专利名称：水机气蚀根治技术的制作方法
水机气蚀根治技术
本发明是一种涉及水流道的气蚀治理技术，用于水机可为该机械完善一个重要功能部 件，它结合现代数控技术，通过恒定一个水力参数，自动消除气蚀。
目前公认的水轮机和水泵气蚀产生原因仍是以水的一个物理现象(蒸腾凝结)作为理 论基础，认为气蚀区的气泡是水在常温下压力低到某一值因蒸腾而产生的，气泡泯灭是被 周围水流压縮凝结造成，瞬时压縮具有锤击作用，金属表面受击遭到破坏。
图1是前人对 水轮机叶片的压力实测图，气蚀主要发生在叶片出水缘上方d点，归咎水轮机叶片背面压 力有一个尖峰真空。当前水轮机厂家均对其产品的真空度有一个保证值，规定最低不超过 某个值。目前采用的气蚀治理办法有三 一为预防法；二为捕灭法；三为补救法。预防法 就是通过水轮机安装高度的确定使水轮机不发生气蚀，捕灭法是对已预防不住而发生气蚀 的水轮机予以补气，补救法就是对气蚀处进行焊补，恢复原状。后一种办法明显是没办法 的办法，用不锈钢的叶片其实也只是一种减少焊补量作法的延伸。
关于气蚀成因的论述下面摘录三段文献资料
当水流以很高的速度运动或任何物体在流体内以很高的速度运动时，在这一区域发生了空泡或汽 泡，这些空泡中充满了具有压力的流体蒸汽，当空泡被水流转移到速度较低而压力较高的区域蒸汽开始 凝结。如果空泡在流体中，处于这个区域内的任何零件的金属表面则开始遭到破坏。(水轮机结构及其 另件计算苏格腊诺夫斯基著)
目前，叶片通常系选取那些对飞机翼来说具齊优指标的断面形状，在气体中不可能发生气蚀，当转 为液体时，由于叶片背面出现了对飞机并没有害处的很高的尖峰真全'C图l)，故这些^片时常有发生气 蚀的危险。
在工作轮出口——吸出管顶部最窄的断面处，沿反击式水轮机流动的水的压力急剧降低，在这里水 的压力可能降低到饱和蒸汽压力，故水就沸腾，此时经常大量地逸出微小的蒸汽泡，这些气泡继续和水 一起流动，进入高压力的区域内，在此区域内压力高于饱和蒸汽压力，水蒸气将不可有再存在，而应该 开始凝结。多出来的空间不可能仍然是孔隙，它应该被每一汽泡周围的水流质点所充满……当液体压力 降低时，由于沸腾而使液体流连续破坏，这在物理上称为气蚀，水轮机制造者常常将沸腾以后的水蒸气 凝结也包括在气蚀的概念之内，在反击式水轮机中，最容易发生气蚀的区域通常不在吸出管进口处，而 在工作轮内的某些部位上，这些部位首先是靠近吸出管方面，其次在叶片背面。(摘自苏/K屯站的水 轮机设备沙波夫著)
在所有资料中，这个理论对气蚀产生的论述都是将理论与水轮机隔丌来谈，图1水轮 机叶片背面压力曲线这一实测事实谁都承认，又都是用沸腾凝结理论來解释气蚀成因，均想自圆其说，两个并不吻合的东西谁也不敢同时并摆在一起论述，只好含含糊糊，理论是 理论，事实是事实，前后隔得远点分别来谈，或回避，或牵强。
水轮机模型试验台上明明看见气泡发生在转轮上，然后进入尾水管，按上述理论气蚀 应发生在尾水管内，然而气蚀发生在转轮叶片上，这么大的一个矛盾隐藏在回避之中。一 个固定的安装高度和补气经多年生产实践证明此两种办法并不太奏效。
本发明的目的是提供一种新的气蚀治理技术，它可以作到治理水机任一运行点的气蚀, 跟踪消除，指标达零为止。并把产生气蚀损耗的能量收回，提高水轮机效率。图1 d点以 下叶背压力升起来的原因是(图3) 1hd2b2三角区内水流按作功原理已经离开转轮，但它实 际在转轮范围内，此况叶背d、b2面作泵运行，向三角区水体传递能量。转轮将从水流中获 得的能量分一部分又还给水流，因获得此能量的水流，流向断面不断扩大的尾水管，能量 释放导致内应力不断减小即拉力不断增加，则d点以下水体在d点流道断面产生一个吸力。 吸力作用在d点壁面上与壁面产生的反吸力若平衡，叶背附近水体层面间产生磨擦，消耗 能量，消耗的是叶背泵运行给予水体的能量，此称吸滞现象，若水体的吸力大于反吸力，d 点水流会出现拉空，拉空即是气泡产生，拉空加速壁面氧化，造成叶背破坏。
