第五章 水轮机汽蚀.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,能源动力工程学院 何宝海,第五章 水轮机的空化与空蚀,第一节 基本概念,第二节 空蚀的机理,第三节 空化与空蚀的类型及评定标准,第四节 空化系数,第五节 水轮机的吸出高度和安装高程,第六节 影响水轮机空蚀的因素,第七节 水轮机抗空化的措施,第一节 基本概念,一、空化（汽蚀）与沸腾,由于液体具有汽化特性，则当液体在恒压下加热，或在恒温下用静力或动力方法降低其周围环境压力，都能使液体达到汽化状态。,0,5,10,20,30,40,50,60,70,80,90,100,0.06,0.09,0.12,0.24,0.43,0.72,1.26,2.03,3.18,4.83,7.15,10.33,汽化压力（,mH,2,O,）,水的温度（）,1mH,2,O=9806.65p,a,在给定温度下，水开始汽化的临界压力叫做水的,汽化压力,。,二、空化与空蚀（汽蚀侵蚀）,空化,在液体中形成空穴（气核）使流体的连续性遭到破坏，它发生在压力下降到某一临界值的流动区域中。在空穴中主要充满着液体的蒸汽以及从溶液中析出的气体。当这些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，这个过程称为,空化,。,空蚀,是指因空泡的溃灭，引起过流表面的材料损坏。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。,空蚀,是空化的直接后果，空蚀只发生在固体边界上,。,空化,过程可以发生在液体内部，也可以发生固定边界上,。,内因：,外因：,第二节 空蚀的机理,空蚀破坏,空蚀破坏,一、空蚀机理,3.,电化作用,1.,机械作用,2.,化学作用,4.,热力熔化作用,5.,联合作用,第二节 空蚀的机理,第二节 空蚀的机理,二、空蚀对水轮机运行的影响,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。,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。,3,空化和空蚀严重时，可能使机组产生强烈的振动、噪音及负荷波动，导致机组不能安全稳定运行。,三、空蚀与磨损,空蚀：,磨损,：,破坏位置特点：,作用关系：,发毛、变暗、失去金属光泽；蜂窝状；,划痕、麻点；沿水流方向的鱼鳞坑。,第二节 空蚀的机理,空化经常在绕流体表面的,低压区或流向急变部位,出现。最大空蚀区位于空穴长度的下游端，但整个空蚀区是由最大空蚀点在向上下游延伸的一个范围内。,1.,翼型空化和空蚀,一、汽蚀的类型,由于水流绕流叶片引起压力降低而产生，与叶片翼型断面的几何形状密切相关，所以称为翼型空化和空蚀。,第三节 空化与空蚀的类型及评定标准,1.,翼型空化和空蚀,(,翼型汽蚀）,翼型汽蚀与运行工况有关，当水轮机处在非最优工况时，则会诱发或加剧翼型汽蚀。,翼型汽蚀是混流式水轮机主要的汽蚀形式。,2.,间隙汽蚀,间隙汽蚀是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一种汽蚀形态。,混流式：,间隙汽蚀是轴流式水轮机主要的汽蚀形式。,轴流式：,冲击式：,3.,局部汽蚀,转桨式水轮机,的局部汽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；局部汽蚀还可能发生在叶片固定螺钉及密封螺钉处。,局部汽蚀,主要是由于结构原因或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。,混流式水轮机,间隙汽蚀、局部汽蚀、,与运行工况的关系,4.,空腔汽蚀,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，而旋转的涡带周期性地与尾水管壁相碰，引起尾水管壁产生汽蚀，称为空腔汽蚀。,空腔汽蚀,在较大负荷时，尾水管中涡带形状呈柱状形，几乎与尾水管中心线同轴，直径较小也较为稳定，尤其在最优工况时，涡带甚至可消失。但在低负荷时，空腔涡带较粗，呈螺旋形，而且自身也在旋转，这种偏心的螺旋形涡带，在空间极不稳定，将发生强烈的空腔汽蚀。,除对转轮上冠及尾水管产生破坏作用外，还引起压力脉动、机组振动，产生噪音，影响机组的稳定运行。,二、汽蚀的评定标准,汽蚀部位的面积；,汽蚀深度的最大值和平均值。,汽蚀指数：,单位时间内叶片背面单位面积上的平均汽蚀深度，用符号,K,h,表示。,汽蚀体积（,m,2,.mm,),叶片背面总面积（,m,2,),有效运行时间（,h,),复习,汽蚀的概念,汽蚀的类型、发生的原因、破坏部位,第四节 空化（汽蚀）系数,一、水轮机的汽蚀系数,衡量水轮机性能常用两个重要参数：效率和汽蚀系数。,汽蚀由压力降低引起，因此为了确定汽蚀系数必须了解,压力分布,，确定压力最低点的压力值。,不发生汽蚀的条件：,压力最低点的压力不小于当时温度下水的汽化压力，即,效率高,能充分利用水能；,汽蚀系数小,水轮机在运行中不易发生汽蚀破坏。