第三节水轮机的空化系数与吸出高度

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1、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有两个重要参数，一个参数是效率，表示能量性能，另一个参数是空化系数，表示空化性能。所以，一个好的水轮机转轮必须同时具备良好的能量性能和空化性能，即既要效率高，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汽蚀破坏。本节将分析和推导叶片不发生空化的条件和表征水轮机空化性能的空化系数。图4-6为一水轮机流道示意图，设S低压力点为f点，其压力为2点为叶片出口边上的点，压力为点为下游水面上的点，G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f点和2点水流相对运动的伯努力立程式(4-2)A++2g.2g

2、=Z2+pg+2g.+式中^一一由X到2点的水头损失。由于尤点和2点非常接近，故可近似地认为则上式为傳=XB+2g+（Z】-Zr）+^a（4-3）为了求出2点的压力，可取叶片出口处2点与下游断面＜2点间水流绝对运动的伯努力方程式A+傳+奴=傳+奴+（4-4）式中■—由2点到a点的水头损失，由于出口流速很小可以认为11,则上式可写成Afin+(4-5)将式（4-5）代入式（4-3）可得煤=煤(4-6)式中=则K点的真空值为昼HZi-Z.(4-7)flS=fiSf€由式（4-7）可知，疋点的真空由两部分组成:1.1.1.动力真空图4-6翼型空化条件分析动力真空值由于水轮机的转轮和尾水管所形

3、成，它与水轮机各流速水头、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。2.2.2.静力真空。静力真空=2•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而的装置高度，而与水轮机型式无关。将式（4-6）方程式两端同时减去flf和各除以水头打后可得(4-8)7■=韈式中—尾水管的恢复系数(4-9)P.Pr„PRPR(4-10)称=为水轮机空化系数；~为水电站空化系数。则式（4-8）可写成oH=o>-cr(4-11)由式（4-9）可知，C是动力真空的相对值，是一个无因次量，该位与水轮机工作轮翼型的儿何形态、水轮机工况和尾水管性能有关。对某一儿何形状既定的水轮机

4、（包括尾水管相似，在既定的某一工况下，其O值是定值。对于几何形状相似的水轮机（包括尾水管相mD似），根据相似理论在相似工况点（相等）速度三角相似，则各速度的相对值相等。在相似工况点，尾水管恢复系数亦相等，所以f相等。由此可知，f是反映水轮机空化的一个相似准则。由式（4-10）可知，当下游水面为大气压力时，电站空化系数仅取决于转轮相对于下游水面的相对高度，仅表示离开空化起始点的表征值。由式（4-11）可知，当f点压力&降至相应温度的汽化压力&时，则水轮机的空化处于临界状态，此吋=°■:当％＞〃吋，则工作轮中最低压力点的压力工作轮中不会发生空化；当时，则工作轮中最低压力点工作轮中将发生空化

5、。通过以上分析可知，通过选择适当的&值来保证水轮在无空化的条件下运行。二、水轮机的吸出高度1.吸山高度的计算公式水轮机在某一工况下，其最低压力点处的动力真空值是一定的，但其静力真空却与水轮机的装賈髙程有关，因此，可通过选择合适的吸出高度A来控制X点的真空值，以达到避免空化和空蚀的目的。为了避免在转轮叶片上的空化，必须使K点压力大于水流的饱和汽化压力，即傳傳傳p.P,„figPS将上式整理后得(4-12)傳保式屮》—水轮机安装位置的大气压。考虑到标准海平而的平均大气压为10.33mH2O,在海拨髙程3000米以内，每升髙900m大气压降低lmH2O,因此当水轮机安装位賈的海拨高程为Vm时

6、，有煤500（mH2O）«—相应于平均水温下的汽化压力。考虑到水电站压力管道中的水温一般为5〜20V^-=0.09-0.24对于含量较小的清水质，可取AS(mH2O)；■一水轮机实际运行的空化系数，f值通常由模型试验获収，但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=■作修正，取在实际应用时，常将式(4-12)简写成(4-13)(4-14)式屮▽一水轮机安装位置的海拨商程，在初始计算屮可取为下游平均水位的海拨商程;—模型空化系数，各种工况的■■值可从该型号水轮机的模型综合特性曲线中查取；Ac—空化系数的修正值，可根据设计水头由图4-7屮查取；H一水轮机

7、水头，一般取为设计水头#r。轴流式水轮机还应用最小水头#1^，混流式水轮机还应用最大水头好疆及对应工况的a■进行校核计算；&一水轮机的空化安全系数，根据技术规范，对于转桨式水轮机，取&=11;对混流式水轮机，可采用表4-3中的数据。表4-3水轮机水头与空化安全系数&关系水头HH(m)30〜100100〜250250以上安全系数1.151.201吸出高度当然，吸出高度£3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