[科普中國(guó)]-臨界空化系數(shù)

簡(jiǎn)介

臨界空化系數(shù)是在水輪機(jī)(包括水泵水輪機(jī)等水力機(jī)械，以下統(tǒng)稱水輪機(jī))試驗(yàn)、設(shè)計(jì)、研究和運(yùn)行中經(jīng)常涉及的反映其基本性能的關(guān)鍵參數(shù)。在過(guò)去的幾十年中，其曾經(jīng)被作為評(píng)價(jià)水輪機(jī)空化性能和在空化條件下的能量性能的惟一參數(shù)和評(píng)價(jià)依據(jù)，受到廣泛的重視。但是，隨著試驗(yàn)技術(shù)的不斷進(jìn)步，特別是當(dāng)人們可以通過(guò)氣泡觀測(cè)確定初生空化系數(shù)后，臨界空化系數(shù)的作用受到廣泛質(zhì)疑，有人甚至認(rèn)為臨界空化系數(shù)已經(jīng)失去其存在價(jià)值，建議今后做模型試驗(yàn)時(shí)不再進(jìn)行確定臨界空化系數(shù)的試驗(yàn)。臨界空化系數(shù)和初生空化系數(shù)是兩個(gè)有許多關(guān)聯(lián)、又有本質(zhì)區(qū)別的性能參數(shù)，其各自反映了水輪機(jī)兩個(gè)不同方面的性能，所起作用也不同。過(guò)去將兩方面的要求都通過(guò)臨界空化系數(shù)一個(gè)來(lái)體現(xiàn)，確實(shí)夸大了其作用；如果忽略了臨界空化系數(shù)在確定水輪機(jī)效率和出力方面的作用，勢(shì)必會(huì)將兩方面功能強(qiáng)加給初生空化系數(shù)，而這也是其難以承擔(dān)的，使我們犯和過(guò)去同樣的錯(cuò)誤1。

臨界空化系數(shù)的定義及確定方法所謂臨界空化系數(shù)，是當(dāng)水輪機(jī)的能量性能隨著空化系數(shù)的降低而產(chǎn)生某種(或某一趨勢(shì))變化時(shí)所對(duì)應(yīng)的空化系數(shù)。此處的能量性能指的是效率、功率和流量，通常用效率、單位功率和單位流量來(lái)表示。

臨界空化系數(shù)是通過(guò)模型試驗(yàn)來(lái)確定的。試驗(yàn)在固定水頭、固定轉(zhuǎn)速、固定導(dǎo)葉開度和葉片轉(zhuǎn)角的條件下進(jìn)行，通常通過(guò)在試驗(yàn)臺(tái)的尾水箱不斷地抽真空以降低試驗(yàn)系統(tǒng)的壓力，逐步減小空化系數(shù)，并觀察效率、單位功率、單位流量的變化，進(jìn)而確定臨界空化系數(shù)。

初生空化系數(shù)和臨界空化系數(shù)的區(qū)別初生空化系數(shù)和臨界空化系數(shù)不同，其和所測(cè)試水輪機(jī)的能量性能沒(méi)有直接關(guān)系，是通過(guò)觀測(cè)轉(zhuǎn)輪進(jìn)出口和流道內(nèi)空泡產(chǎn)生和發(fā)展的狀況確定的。當(dāng)轉(zhuǎn)輪葉片表面有空泡產(chǎn)生時(shí)，我們就定義該點(diǎn)的空化系數(shù)為初生空化系數(shù)。

需要強(qiáng)調(diào)指出的是，空泡產(chǎn)生的部位不同，其形成機(jī)理也不同，產(chǎn)生的影響也大不相同，需要區(qū)別對(duì)待。葉片出水邊背面產(chǎn)生的空化，通常稱為翼型空化，和葉柵稠密度、翼型及空化系數(shù)有關(guān)；葉片進(jìn)水邊因脫流而產(chǎn)生的空化，空泡大多出現(xiàn)在背面(高水頭低單位轉(zhuǎn)速工況)，個(gè)別的也出現(xiàn)在正面(低水頭高單位轉(zhuǎn)速工況)，和葉片進(jìn)水邊形狀及工況關(guān)系很大，受空化系數(shù)影響較??；對(duì)于軸流式和貫流式水輪機(jī)來(lái)說(shuō)，還有一類空化，即間隙空化，由葉片端面間隙形成的高速水流和其到達(dá)葉片背面低壓區(qū)所產(chǎn)生的回旋流所致。