,一、水轮机的汽蚀系数,设最低压力点为,k,点，其压力为,P,k,，,2,点为叶片出口边上的点，压力为,P,2,，,a,点为下游水面上的点，,P,a,为下游水面上的压力，若下游为开敞式的，则为大气压力。列出,k,点和,2,点水流相对运动的伯努力立程式,水轮机流道示意图,若,则有,为了求出,2,点的压力，列叶片出口处,2,点与下游断面,a,点间水流绝对运动的伯努力方程式,一、水轮机的汽蚀系数（续,1,）,若,式中,则,K,点的,真空度,为,一、水轮机的汽蚀系数（续,2,）,1.,静力真空,静力真空又称为吸出高度，它与水轮机安装高程有关。取决于转轮相对于下游水面的装置高度，而与水轮机型式无关。,一、水轮机的汽蚀系数（续,3,）,动力真空值由水轮机转轮和尾水管所形成，它与水轮机的流速水头、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.,动力真空,同一水轮机应用于不同水头时，其值也不同。为此采用动力真空的相对值来表示它的汽蚀性能。,汽蚀系数,尾水管,恢复系数,若,则,一、水轮机的汽蚀系数（续,4,）,汽蚀系数的几点说明：,是动力真空的相对值，是一个无因次量，其值与转轮叶片翼型的几何形态、运行工况和尾水管性能有关；,同型号水轮机相似工况下 值相同；,同型号水轮机不同工况下 值不同；,的大小表示该水轮机在该工况下抗汽蚀性能的好坏；,二、水轮机装置的汽蚀系数,以动力真空和静力真空表示：,上式两端同时减掉汽化压力，并同时除以工作水头，则有,令,则有,装 置,汽蚀系数,二、水轮机装置的汽蚀系数,不发生汽蚀条件的另一表达形式,当装置安装完毕后，在工作水头一定时其值,不变,。,第五节,水轮机的吸出高度和安装,高程,一、吸出高度的确定,1.,吸出高度的规定,吸出高度有正、负之分。,当吸出高度计算点（,即压力最低点,）在下游尾水位高程以上时，,H,S,为正值；若在下游尾水位高程以下则,H,s,为负值。,1.,吸出高度的规定,a,）立轴轴流式和斜流式水轮机的,H,S,为转轮标称直径计算点高程与下游尾水位高程之差；,b,）立轴混流式水轮机的,H,S,为水轮机底环平面高程与下游尾水位高程之差；,c,）卧轴水轮机的,H,S,为转轮叶片最高点高程与下游尾水位高程之差。,吸出高度有正、负之分,当吸出高度计算点在下游尾水位高程以上时，,H,S,为正值；若在下游尾水位高程以下则,H,s,为负值。,2.,吸出高度的计算,则有,考虑到原、模型之间的差异，并留有一定的安全裕度，得到,水轮机安装高程，在初步设计时可用下游最低尾水位计算。,1,-,2,台机组时，取一台机组,50%,负荷时相应的下游尾水位。,多台机组时，取一台机组满负荷时相应的下游的尾水位。,2.,吸出高度的计算,与水头有关，根据设计水头可在曲线上查取。,选较大值的情况,水轮机经常工作在最大水头条件下；,采用地下式厂房。,选较小值的情况,机组台数较多；,转轮材料抗汽蚀性能较好。,可按下述原则选取：,水质不好，含沙、含气量大，水温偏高；,二、安装高程的确定,1.,安装高程的规定,a,）立轴,反击式水轮机安装高程规定为导叶水平中心线高程；,b,）卧轴水轮机，安装高程规定为主轴中心线的高程。,2.,安装高程的计算,立轴混流式水轮机,立轴轴流式水轮机,卧轴反击式水轮机,X,水轮机结构高度系数，对,轴流式,取,0.41,。,第六节 影响水轮机空蚀的因素,二、制造,1.,工作水头,三、运行,2.,出力,3.,下游水位,一、设计,第七节 水轮机抗空化的措施,一、改善水轮机的水力设计,1.K,点靠近出口边；,3.,进水边与叶片正背面型线的连接要光滑，半径为,(0.20.3),最大厚度。,2.,在满足强度和刚度要求的条件下，叶片要尽量薄,4.,采用襟翼结构,（长短叶片）。,第七节 水轮机抗空化的措施,5.,尽可能采用小而均匀的间隙,。,7.,加长转轮的泄水锥、加长尾水管的直锥管部分和其加大扩散角。,6.,叶片端部背面装设防蚀片。,第七节 水轮机抗空化的措施,二、提高加工工艺水平，采用抗蚀材料,1.,材料硬度的影响,:,2.,极限拉伸强度：,3.,材料的弹性：,4.,材料的晶粒性质：,一般硬度高的材料抗蚀能力强。,材料的拉伸强度、屈服强度及延性越大，,其抗蚀能力越强,。,高弹性体类材料，具有很高的延性，弹性模量很低，在低强度空化作用时，不发生汽蚀，而在较高强度汽蚀中会产生较突然的彻底破坏。,材料的晶粒越细密，抗蚀能力越强，一般说来，合金能改善金属的晶格结构，因而能提高抗蚀性能。,5.,材料内部的非溶解物：,金属材料中含有不纯物质则大大降低其抗空蚀能力。铸铁（游离石墨）。,第七节 水轮机抗空化的措施,三、改善运行条件并采用适当的运行措施,综上所述，抗蚀材料应具有韧性强、硬度高、抗拉力强、疲劳极限高、应变硬化好、晶格细、好的可焊性等综合性能。,合理拟定水电厂的运行方式，要尽量保持机组在最优工况区运行，在非设计工况下运行时，可采用在转轮下部补气的方法，对破坏偏心涡带形成，减轻空腔汽蚀、振动有一定作用。,1.,主轴中心补气,2.,尾水管补气,本章教学要求,了解汽蚀现象及其发生的原因；,掌握水轮机汽蚀的类型；,掌握水轮机汽蚀系数的意义；,吸出高度和安装高程的规定；,吸出高度和安装高程的计算；,掌握水轮机抗汽蚀的措施。,。,公式：,1.,汽蚀系数；,2.,吸出高度及安装高程。,