置易迁移常温下液体质点会从液体中离析，取决于该种液体的汽化特性。由于液体具有汽化特性：液体汽化：1、恒压加热；2、恒温降压沸腾：液体在衡定压力下加热，当温度高于某一温度时，液体开始汽化形成汽泡。空化：当液体温度一定，降低压力到某一临界压力时，液体也会汽化或溶解于液体中的空气发育形成空穴。气蚀现象：包括空化和空蚀两个过程。空化：液体中形成空穴使液相流体的连续性遭到破坏，发生在压力下降到某一临界值的流动区域，空穴中主要充满着液体的蒸汽以及从溶液中析出的气体。可以发生在液体内部，也可以发生在固定边界上。空蚀：当空穴进入压力较低的区域时，就开始发育成长为较大的气泡，然后气泡被流体带到压力高于临界值的区域，气泡就将溃灭，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，引起过流表面的材料损坏。只发生在固体边界上。空蚀是空化的直接后果。水轮机的空化现象是水流在能量转换过程中产生的特殊现象。水轮机气蚀：水流通过水轮机时，如果某些地方流速增高了，根据水力学能量方程，必然引起该处的局部压力降低，如果该处水流速度增加很大，以致使压力降低到在该水温下的汽化压力时，则此低压区的水开始汽化，便会产生气蚀。二、空蚀机理空蚀的形成与水的汽化现象有密切的联系。水的汽化压力：在给定温度下水开始汽化的临界压力。空蚀对金属材料表面的侵蚀破坏有机械作用、化学作用和电化作用三种，以机械作用为主。水的温度（℃）05102030405060708090100汽化压力（mH2O）0.060.090.120.240.430.721.262.033.184.837.1510.33水在各种温度下的汽化压力值1、机械作用（1）流道中局部压力降低到汽化压力时，水开始汽化，原溶解在水中极微小的（直径约为10-5～10-4mm）空气泡同时开始聚集、逸出。水中出现大量由空气及水蒸汽混合形成的气泡（直径在0.1～2.0mm以下）。（2）气泡随着水流进入压力高于汽化压力的区域时，一方面由于气泡外动水压力的增大，另一方面由于汽泡内水蒸汽迅速凝结使压力变得很低，从而使气泡内外的动水压差远大于维持气泡成球状的表面张力，导致气泡瞬时溃裂（溃裂时间约为几百分之一或几千分之一秒）。（3）在气泡溃裂的瞬间，其周围的水流质点便在极高的压差作用下产生极大的流速向汽泡中心冲击，形或巨大的冲击压力（其值可达几十甚至几百个大气压）。（4）冲击压力作用下，原来气泡内的气体全部溶于水中，并与一小股水体一起急剧收缩形成聚能高压“水核”。而后水核迅速膨胀冲击周围水体，并一直传递到过流部件表面，致使过流部件表面受到一小股高速射流的撞击。（5）撞击现象伴随着运动水流中气泡的不断生成与溃裂而产生的，它具有高频脉冲的特点，从而对过流部件表面造成材料的破坏。2.化学作用发生空化和空蚀时，气泡使金属材料表面局部出现高温是发生化学作用的主要原因。该高温可能是气泡在高压区被压缩时放出的热量，或者是由于高速射流撞击过流部件表面而释放出的热量。局部瞬时高温可过300℃，高温、高压作用下，促进汽泡对金属材料表面的氧化腐蚀作用。3.电化作用在发生空化和空蚀时，局部受热材料与四周低温材料间产生局部温差，形成热电偶，材料中有电流流过，引起热电效应，产生电化腐蚀，破坏金属材料的表面层，使它发暗变毛糙，加快了机械侵蚀作用。根据对空化现象的观测，认为空化和空蚀破坏主要是机械破坏，化学和电化作用是次要的。化学和电化的腐蚀加速了机械破坏过程。空化和空蚀在破坏开始时，一般是金属表面失去光泽而变暗，接着是变毛糙而发展成麻点，一般呈针孔状，深度在1~2mm以内；再进一步使金属表面十分疏松成海绵状，也称为蜂窝状深度为3mm到几十毫米。