浅谈水轮机的空化和空蚀机理以及抗空化的措施

在水轮机运行中,通常在空化程度还不足以对水轮机工作特性产生可测影响前,空化已经开始。由于水力机械中的水流是比较复杂的,空化现象可以出现在不同的部位及在不同条件下形成空化初生,在水轮机转轮流道内及在其过流部件的局表面上,往往会发生空化而后引起空蚀。轻微的只有少量蚀点,在严重的情况下,空蚀区的金属材料被大量剥蚀,致使表面成蜂窝状,甚至有使叶片穿孔或掉边的现象,严重威胁着机组的安全运行。因此,改善水轮机的空蚀性能已成为水力机械设计及运行人员的重要任务。文章就空化和空蚀性形成机理进行初步的分析,并提出防止措施。     

水工混凝土高速水流空蚀破坏机制试验研究

基于Venturi空化空蚀发生装置,开展了混凝土材料高速水流空蚀试验研究,探讨了空化泡溃灭区水动力荷载特性及影响因素、不同空化荷载作用下混凝土材料的破坏特征及空蚀破坏发展进程。研究表明,空化泡群溃灭在混凝土壁面产生高频、持续、非恒定的脉冲荷载,试验条件下实测主作用区荷载幅值为400～800 k Pa,混凝土材料发生疲劳破坏可能性较大;混凝土材料空蚀破坏经历表面水泥浆到细骨料再到粗骨料逐渐发展的过程,表现为各种成分之间的剥离脆性破坏,各成分间的粘结强度是混凝土抗空蚀性能的主要影响因素;从空蚀形貌及蚀损面积看,空蚀过程可分为初期表面小的蚀坑并不断扩大、多个蚀坑连通表面加速破坏、大的空蚀区域边界稳定扩展三个阶段。     

清徐原水直供蓄水池坝下穿管防空蚀措施

温度不变的条件下,因压力下降而形成汽相的过程,称之为空化,空蚀是空化的后果,并非所有空化都造成材料的损坏,只有不稳定的空化,如不定常流动中出现的空化或封闭空泡的尾端,才会引起空蚀。文章针对引黄入晋工程调蓄水池坝下穿管出现的有压过流空蚀问题进行了阐述,对水跃现象、过流问题以及材料抗空蚀性能较弱这三个主要问题进行了分析,并提出了相应的应对措施。     

关于西藏正在兴修水电站预防水轮机空化与空蚀技术探讨

空蚀带来各种恶劣后果,在水力机械领域,空蚀被称为水力机械的癌症,成为水电厂机组运行和检修的难题。以分析水轮机空化与空蚀的内因和影响水轮机空化与空蚀的因素为基础,探讨水轮机空化与空蚀预防技术。     

金属材料的抗空蚀性能与应变能间的关系

空蚀是空化水流的破坏能力和材料的抗空蚀能力的综合结果。空蚀问题涉及流体动力学、材料学和物理化学,三者者互关联。影响空蚀的因素主要有流动特征、液体性质和材料性能。迄今为止,人们通常用金属材料的硬度来衡量材料的抗空蚀性能。但是,     

垂直汇流漩涡空化的声测研究

漩涡空化一直是空化空蚀研究中的一个重要问题。本文根据工程中交汇水流漩涡空化空蚀的实例,设计并制造了垂直汇流漩涡空化空蚀的试验模型,用NHC型水下噪声多通道瞬态采集、存贮和处理系统研究了这种漩涡空化的流动形态和空化噪声特征,首次给出了这种漩涡空化模型空化数的计算式、空化噪声声压级与流速及支流管厚度的定量关系。     

旋转圆盘内不同转速的空化特性研究

为了研究不同转速对旋转圆盘空化性能的影响,以卧式旋转圆盘试验装置为例,建立全流道几何模型,使用CFD数值模拟软件,模拟不同转速工况下的情况,对结果进行分析表明:随着转速的上升,在旋转圆盘空蚀源和试件之间的压力降低,同时低压面积增大,低压区越靠近空蚀源压力越低,其空化越严重;当转速为2 000 r/min时,旋转圆盘空蚀源外边缘开始出现空化,随着转速的上升,旋转圆盘上出现空泡的面积不断扩大,而且越靠近空蚀源边缘,空泡体积分数越大。定义了旋转圆盘空化系数并得到了旋转圆盘转速n与空化数σ关系曲线,随着转速的上升,空化数σ不断降低。     

