水轮机的空化与空蚀
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❖ 空腔空蚀:在非最优工况时,水流在尾水管中发生旋转
形成一种对称真空涡带,引起尾水管中水流速度和压力的 脉动,在尾水管进口处产生空蚀破坏,还可能造成尾水管 振动。
❖ 局部空蚀:在过流部件凹凸不平因脱流而产生的空蚀。
翼形空蚀 空腔空蚀
间隙空蚀 局部空蚀
尾水管内的1.4真.2 V空ort涡ex O带bserved in Francis Runner
任一水轮机在既定工况下,б也是定值。 ❖ б值影响因素复杂,理论难以确定,广泛使用的
方法是进行水轮机模型试验得出бm,并认为б=бm。
二、水轮机的吸出高度
为了防止空蚀,必须限制k点的压力,使pk≥pv
pk
pa
Hs
(Wk2 W22 2g
w
V22 2g
)paHs来自H保证水轮机内不发生汽蚀的条件: pk≥ pv
三、水轮机的安装高程
1. 立轴HL:导叶中心平面高程
Za=▽w+Hs+b0/2 2. 立轴ZL:导叶中心平面高程
Za=▽w+Hs+xD1 (x=0.38~0.48) 3. 卧轴HL和GL:轴中心高程
Za=▽w+Hs-D1/2 注: ▽w :水电站设计尾水位, 选用水电站最低尾水
位(1~2台机组时取一台机组50%额定流量, 3~4台机组时取一台机组额定流量)
1.
复习题:
1 什么是空化与空蚀? 2. 2 空蚀的机理是什么? 3. 3 水轮机中常发生哪些空化? 4. 4 什么是水轮机的空化系数?水轮机空化系数有哪些特性? 5. 5 什么是电站的空化系数?电站的空化系数与水轮机空化系数有什么关系?为什么 ? 6. 6 通过什么方法如何确定水轮机的空化系数? 7. 7 如何确定水轮机的安装高程? 8. 8 从大的方面讲,防止水轮机空蚀常采用哪些措施? 9. 9 采用哪些措施防止尾水管中的空腔空化和水力振动?
叶片上压力最低点
通过研究叶片上的压力分布情况,得到叶片上压力最低点
(一般为叶片背面靠近转轮叶片出口处)K点的压力为(列K点
和2点、2点和下游水面的能量方程):
pk
pa
Hs
(Wk2 W22 2g
w
V22 2g
)
K点的真空值Hk.v:
H kv
pa
pk
H
s
(Wk2 W22 2g
w
V22 2g
)
静力真空
(涡带观察)
较大负荷时
低负荷时
第三节 水轮机的空蚀系数、吸出高和安装高程
一、水轮机的空蚀系数
❖ 衡量水轮机好坏:一是效率;二是空蚀系数。 ❖ 反击式水轮机发生空蚀破坏的根本原因是过流通道中出现
了p<pb的情况,因此防止空蚀的措施是限制p的降低,使 p≥pb。 ❖ 影响水轮机效率的主要原因是翼型空蚀,所以衡量水轮机 空蚀性能好坏一般是针对翼型空蚀而言,其标志为空蚀系 数。 ❖ 空蚀系数б是水轮机空蚀特征的一个标志,б越大,越容易 破坏 。
动力真空
❖ 静力真空Hs是吸出高度,取决于水轮机的安装 高程,与水轮机的性能无关;
❖ 动力真空hk与转轮叶型、水轮机工况、尾水管 性能有关,因此表明水轮机空蚀性能的只是动
力真空:
hk
/
H
1 2gH
(Wk2
W22
wV22 )
❖ б称水轮机的空蚀系数,是动力真空的相对值。 ❖ б与叶型、工况有关。 ❖ б与尾水管的性能有关。 ❖ 几何形状相似的水轮机,工况相似,б相同;对
10 在空化与空蚀方面,混流水轮机和轴流水轮机有什么区别?