空蚀严重时，可能造成水轮机叶片的穿孔破坏。空化和空蚀的存在对水轮机运行极为不利。（1）破坏水轮机的过流部件，如导叶、转轮、转轮室、上下止漏环及尾水管等。（2）降低水轮机的出力和效率，因为空化和空蚀会破坏水流的正常运行规律和能量转换规律，并会增加水流的漏损和水力损失。（3）空化和空蚀严重时，可使机组产生强烈振动、噪音及负荷波动，导致机组不能安全稳定运行。（4）缩短了机组的检修周期，增加了机组检修的复杂性。空化和空蚀检修不仅耗用大量钢材，而且延长工期，影响电力生产。第二节水轮机空化与空蚀类型水力机械中水流运动比较复杂，将在不同条件下形成空化初生、空化现象可能出现在不同部位。空化位置：绕流体表面的低压区或流向急变部位。最大空蚀区：位于平均空穴长度的下游端。整个空蚀区由最大空蚀点在上下游延伸相对宽的一个范围内。导流面的空蚀部分并非是引起空化观察现象的低压点，而低压点在空蚀区的上游，即在空穴的上游端。1.翼型空化、空蚀水流绕流叶片引起压力降低而产生。叶片背面压力往往为负压，当该压力降低到环境汽化压力以下时，便发生空化和空蚀。与叶片翼型断面的几何形状密切相关，所以称为翼型空化、空蚀。与运行工况有关，非最优工况时，会诱发或加剧，是反击式水轮机主要的空化和空蚀形态。沿叶片背面压力分布水轮机翼型空蚀的主要部位2、间隙空化、空蚀当水流通过狭小通道或间隙时引起局部流速升高，压力降低到一定程度时所发生的空化和空蚀。主要发生在混流式水轮机转轮上、下迷宫环间隙处，轴流转桨式水轮机叶片外缘与转轮室的间隙处，叶片根部与轮毂间隙处，以及导叶端面间隙处。3、局部空化、空蚀主要由于铸造和加工缺陷形成表面不平整、砂眼、气孔等所引起的局部流态突然变化而造成的。例如，转桨式水轮机的局部空化和空蚀一般发生在转轮室连接的不光滑台阶处或局部凹坑处的后方；其局部空化和空蚀还可能发生在叶片固定螺钉及密封螺钉处，这是因螺钉的凹入或突出造成的。混流式水轮机转轮上冠泄水孔后的空化和空蚀破坏，也是一种局部空化和空蚀。4、空腔空化、空蚀是反击式水轮机所特有一种漩涡空化，尤其以反击式水轮机最为突出。当反击式水轮机在一般工况运行时，转轮出口总具有一定的圆周分速度，使水流在尾水管产生旋转，形成真空涡带。当涡带中心出现的负压小于汽化压力时，水流会产生空化现象，而旋转的涡带一般周期性地与尾水管壁相碰，引起尾水管壁产生空化和空蚀，称为空腔空化和空蚀。4、空腔空化、空蚀：与运行工况有关。较大负荷时：涡带形状呈柱状形，与尾水管中心线同轴，直径较小也较为稳定；在最优工况时，涡带甚至可消失。低负荷时：空腔涡带较粗，呈螺旋形，且自身也在旋转。偏心螺旋形涡带，在空间极不稳定，空蚀强烈。翼型空化空蚀：最普遍、最严重。空腔空化空蚀：某些水电站比较严重，以致影响水轮机的稳定运行。间隙、局部空化空蚀：只产生在局部较小范围内。混流式水轮机：主要是翼型空化空蚀，间隙、局部空化空蚀是次要的。转桨式水轮机：以间隙空化空蚀为主。冲击式水轮机：主要发生在喷嘴和喷针处，而在水斗的分水刃处由于承受高速水流而常常有空蚀发生。第三节水轮机的空化系数与吸出高度一、水轮机的空化系数衡量水轮机性能好坏的两个重要参数：能量性能的效率空化性能的空化系数水轮机转轮必须同时具备良好的能量性能和空化性能，既要效率高，能充分利用水能，又要空化系数小，使水轮机在运行中不易发生空蚀破坏。设水轮机流道最低压力点K的压力为Pk，2点叶片出口边的压力为P2，a点为下游水面上的点、压力为Pa。若下游为开敞式，则Pa为大气压力。