水轮机的空化和空蚀与水轮机的运行条件有着密切的关系,而人们在翼型设计时,只能保证在设计工况附近不发生严重空化,在这种情况下,一般而言,不会发生严重的空蚀现象。但在偏离设计工况较多时,翼型的绕流条件、转轮的出流条件等将发生较大的改变,并在不同程度上加剧翼型空化和空腔空化。因此,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,以避免发生空化和空蚀。对于空化严重的运行工况区域应尽量避开,以保证水轮机的稳定运行。
在非设计工况下运行时,可采用在转轮下部补气的方法,对破坏空腔空化空蚀,减轻空化空蚀振动有一定作用。目前中小型机组常采用自然补气和强制补气两种方法。
自然补气装置的形式和位置有以下几种。
1.主轴中心孔补气
如图4-14所示,主轴中心孔补气结构简单,当尾水管内真空度达到一定值时,补气阀自动开启,空气从主轴中心孔通过补气阀进入转轮下部,改善该处的真空度,从而减小空腔空化,但由于这种补气方式难于将空气补到翼型和下环的空化部位,故对改善翼型空蚀效果不好,补气量又较小,往往不足以消除尾水管涡带引起的压力脉动,且补气噪音很大。
图4-14 主轴中心孔补气
1—主轴;2—转轮;3—补气阀;4—泄水锥补气孔
2.尾水管补气
众所周知,反击式水轮机在某些工况下,在尾水管直锥段中心压区水流汽化形成涡带,这种不稳定涡带将引起尾水管的压力脉动,这种压力脉动可通过尾水管补气等措施来加以控制。而补气的效果决定于补气量、补气位置及补气装置的结构形状三个要素。
补气量的大小直接影响着补气效果,一些试验表明,当有足够的补气量时,才能有效地减轻尾水管内的压力脉动,但是过多的补气量也是无益于进一步减轻尾水管的压力脉动,反而使尾水管内压力上升,造成机组效率下降,如图4-15所示。通常把最有消除尾水管压力脉动的补气量称为最优补气量,该补气量随水轮机工况的变化而变化,根据许多试验资料表明,最优补气量(自由空气量)约为水轮机设计流量的2%。(www.xing528.com)
图4-15 补气量对尾水管压力脉动的影响
尾水管补气常见的两种装置形式有十字架补气和短管补气。图4-16(a)是尾水管十字架补气装置。当转轮叶片背面产生负压时,空气从进气管5进入均气槽4,通过横管1进入中心体2,破坏转轮下部的真空。对中小型机组,在制造时就在尾水管上部装置了补气管。一般十字架离转轮下环的距离fb=(1/4~1/3)D1,横管与水平面夹角α=8°~11°,横管直径d1=100~150mm,采用3~4根。横管上的小补气孔应开在背水侧,以防止水进入横管内。
图4-16(b)是短管补气装置。短管切口与开孔应在背水侧,其最优半径r0=0.85r,r为尾水管半径。短管应可能靠近转轮下部,可取fb=(1/4~1/3)D1。 强制补气装置是在吸出高度Hs 值较小,自然补气困难时采用,有尾水管射流泵补气和顶盖压缩空气补气。
图4-16 尾水管补气装置
(a)尾水管十字架补气装置;(b)短管补气装置
1—横管;2—中心体;3—衬板;4—均气槽;5—进气管;6—不锈钢衬套
图4-17是尾水管射流泵补气。其工作原理是上游的压力水流,从通气管进口处装设的射流喷嘴中高速射入通气管,在进气口造成负压,可把空气吸入尾水管。射流泵补气节省压缩空气设备,一般适用Hs=-4~-1m 的水电站。
图4-17 尾水管射流泵补气
补气时机组效率的影响问题目前研究得尚不充分。因补气削弱了尾水管涡带的压力脉动及稳定了机组运行,故能提高机组效率,但补气又降低了尾水管的真空度以及补气结构增加了水流的阻力会降低机组效率。其综合的结果是在最优补气量及合理的补气结构下,机组效率有提高的趋势,这为许多水电站的运行经验所证实。
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