第四章 水轮机的空化与空蚀
第一节、水轮机的空化与空蚀
1. 概念
❖ 沸腾:水在一定压力下加温引起的汽化; ❖ 空化:环境温度不变压力降低引起的汽化。
空化压力:在给定温度下,液体开始汽化的临界压力。 空蚀:当空化产生的空穴进入压力较低的区域,开始变成较 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,引起过流表面的材料破坏。
❖ 汽泡被压缩,由于体积缩小,汽化破坏时水流质点 相互撞击,引起局部温度升高(可达到300℃),汽泡 的氧原子与金属发生化学反应,造成腐蚀;同时由 于温度升高,产生电解作用→化学腐蚀。
3. 空蚀造成的危害
❖ 使过流部件机械强度降低,严重时整个部件受 到破坏。
❖ 增加过流部件的糙率,水头损失加大,效率降 低,流量减小,出力下降。
❖ 机组产生振动,严重时造成厂房振动破坏。 ❖ 缩短了机组检修的周期,增加了检修的复杂性。
消耗钢材、延长工期。
第二节 水轮机空蚀类型
❖ 翼形(叶片)空蚀:转轮叶片背面出口处产生的空蚀,与
叶片形状、工况有关。是反击式水轮机的主要空蚀形式。
❖ 间隙空蚀:当水流通过间隙和较小的通道时,局部流速
增大,压力降低而产生的空蚀。
Hs
pa
pB
H
Pa/γ=10.33
Hs
10.0
900
( m
)H
PB/γ=0.09~0.24
Hs
10.0
900
k mH
❖ 水轮机吸出高Hs是转轮叶片压力最低点到下游水面 的垂直高度Zk,与水轮机形式有关,规定如下: (1) 立轴混流式水轮机: 导叶下部底环平面到下游尾水面垂直高度。 (2) 立轴轴流式水轮机: 转轮叶片轴线到下游尾水面垂直高度。 (3) 卧轴贯流式水轮机: 叶片出口最高点到下游尾水面垂直高度。 (4) 设计尾水位高于上述高程Hs为负,反之为正。 (5) 为保证水轮机在运行中不发生空蚀,对各种工况 下Hs 进行试验,取其中较小值。
b0 : 水轮机导叶高度;D1 :转轮直径
第四节 防止空蚀的措施
流速和压力是产生空蚀最重要的两个原因,因 此要控制流速和压力的急剧变化。
1. 设计制造方面: 合理选型,叶型流线设计,表 面光滑,抗空蚀钢衬(不锈钢)。
2. 工程措施:合理选择安装高程,采取防沙、排 沙措施,防止有害泥沙进入水轮机。
3. 运行方面:避开低负荷、低水头运行,合理调 度,必要时向尾水管补气。
2. 空蚀破坏的机理 ❖ 水开始汽化→汽泡(水蒸气+空气)→进入高压区→向
汽泡中心压缩、冲击,在汽泡内形成很大的微观水 锤压力(可达几百大气压);
汽泡产生反作用力向外膨胀,压力升高,水流质点 向外冲击。
大量汽泡连续不断地产生与溃灭,水流质点反复冲 击,使过流通道的金属表面遭到严重破坏→ 机械破 坏,称为疲劳剥蚀。
形成一种对称真空涡带,引起尾水管中水流速度和压力的 脉动,在尾水管进口处产生空蚀破坏,还可能造成尾水管 振动。
❖ 局部空蚀:在过流部件凹凸不平因脱流而产生的空蚀。
翼形空蚀 空腔空蚀
间隙空蚀 局部空蚀
尾水管内的1.4真.2 V空ort涡ex O带bserved in Francis Runner
任一水轮机在既定工况下,б也是定值。 ❖ б值影响因素复杂,理论难以确定,广泛使用的
方法是进行水轮机模型试验得出бm,并认为б=бm。
二、水轮机的吸出高度
为了防止空蚀,必须限制k点的压力,使pk≥pv
pk
pa
Hs
(Wk2 W22 2g
w
V22 2g
)paHs来自H保证水轮机内不发生汽蚀的条件: pk≥ pv
三、水轮机的安装高程
1. 立轴HL:导叶中心平面高程
Za=▽w+Hs+b0/2 2. 立轴ZL:导叶中心平面高程
Za=▽w+Hs+xD1 (x=0.38~0.48) 3. 卧轴HL和GL:轴中心高程
Za=▽w+Hs-D1/2 注: ▽w :水电站设计尾水位, 选用水电站最低尾水
位(1~2台机组时取一台机组50%额定流量, 3~4台机组时取一台机组额定流量)
1.
复习题:
1 什么是空化与空蚀? 2. 2 空蚀的机理是什么? 3. 3 水轮机中常发生哪些空化? 4. 4 什么是水轮机的空化系数?水轮机空化系数有哪些特性? 5. 5 什么是电站的空化系数?电站的空化系数与水轮机空化系数有什么关系?为什么 ? 6. 6 通过什么方法如何确定水轮机的空化系数? 7. 7 如何确定水轮机的安装高程? 8. 8 从大的方面讲,防止水轮机空蚀常采用哪些措施? 9. 9 采用哪些措施防止尾水管中的空腔空化和水力振动?
