考慮水質(zhì)狀況的水輪機裝置空化系數(shù)和安裝高程的計算理論

易吉林，王 磊

（1. 構(gòu)皮灘發(fā)電廠，貴州 余慶 564408；2. 華電電力科學(xué)研究院，杭州 310030）

前言

正確確定水輪機裝置的吸出高度是防止水輪機在運行中發(fā)生空蝕破壞的首要條件。長期以來，在國內(nèi)外水輪機技術(shù)的書籍和文章中，幾乎都把水發(fā)生空化時的壓力條件定為水的汽化壓力或飽和蒸汽壓力，而且多采用20℃清水的汽化壓力0.24m水柱高作為水輪機轉(zhuǎn)輪發(fā)生空化的條件[1-4]。

空化與汽化是兩個完全不同的物理過程?？栈腔谒袛?shù)量巨大、體積甚小的氣核初始狀況，在壓力降低時膨脹的氣體多變過程，而汽化則是由水向蒸汽轉(zhuǎn)化的相變過程。在溫度20℃時清水的臨界空化壓力與水的汽化壓力平均值大體相等，即0.24m水柱高。因此工程上多把20℃時水壓降至0.24m水柱高作為水體空化發(fā)生的邊界條件。

近些年，通過對不同水質(zhì)狀況下的空化壓力特性的測定與研究，發(fā)現(xiàn)清水的初生、臨界空化壓力值隨海拔高度的增加而增大。含沙水的初生、臨界空化壓力隨泥沙濃度的增大而增大，近似呈線性關(guān)系[5-7]。水體的空化壓力特性受海拔高度、泥沙濃度的影響。因此考慮這些重要影響，有必要對水電站水輪機裝置吸出高度計算方法進行修正和完善，不僅具有重要的理論意義，更具有重要的工程實用價值。

1 自然水的空化壓力特性

純水，即不含任何異相介質(zhì)的水（在自然界并不存在）具有同金屬相近的抗張強度，不可能發(fā)生空化[8]。自然界存在的水中均含有大量的、體積甚小的氣體微團，稱為氣核，以及固體微粒，如泥沙、塵土、有機物等，使水幾乎沒有了抗張能力。當(dāng)壓力下降時，水的內(nèi)部能產(chǎn)生空泡或者空穴，即發(fā)生空化。當(dāng)大量的空泡或空穴在構(gòu)件表面崩潰時，產(chǎn)生頻率較高的微觀水擊，使材料疲勞破壞，這就是空蝕的主因[9]。

文獻[5]通過對不同海拔高度下水電站清水的空化壓力特性的測定與研究，得出清水的初生、臨界空化壓力值隨海拔高度的增加而增大，如圖1所示。文獻[6,7]對青銅峽水電站不同泥沙含量下水質(zhì)的空化壓力特性進行測定，得出含沙水的初生、臨界空化壓力隨泥沙濃度的增大而增大，近似呈線性關(guān)系，如圖2所示。隨地點海拔高度的增大，宇宙射線電離量增加，從而激發(fā)水體中氣核數(shù)量增多、尺寸增大，導(dǎo)致了水體空化壓力值的增加；含沙水中的泥沙濃度增大，使得隱藏在固體顆粒表面縫隙處的氣核數(shù)量增多，導(dǎo)致了空化壓力值的增加。

圖1 清水空化壓力隨海拔的關(guān)系：橫坐標 A、B、C、D、E各點相應(yīng)于北京（實驗室所在地）、青銅峽、八盤峽、龍羊峽、拉薩等的海拔高程

圖2 青銅峽含沙水空化壓力特性

2 水電站水輪機裝置空化系數(shù)計算

所有水輪機裝置的水工質(zhì)都是自然水。水中均含有各種雜質(zhì)和數(shù)量巨大的氣核。由含沙水和高海拔下清水的空化壓力特性實驗可知，水質(zhì)狀況對水的初生空化壓力與臨界空化壓力，即空化壓力特性具有十分重要的影響。正確計入這種影響來確定水輪機的空化系數(shù)和安裝高程，是防止水輪機在運行工程中發(fā)生空蝕破壞，保證高效率運行的首要條件。

