水利机械空化

第七章水力机械的空蚀破坏

§7-1 水力机械的空化现象简介

一、水力机械中的空化形态

水力机械中可能存在的空化：游移空化，固定空化，漩涡空化。

导流面来流方向突然发生变化，易出现固定型空化；导流面来流方向逐渐变化，且冲角较小则可能出现游移空化；

叶轮出口边（转轮进口边）、叶轮与固定件之间的间隙处，由于压力的急剧变化，常出现漩涡空化。

偏离最优工况的水轮机尾水管中常出现漩涡空化。

在固定空化出现的同时，在固定空泡的表面也伴随有游移空泡产生。

二、水力机械中空化现象的分类

通常不按空化的基本形态分类，而按空化发生的部位分类，分成四类：

翼型空化，间隙空化，空隙空化，局部空化。

1、翼型空化——叶片式水力机械普遍存在的一种空化现象（1）翼型空化与翼型几何形状有关

图7-1：反击式水轮机叶片

空化一般发生在叶片的背面：Ⅰ区和Ⅲ区；

Δβ<0时，空化将发生在Ⅱ区。

图7-1 翼型空化部位示意图

翼型空化与翼型几何形状的关系：

图7-2：对称翼型压力分布

压力分布情况：A 、B 两个低压区；空化：可能在四个部位出现空化区。

当系统p 下降时，首先在A 点发生空化；p 进一步降低，空泡长度延伸；有可能B 点尚未出现空化前，A 点空泡下游端已到达B 点。若p 再进一步下降，空泡长度会有较大的增长。

图7-2 对称翼型的压

力分布

翼型特征：

头部为半圆形；

尾部的断面逐渐变尖

图7-3：

将图7-2翼型头部稍加修改：用一个二倍柱径的尖拱代替圆头，见图7-3。

低压点仍为二个（A 、B 点），但A 点已向下游移动，负压绝对值减小。

当p 下降到一定值时，空泡将包围整个翼型，只在头部有限区域存在正压区。

结论：翼型空化可以靠改变翼型的几何形状加以改变。

图7-3 尖拱二维柱体的

压力分布

（2）翼型空化与运行工况有关

以水泵为例，泵工况发生变化时，进口相对速度和大小发生变化。见图7-4

设在叶片进口处为法向入流，β

—叶片进口安放角；

1

β′

：小流量时叶片进口相对水流角；

1

β′′

：大流量时叶片进口相对水流角。

1

小流量时：空化区发生在叶片背面。

大流量时：当进口相对水流角大于叶片角时，空化区发生在叶片工作面。

图7-4 叶片进口速度

2、间隙空化

各类叶片式水力机械，均有可能存在间隙空化。

是由于水流通过窄小的通道，引起局部流速升高，压力降低而产生的一种漩涡空化。图7-5：轴流式水轮机叶片与转轮室的间隙处出现的空化与空蚀的部位示意图。图7-5 间隙空化示意图

反击式水轮机出现间隙空化的部位：

（1）导叶与顶盖间隙处；

（2）导叶与底环间隙处；

（3）转轮各种迷宫环之间；

冲击式水轮机出现间隙空化的部位：

水斗式水轮机的喷嘴与喷针之间。

间隙空化的特点：范围不大，破坏严

重。高水头水轮机尤为突出。

3、空腔空化——反击式水轮机所特有的一种漩涡空化。尤以混流式水轮机最为突出。

出现情况：水轮机在非设计工况下运行。叶片出口水流不再保持法向出流，v u2≠0，此旋转水流在尾水管中产生回流。当回流达到转轮区后，在转轮作用下，在尾水管中心区形成强制涡，在水流不对称流动下，涡流偏心形成螺旋状涡带。当涡带中心压力低于汽化压力或含气量足够大时，涡带内形成空腔——空腔空化（见图7-6）。空腔空化造成机组振动和运行的不稳定。

图7-6 水轮机尾水管中的空腔空化

4、局部空化——只出现在某一很小范围

形成原因：铸造和加工缺陷形成过流件表面不平整，砂眼、气孔等引起的局部流态突然变化而造成。

上述四种空化引起的空蚀破坏分别称为：翼型空蚀、间隙空蚀、空腔空蚀、局部空蚀。

ξ7-2 反击式水轮机的空化特性

常用空化数σ来评价水轮机空化特性。

图7-7：水轮机装置简图。

推导水轮机空化系数用。

图中：0点—表示上游；1点和2点—表示工作叶轮片的进口和出口；

3点—表示下游；1’点和2’点—表示与1和2点紧邻的工作轮外两点。

图7-7 水轮机装置简图

将式（

式中

Δh K-3—K点到3点的水头损失；H g—吸出高度，即安装高度，以下游水面为

由式（

讨论：

1. σy=σ即装置空化系数等于水轮机空化系数时。工作轮

中最低压力点的压力（P

K ）=汽化压力（P

v

），为水轮机

空化的临界状态；

2. σy>σ时，则P K>P v，工作轮中不会产生空化；

3. σy<σ时，则P K

如何控制工作轮中最低压力点的压力值（P

K

）

控制P

K

—需调节σy和σ的大小比例。

σ：对于某一系列水轮机在相似工况下，水轮机空化系数σ是一个常数。

σ：由式（

图7-8 HL240水轮机综合特性曲线。

（图中虚线为等空化系数σ线）

p

∇

用K

c ）对不同运行工况：σ不同，H 也不同，故H g 值不同。因此：在确定H g 时，要针对几个水头及相应工况分别进行计算，取H g 最小值。

确定H g 的图解分析法。由式（7-12）确定H g ：优点：简单

不足：不能全面考虑水电站实际运行情况，特别对多台机组、机组型号不一，而运行工况又多变的电站，此方法就显得粗略。图解分析法可避免这一矛盾。

有关图解分析法请参看有关文献，（此处略）。