列出K点和2点水流相对运动的伯努力方程式：2222222222222KKKKKhgugWgPZgugWgPZ2uuK222222)(2KKKKhZZgWWgPgP为求出2点的压力，可取叶片出口处2点与下游断面a点间水流绝对运动的伯努力方程式：222222)(2KKKKhZZgWWgPgP0aVgVhZgPZgPaaa222222aaaahgVgPZgVgPZ22222222)22()(22222akKaKaKhgWWgVZZgPgPakakhhh22)22()(22222akKaKKavhgWWgVZZgPgPgPK1.动力真空akkvhgWWgVh2222222由水轮机转轮和尾水管所形成，与各流速水头、转轮叶片和尾水管几何形状有关，即与水轮机结构及运行工况有关。2.静力真空：Hs=Zk-Za取决于转轮相对于下游水面的装置高度。与水轮机的安装高程有关，而与水轮机型式无关，称为吸出高度。)22()(22222akKaKKavhgWWgVZZgPgPgPK方程式两端同时减去)22()(22222akKaKaKhgWWgVZZgPgPgPv除以水头Hξw、ηw—尾水管的阻力系数、恢复系数gHVgHHHgPgPsvap水轮机空化系数水电站空化系数)22(22222gVgHWWHHgPgPgHPPWKsvavkgVgVgVhPvkgHPPσ是动力真空的相对值、为无因次量，与水轮机转轮翼型几何形态、运行工况和尾水管性能有关。对某一几何形状既定的水轮机（包括尾水管相似，在既定的某一工况下，σ是定值。分析：几何形状相似的水轮机（包括尾水管相似），在相似工况点（单位转速相等）速度三角相似，则各速度的相对值相等，尾水管恢复系数亦相等，所以σ相等。σ是反映水轮机空化的一个相似准则。gHVgHHHgPgPsvap当下游水面为大气压力时，电站空化系数σP仅取决于转轮相对于下游水面的相对高度，表示水轮机离开空化起始点的表征值。当K点压力Pk降至相应温度汽化压力Pv时，水轮机的空化处于临界状态，此时σP=σ；当σPσ时，转轮中最低压力点的压力PkPv，转轮中不会发生空化；当σPσ时，转轮中最低压力点PkPv，转轮中将发生空化。通过选择适当的值Hs来保证水轮机在无空化的条件下运行。PvkgHPP二、水轮机的吸出高度1、吸出高度计算公式在某一工况下，最低压力点处的动力真空值是一定的。静力真空Hs与水轮机的装置高程有关。因此，可通过选择合适的吸出高度Hs来控制最低压力点的真空值，以达到避免空化和空蚀的目的。gPgPgPvkminPvkgHPPHHgPgPSvapHgPgPHvaS标准海平面的平均大气压为10.33mH2O，在海拨高程3000米以内，每升高900m大气压降低1mH2O，因此当水轮机安装位置的海拨高程为▽m时：OmHgPa290033.10考虑到水电站压力管道中的水温一般为5~20℃，对于含杂质量较小的清水质，可取：OmHgPv224.0~09.0考虑到水轮机模型空化试验的误差及模型与原型之间尺寸不同的影响，对模型空化系数σm作修正，水轮机实际运行的空化系数σ取：mmK表4-3水轮机水头与空化安全系数K关系水头H(m)30~100100~250250以上安全系数K1.151.201当然，吸出高度SH值的最后确定，还必须考虑基建条件，投资大小和运行条件等进行方案的技术经济比较。如水中含砂量大，为了避免空蚀和泥沙磨损的相互影响和联合作用，吸出高度SH值应取得安全一些。图4-7空化系数修正值与水头H的关系曲线混流式水轮机水头与空化安全系数关系转桨式水轮机1.1KHHmS)(9000.10HKHmS9000.10水头H一般取设计水头Hr；轴流式水轮机还应用最小水头Hmin及对应工况的模型空化系数进行校核计算；混流式水轮机还应用最大水头Hmax及对应工况的模型空化系数进行校核计算。吸出高度Hs值的最后