高海拔地区气压环境对高速水流空化特性的影响

为定量评价高海拔地区的低气压环境对水流空化特性的影响程度,通过理论计算单气核临界压强在不同气压条件下的变化,分析单气核临界压强变化对初生空化数的影响程度,并进行不同海拔高程下水流空化数的敏感性分析。研究成果表明:低气压环境下,气核初生空化数和水流空化数均减小,但水流空化数减小的程度远远大于初生空化数减小的程度,其他条件相同的前提下,高海拔地区的高速水流空化空蚀风险增大。研究结论可为高海拔地区高速水流的空化空蚀设计和评价提供参考。     

桃源水电站尾水位降低对机组安全性的影响评估

近年来,桃源水电站受两次河道整治影响,尾水位降低,导致最大水头变大,超出了机组设计的运行范围,影响机组的安全运行。基于桃源水电站实际运行水位数据,分析了电站尾水位降低情况,获取了实际运行可能出现的最大水头;对该水头下水轮机主要部件的强度进行了复核,分析了最大水头变化后机组运行情况,复核了空化性能。从评估结果来看,最大水头提高后,部分部件强度超出标准值,空化情况将加重,机组运行安全性方面存在风险。     

含沙水流空化与空蚀特性初探

高速含沙水流中的空化与空蚀现象是多泥沙河流高水头泄水建筑物、水力机械等所面临的重要工程问题之一。它与一般清水工程中的空化与空蚀现象的差别在于泥沙效应的存在。含沙水流作为一种特殊的固一液两相流动介质,当含沙浓度或泥沙粒径组成变化时,流动介质的运动特性、物化特性等也会产生相应的变化,从而对空化与空蚀现象产生特定的影响。     

泥沙直径对旋转圆盘装置空化性能的影响研究

空化会造成水力机械发生振动,效率下降,而影响空化的因素有很多。为了研究不同泥沙直径对旋转圆盘空化性能的影响,使用SST k-ω湍流模型和Zwart-Gerber-Belamri空化模型对某一卧式旋转圆盘进行全流道三相流动数值模拟。结果表明:旋转圆盘空蚀源附近压力最大值随泥沙直径的增大而减小;当泥沙直径小于0.040 mm时,压力差随泥沙直径的增大而减小,而当泥沙直径大于0.040 mm时,压力差随泥沙直径先快速增大后基本不变;泥沙分布最少的区域为试件所放置的位置,且随着泥沙直径的增大,旋转圆盘空蚀源附近的最大泥沙体积分数和面积均快速增大;当泥沙直径小于0.060 mm时,旋转圆盘的空化受抑制,当泥沙直径大于0.060 mm时,旋转圆盘的空化受促进。     

柏叶口水库溢洪道底板压力分布及抗空蚀性能分析

为了防止柏叶口水库溢洪道发生空化空蚀破坏,在常压下对溢洪道的底板压力及抗空蚀特性进行了水工模型试验。试验采用整体正态水工模型,模型的比尺为50∶1。通过模型测试校核洪水和设计洪水下溢洪道泄洪时的底板流速和压力分布,并根据空化理论模型计算底板沿程的空化数分布,分析空化发生的可能性,对建筑物的抗空蚀特性进行分析。试验得到校核洪水和设计洪水情况下,泄槽最小空化数分别为0.35和0.40,其位置为反弧段起点附近。试验结果和分析表明,为了防止溢洪道发生空蚀破坏,可以通过控制溢洪道的不平整度来实现。     

含沙水中襟翼高度对混流式水轮机空化性能的影响

空化空蚀是水轮机在运行过程中存在的常见现象,其不仅会造成水轮机的性能变差,甚至会威胁机组的安全稳定运行。文章以具体工程为背景,通过数值模拟的方法研究了含沙水中襟翼高度对混流式水轮机空化性能的影响。综合模拟计算结果,建议在水轮机设计中设置襟翼,其高度建议为20mm。     