圖3示出了混流式水輪機流道簡圖，在機組運行過程中，總存在一個最低壓力點k，當(dāng)該點的壓力值kP低于當(dāng)時溫度下水的空化壓力cP時，該點將發(fā)生與該空化壓力相應(yīng)的空化現(xiàn)象。從轉(zhuǎn)輪壓力最低點k到轉(zhuǎn)輪出口的相對運動伯努利方程為：

分別為轉(zhuǎn)輪出口處的高程，壓力，相對速度和圓周速度；

從轉(zhuǎn)輪出口到尾水管出口的絕對運動伯努利方程為：

式中：pa,z5v5分別為下游水面壓力及尾水管出口處的高程，絕對速度；

圖3 混流式水輪機流道示意圖

式中：

3 考慮水質(zhì)狀況的水輪機安裝高程的理論計算

為了保證水輪機在運行中不發(fā)生某種程度的空化，必須取用與之相應(yīng)的空化壓力cP代入（4）式來決定水輪機的吸出高度Hs值：

式中：?——水輪機尾水水面的海拔高程。

通常，Tσ值是由水輪機模型試驗確定的，在水輪機特性曲線上附有等Tσ曲線族。如今由于葉片式水力機械轉(zhuǎn)輪空間湍流三維流場的數(shù)值分析方法已成為水輪機的設(shè)計工具，利用Fluent或CFX等商用軟件數(shù)值模擬各種工況下的Tσ，用于預(yù)估設(shè)計轉(zhuǎn)輪的空化性能。

由于水質(zhì)狀況對水的空化壓力特性影響很大，所以在工程設(shè)計中，特別是大型工程設(shè)計中，必須采用電站地址實際引用的水做專門的空化壓力測定，獲得水質(zhì)空化壓力特性。根據(jù)電站運行期多年平均的泥沙濃度α，在空化壓力特性曲線上查得/ρg與值，如圖4所示。

圖4 水質(zhì)的空化壓力特性

4 結(jié)論

（1）在確定水輪機裝置空化性能時，應(yīng)充分考慮水質(zhì)狀況對空化壓力特性的影響，否則將會導(dǎo)致水輪機的嚴重空化與空蝕。

（2）對于大型的水輪機機組在設(shè)計階段應(yīng)提前做好將要抽送的水質(zhì)空化壓力特性的測定，并根據(jù)實測的空化壓力值計算和評價水輪機裝置的空化特性。

（3）對于水輪機機組，如果水中含沙量在 1～12kg/m3范圍內(nèi)時，可參照本文給出的水質(zhì)空化壓力特性確定空化壓力值。

（4）對于所有抽送清水的高海拔水電站，空化壓力值均可以由本文給出的圖1確定。

[1]羽田工場水力機械部ポンプ設(shè)備便覽編集委員會, ポンプ設(shè)備便覽[M]. 株式會社荏原製作所,1984.4,15-20.

[2]陸肇達. 流體機械基礎(chǔ)教程[M]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社, 2003.12,87-93.

[3]Pfleiderer C. Petermann H. Sfr?mungsmaschinen[M]. Berlin Springer Verlag, 1991,40-45.

[4]Sfepanoff A.J. Centrifugal and Axial Flow Pumps[M]. 2nd Edition, JOHN WILLEY & SONS,1957, P 258-272.

[5]常近時. 宇宙射線電離強度對清水空化壓力特性的決定性影響[M].中國科學(xué)E輯：技術(shù)科學(xué),2008, 38 (11)：1970～1975.

[6]楊娟麗, 王均, 常近時. 萬家寨水電站水中含沙對空化壓力的影響[J]. 水利水電技術(shù), 2005,36 (5): 64～67.

[7]王磊, 朱茹莎, 常近時. 青銅峽與八盤峽水電站水中泥沙含量對空化壓力的影響[J]. 水力發(fā)電學(xué)報, 2008, 27 (4): 44～47.

[8]常近時, 壽梅華, 于希哲.水輪機運行[M]. 北京: 水利電力出版社, 1983.

[9]Knapp R.T. Daily J.M., Hammit F.G., Cavitation,MCGRAN-HILL BOOK Company, 1970, 6～25.

[10]常近時. 水質(zhì)狀況對水輪機裝置空化性能的重要影響[J]. 灌排機械, 2008, 26 (2): 23～26.