近些年的驗(yàn)收試驗(yàn)，國(guó)內(nèi)外開始關(guān)注和進(jìn)行空化初生觀測(cè)，用以確定初生空化系數(shù)，在轉(zhuǎn)輪的綜合特性曲線上繪出葉片進(jìn)水邊初生空化線和等初生空化系數(shù)線(主要指葉片出水邊)等。根據(jù)我們對(duì)大量觀測(cè)試驗(yàn)的分析，葉片進(jìn)水邊和端面間隙流引起的空化都屬于脫流空化，和臨界空化系數(shù)關(guān)系很小。也就是說(shuō)，解決這兩類問(wèn)題不能靠降低安裝高程以增大電站裝置空化系數(shù)來(lái)解決，而只能通過(guò)改變?nèi)~片進(jìn)水邊翼型、葉片外緣背面加保護(hù)裙邊、調(diào)整額定水頭和最高水頭的關(guān)系、選擇最優(yōu)工況單位轉(zhuǎn)速離最高水頭單位轉(zhuǎn)速比較近的轉(zhuǎn)輪等來(lái)實(shí)現(xiàn).相比較而言，只有葉片出水邊背面產(chǎn)生的所謂“翼型空化”和臨界空化系數(shù)關(guān)系比較大，我們可以通過(guò)降低機(jī)組安裝高程的方法解決該類空蝕問(wèn)題。但是，二者的聯(lián)系屬間接聯(lián)系，它們之間的關(guān)系會(huì)因轉(zhuǎn)輪、工況等不同而迥異，有時(shí)空化發(fā)生而效率不下降，有時(shí)也會(huì)效率下降很多而無(wú)翼型空化發(fā)生，決不能將二者等同起來(lái)。

總之，無(wú)論哪種初生空化系數(shù)，都與臨界空化系數(shù)不同，都根據(jù)不同部位的空化狀況決定，和水輪機(jī)當(dāng)時(shí)的效率、出力、過(guò)流能力等無(wú)直接關(guān)系，不能和其與臨界空化系數(shù)等同。初生空化系數(shù)可用于判斷是否會(huì)產(chǎn)生空蝕，這是其應(yīng)起的作用。但是，正像我們過(guò)去用臨界空化系數(shù)來(lái)判斷是否產(chǎn)生空化或空蝕是錯(cuò)誤的一樣，試圖利用其判斷或確定水輪機(jī)能否達(dá)到所需的效率和出力也是錯(cuò)誤的。判斷在空化條件下的效率和出力性能的惟一標(biāo)準(zhǔn)是臨界空化系數(shù)，它是通過(guò)其能量性能的變化確定的，其作用也就在這些方面，即用于確定水輪機(jī)的能量性能。也就是說(shuō)，臨界空化系數(shù)在確定水輪機(jī)空化條件下效率及出力性能方面有不可替代的作用，當(dāng)然不應(yīng)當(dāng)在今后的模型試驗(yàn)中被取消2。

精確確定水輪機(jī)出力和安裝高程在臨界空化系數(shù)的作用及其和初生空化系數(shù)的關(guān)系被確定之后，如何通過(guò)臨界空化系數(shù)來(lái)精確地確定空化條件的效率和出力性能便成為問(wèn)題的關(guān)鍵。

利用臨界空化系數(shù)確定水輪機(jī)出力有兩個(gè)不同的方面：一方面是在已知水輪機(jī)臨界空化系數(shù)、電站安裝高程或裝置空化系數(shù)，確定水輪機(jī)在各水頭下的最大出力；另一方面則已知電站的水頭、出力及水輪機(jī)臨界空化系數(shù)，確定機(jī)組的安裝高程或裝置空化系數(shù)。對(duì)于水電站改造來(lái)說(shuō)，電站的裝置空化系數(shù)已定，需要確定的是在此條件下的水輪機(jī)出力。而對(duì)于新建電站來(lái)說(shuō)，電站的出力是基本確定的，不確定的是裝置空化系數(shù)和機(jī)組安裝高程。我們通常面對(duì)的是后者，我們其后的討論也主要針對(duì)后者進(jìn)行。

總結(jié)綜合上述分析，可得如下結(jié)論：

(1)臨界空化系數(shù)是通過(guò)測(cè)試能量特性的變化確定的，反映了水輪機(jī)效率、出力等參數(shù)隨空化系數(shù)變化的特性，和轉(zhuǎn)輪內(nèi)是否產(chǎn)生空化、空蝕沒(méi)有必然聯(lián)系。

(2)初生空化系數(shù)是通過(guò)觀測(cè)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪內(nèi)各部位產(chǎn)生空化的狀況確定的，是反映轉(zhuǎn)輪空化性能的基本參數(shù)，但無(wú)法替代臨界空化系數(shù)在確定水輪機(jī)效率和出力性能方面的作用。

(3)過(guò)去采用空化安全系數(shù)法確定水輪機(jī)出力或裝置空化系數(shù)，有很大的隨意性，誤差非常大，可能會(huì)造成出力不足或挖深增加，造成不必要的損失或使電站造價(jià)大幅度增加，急需對(duì)其進(jìn)行修正3。