水轮机空化、空蚀的预控与处理

针对金盘子水电站投运以来水轮机出现的空蚀情况,分析了空化和空蚀产生的原因,阐述了水轮机空化和空蚀的预控措施,介绍了一种费用低廉且效果显著的空蚀处理工艺方法。     

渐扩式泄洪洞出口水流模拟及空化 特性预测研究

为了获得泄洪洞出口段在高速水流情况下的水流特征,分析空化及其对结构可能存在的空蚀破坏影响,本文采用了VOF（Volume Of Fluid）方法,并结合Realizable k-ε紊流模型,对泄洪洞水流进行了三维数值计算。计算获得了压强、流速及水深的三维分布参数,并将部分计算结果与设计值验证,吻合较好。通过引入自定义函数方式计算了整个流场的空化数,获得了泄洪情况下泄洪洞高速水流空化数分布规律及易发生空化空蚀的区域。     

大型泄洪洞高速水流的研究进展及风险分析

高水头、大流量泄洪洞内高速水流问题主要问题之一是水流空化引起过流表面空蚀。几个实际工程泄洪洞发生空蚀破坏的实例表明反弧段下游一定范围是容易发生空化空蚀的敏感部位，其主要原因是由于反弧段内的水流流速高，流态复杂，在水流离心力的作用下沿程压力梯度大，水流掺气条件差，缺乏有效的掺气保护。掺气减蚀是解决泄洪洞过流表面空蚀的有效措施，对水流进行三维掺气的减蚀技术有了较大进展。“龙落尾”式和 “龙抬头”式是高水头、大流量泄洪洞的两种常用布置型式，风险分析认为“龙落尾”式泄洪洞布置对地形地质的适应性更好，即使发生事故对大坝的安全威胁小，也更具有抗风险的能力。     

溢洪道底板空蚀发生位置及抗空蚀措施分析

以肯斯瓦特水利枢纽工程为例,通过水工模型试验,测试其设计水位工况下和泄洪消能标准水位工况下溢洪道泄洪时底板的流速及压力分布,并根据空化理论模型对其底板沿程空化数进行了计算。结果表明:可以通过溢洪道流速特性和底板压力分布来分析过流面的空化空蚀特点;在实际工程中,可采用优化过流面的体形、设置掺气减蚀设施、控制溢流面的不平整度以及使用抗空蚀材料等方法来防止空化和空蚀的发生。     

一起水轮机压力平衡管漏水的应对与处理

笔者介绍了一起因空蚀导致水轮机压力平衡管漏水事件的应对方法。利用超声波测量固定通流部件的厚度是间接评估水轮机解体前的空蚀的有效手段。通过间接测量的方式对水轮机压力平衡管和顶盖上环板空蚀程度进行评估,对空蚀原因进行了分析。采用抗空蚀材料是减小空蚀量的有效手段,转轮上止漏环至压力平衡管区域的顶盖下环板可以局部选用不锈钢材质来提高抗空蚀性能,为电站安全运行创造条件。     

浑水条件下偏心铰弧形闸门的空化空蚀

在空化空蚀试验台上，对黄河小浪底水利枢纽排沙洞偏心铰弧形闸门顶水封的1:1切片，进行缝隙空穴流试验。直接观测其在清、浑水条件下原型可能出现的空化空蚀状况。同时，分析了浑水对空化的影响后表明，浑水的产压级高于清水，浑水的空蚀强度大于清水，且均随浑水的浓度增加而加大。     

浑水条件下偏心铰弧形闸门的空化空蚀

在空化空蚀试验台上，对黄河小浪底水得 纽排沙洞偏心铰弧形闸门顶水封的１：１切片，进行缝隙空穴流春在清、浑水条件下原型可能出现的空化空蚀状况。同时，分析了浑水对空化的影响后表明，浑水的声压级高于清水，浑水的空蚀强度大于清水，且均随浑水的浓度增加而加大。