改善水轮机的水力设计介绍

翼型的空化和空蚀是水轮机空化和空蚀的主要类型之一，而翼型的空化和空蚀与很多因素有关，诸如翼型本身的参数、组成转轮翼栅的参数以及水轮机的运行工况等。

就翼型设计而言，要设计和试验空化性能良好的转轮。一般考虑两个途径：一种是使叶片背面压力的最低值分布在叶片出口边，从而使气泡的溃灭发生在叶片以外的区域，可避免叶片发生空化和空蚀破坏。当转轮叶片背面产生空化和空蚀时，最低负压区将形成大量的气泡，如图4-10（a）所示，气泡区的长度为lc 小于叶片长度l，气泡的瞬时溃灭和水流连续性的恢复发生在气泡区尾部A 点附近，故叶型空化和空蚀大多产生在叶片背面的中后部。若改变转轮的叶型设计，如图4-10（b）所示，就可使气泡溃灭和水流连续性的恢复发生在叶片尾部之后（即lc>l），这样就可避免对叶片的严重破坏。实践证明，叶型设计得比较合理时，可避免或减轻空化和空蚀。

图4-10　翼型气蚀的绕流

（a）lc<l；（b）lc>l

众所周知，沿绕流翼型表面的压力分布对空化特性有决定性的影响。理论计算表明，空化系数明显地受翼型厚度及最大厚度位置的影响，翼型越厚，空化系数越大，所以，在满足强度和刚度要求的条件下，叶片要尽量薄。另外，翼型挠度的增大在其他条件相同的情况下，会引起翼型上速度的上升，所以翼型最大挠度点移向进口边并减小出口边附近的挠度，可降低由于转轮翼栅收缩性引起的最大真空度，因而导致空化系数的下降。其次，叶片进水边的绕流条件对翼型空化性能也有很大影响。进水边修圆，使得在宽阔的工作范围内负压尖峰的数值和变化幅度减小，能延迟空化的发生，所以，进水边应具有半径为（0.2～0.3）δmax（最大厚度）的圆弧，与叶片正背面型线的连接要光滑，以获得良好的绕流条件。

翼型稠密的增加，可改善其空化和空蚀性能，降低空化系数。除此之外，有人研究了一种能较大幅度降低水轮机空化系数的襟翼结构，如图4-11所示。这种翼型结构表面的压力及速度分布和普通翼型有很大区别，其临界冲角增加且具有相当高的升力系数（cg=2.0）。襟翼在航空及水翼船上已被采用，但在水力机械上尚未被推广。

(www.xing528.com)

图4-11　带襟翼的转轮

为了减小间隙空化的有害影响，尽可能采用小而均匀的间隙。我国采用的间隙标准为千分之一转轮直径。而多瑙河—铁门水电站水轮机叶片与转轮室的间隙减小到5～6mm，即相当于0.0005D1，取得了良好效果。为了改善轴流式水轮机叶片端部间隙的流动条件，可采用在叶片端部背面装设防蚀片，如图4-12所示。它使缝隙长度增加，减小缝隙区域的压力梯度，这样可减小叶片外围的漏水量，并将缝隙出口漩涡送到远离叶片的下游，从而有利于减轻叶片背面的空蚀。但防蚀片也局部改变了原来的翼型，将使水轮机效率有所下降。

图4-12　防蚀片防间隙空蚀措施

近年来的试验研究表明，改进尾水管及转轮上冠的设计能有效减轻空腔空化，提高运行稳定性。主要改进方面为加长尾水管的直锥管部分和加大扩散角，因为这样有利于提高转轮下部锥管上方的压力，以削弱涡带的形成，此外，加长转轮的泄水锥，如图4-13所示，试验表明，它对于控制转轮下部尾水管进口的流速也起到重要作用，并显著地影响涡带在尾水管内的形成以及压力脉动。所以，改进泄水锥能有效地控制尾水管的空腔空化。

图4-13　加长泄水锥改善空腔空化

在水轮机选型设计时，要合理确定水轮机的吸出高度Hs、水轮机的比转速ns、空化系数σ。比转速越高，空化系数越大，要求转轮埋置越深，选型经验表明，这三个参数应最优配合选择。对于在多泥砂水流中工作的水轮机，选择较低比转速的转轮、较大的水轮机直径和降低Hs 值将有利于减轻空蚀和磨损的联合作用。