叶片上压力最低点
通过研究叶片上的压力分布情况,得到叶片上压力最低点
(一般为叶片背面靠近转轮叶片出口处)K点的压力为(列K点
和2点、2点和下游水面的能量方程):
pk
pa
Hs
(Wk2 W22 2g
w
V22 2g
)
K点的真空值Hk.v:
H kv
pa
pk
H
s
(Wk2 W22 2g
w
V22 2g
)
静力真空
(涡带观察)
较大负荷时
低负荷时
第三节 水轮机的空蚀系数、吸出高和安装高程
一、水轮机的空蚀系数
❖ 衡量水轮机好坏:一是效率;二是空蚀系数。 ❖ 反击式水轮机发生空蚀破坏的根本原因是过流通道中出现
了p<pb的情况,因此防止空蚀的措施是限制p的降低,使 p≥pb。 ❖ 影响水轮机效率的主要原因是翼型空蚀,所以衡量水轮机 空蚀性能好坏一般是针对翼型空蚀而言,其标志为空蚀系 数。 ❖ 空蚀系数б是水轮机空蚀特征的一个标志,б越大,越容易 破坏 。
动力真空
❖ 静力真空Hs是吸出高度,取决于水轮机的安装 高程,与水轮机的性能无关;
❖ 动力真空hk与转轮叶型、水轮机工况、尾水管 性能有关,因此表明水轮机空蚀性能的只是动
力真空:
hk
/
H
1 2gH
(Wk2
W22
wV22 )
❖ б称水轮机的空蚀系数,是动力真空的相对值。 ❖ б与叶型、工况有关。 ❖ б与尾水管的性能有关。 ❖ 几何形状相似的水轮机,工况相似,б相同;对
10 在空化与空蚀方面,混流水轮机和轴流水轮机有什么区别?
第四章 水轮机的空化与空蚀
第一节、水轮机的空化与空蚀
1. 概念
❖ 沸腾:水在一定压力下加温引起的汽化; ❖ 空化:环境温度不变压力降低引起的汽化。
空化压力:在给定温度下,液体开始汽化的临界压力。 空蚀:当空化产生的空穴进入压力较低的区域,开始变成较 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,引起过流表面的材料破坏。
❖ 汽泡被压缩,由于体积缩小,汽化破坏时水流质点 相互撞击,引起局部温度升高(可达到300℃),汽泡 的氧原子与金属发生化学反应,造成腐蚀;同时由 于温度升高,产生电解作用→化学腐蚀。
3. 空蚀造成的危害
❖ 使过流部件机械强度降低,严重时整个部件受 到破坏。
❖ 增加过流部件的糙率,水头损失加大,效率降 低,流量减小,出力下降。
❖ 机组产生振动,严重时造成厂房振动破坏。 ❖ 缩短了机组检修的周期,增加了检修的复杂性。
消耗钢材、延长工期。
第二节 水轮机空蚀类型
❖ 翼形(叶片)空蚀:转轮叶片背面出口处产生的空蚀,与
叶片形状、工况有关。是反击式水轮机的主要空蚀形式。
❖ 间隙空蚀:当水流通过间隙和较小的通道时,局部流速
增大,压力降低而产生的空蚀。
Hs
pa
pB
H
Pa/γ=10.33
Hs
10.0
900
( m
)H
PB/γ=0.09~0.24
Hs
10.0
900
k mH
❖ 水轮机吸出高Hs是转轮叶片压力最低点到下游水面 的垂直高度Zk,与水轮机形式有关,规定如下: (1) 立轴混流式水轮机: 导叶下部底环平面到下游尾水面垂直高度。 (2) 立轴轴流式水轮机: 转轮叶片轴线到下游尾水面垂直高度。 (3) 卧轴贯流式水轮机: 叶片出口最高点到下游尾水面垂直高度。 (4) 设计尾水位高于上述高程Hs为负,反之为正。 (5) 为保证水轮机在运行中不发生空蚀,对各种工况 下Hs 进行试验,取其中较小值。
b0 : 水轮机导叶高度;D1 :转轮直径
第四节 防止空蚀的措施
流速和压力是产生空蚀最重要的两个原因,因 此要控制流速和压力的急剧变化。
1. 设计制造方面: 合理选型,叶型流线设计,表 面光滑,抗空蚀钢衬(不锈钢)。
2. 工程措施:合理选择安装高程,采取防沙、排 沙措施,防止有害泥沙进入水轮机。
3. 运行方面:避开低负荷、低水头运行,合理调 度,必要时向尾水管补气。
2. 空蚀破坏的机理 ❖ 水开始汽化→汽泡(水蒸气+空气)→进入高压区→向
汽泡中心压缩、冲击,在汽泡内形成很大的微观水 锤压力(可达几百大气压);
汽泡产生反作用力向外膨胀,压力升高,水流质点 向外冲击。
大量汽泡连续不断地产生与溃灭,水流质点反复冲 击,使过流通道的金属表面遭到严重破坏→ 机械破 坏,称为疲劳剥蚀。