水轮机叶片d点(图1)空蚀发生在水轮机满负荷运行状态，其他部位空蚀发生在欠 负荷状态，已有理论认为不气蚀的水轮机吸滞现象仍存在，或有气泡产生因材质抗空蚀不 致于破坏，广义气蚀照样存在。欠负荷状态，水流从导叶窄缝进入转轮，流道断面突然扩 大，水流极力进入处于真空的中心空间，又充不满，中部出现不稳定不规则的空腔，空腔 自转轮一直到尾水管，形成一个连通空腔。斜向冲至中空的水流其压力能迅速转为速度能。 此处的水流现象和d点以下水流现象一样，内应力不断减小，吸滞、拉空，产生空蚀，甚 至水流不稳定造成水轮机振动。
内应力不断减小称减应力
获得能量的水流加速度(压力能变为速度能)造成减应力的出现，减应力造成吸滞拉 空，这一连串的水流特征减应力最具代表性，本技术就是抓住这一关健特征，控制流道中 减应力为零，减应力为零则无气蚀，同时把气蚀产生损耗的能量收回，控制减应力是本技 术治理气蚀的理论根本。
目前已有技术不考虑条件硬把大气中的一个静态物理现象(水蒸腾凝结)搬到内流体 中应用，不符合内流体水流规律，已有技术用调整安装高度治理气蚀与开控量存在着矛盾， 一个死数字照顾不到气蚀系数多变的全运行区，按其理论对气蚀的控制不是过盈就是欠缺， 补气的治理办法更是与它的理论存在着矛盾，故治理效果不佳。本技术根据内流体独有的 特性，从动力角度找到水机气蚀的三个特征。第一个特征是水轮机气蚀的根源是叶背泵运行；第二特征是气蚀的表征除前人发现的空蚀、空化之外另找到吸滞、拉空两个现象，为 气蚀耗能和空蚀原因找到理论依据。第三个特征是为衡量气蚀程度模到一个标志性的数据一 一减应力。经对三个特征的推导本技术为实现自己的目的打下理论基础，对原有技术解释不 通的一些现象(含泥砂较多的水易气蚀，用不含气的纯净水作气蚀实验达150个大气压力才 气蚀)本技术用对边壁吸力和反吸力的平衡理论很容易解释，那就是壁面的吸力随流体纯度 的增加而增大。
治理水轮机气蚀，本发明为实现目的手段是，在水轮机上增配一个核心部件和一个辅助 系统。
核心部件压力调节门(图4件1)。设在原尾水中，它的下面为尾水管流道的一部分， 转轴(件10)处尾水过流断面面积与尾水管入口断面面积相等，压力调节门可围绕转轴旋转， 具有开度调整的作用。
辅助系统包括图4液压油缸(件2)、油压装置(图面说明3)、电气自动控制柜和示记 装置(图面说明4)的部分功能。
机组在最大出力时，压力调节门处于水平位置，系未投入状况，它下面的水流速度与尾 水管入口水流速度相等，为设计流速，相对于此，尾水管入口有一个压力值p^。当机组在小 于最大出力时，如保证压力调节门出口的氷流速度均为设计流速，压力调节门需配合这一出 力下的流量，相应关小在一个对应开度，在这个对应开度下，尾水管入口对应也有一个压力 值PM，压力调节门按此对应开度运行，水轮机的运行状态和未加装压力调节门运行状态相同， 水轮机存在气蚀(吸滞)。
水轮机转轮气蚀分两种状况，治理办法也分两种。第一种治理叶背泵作用造成的气蚀，
本发明的目的是这样实现的以压力调节门水平位置为基础，压力调节门关小一个开度L， 在门前增加一个压力AP3 (根据水力学管口出流原理)，转轮出口叶背泵作用形成的压力为 △ P2，令 AP3=AP2 (式1)
压力调节门形成的压力将转轮叶背泵作用抵消。这一措施有三个作用
作用之一水轮机转轮叶背泵运行失效(空转)，不向下游水体传递能量，造成气蚀的动 力根除。
作用之二说明水轮机转轮以下水流减应力为零，造成气蚀的条件不存在。
作用之三叶背无泵作用，从转轮分出的那一部份水能不传给下游水体，留在转轮内变
为水轮机出力，相当增效，实现效率的第一种形式的提高。
用尾水管入口压力对应值P表征气蚀状态，是这么排定的Pw气蚀时的对应值，Pw气
蚀消除后对应值。用公式表示
Ps—产Pw+AP3 (式2)
第二种治理中空造成的气蚀，本发明的目的是这样实现的水轮机在中低负荷区运行时，把一块静止的水体填充在转轮中空位置，令其不动，排除中心真空对周围水流的吸扰， 水流则沿着满荷(高效区)时该流量所分得的流道通过转轮。具体措施是，仍以压力调节门 水平位置为基础，使压力调节门关小一开度"，尾水管入口增加一压力APw
&《，(式3)
/^虚拟水头，为尾水管入口至水fe机顶盖(图4件7为导叶顶)高度，这个措施形成的这 块水体则会牢实的存在转轮中空区。它有两个作用
作用之一无真空吸扰，无斜冲水流，无减应力，从源头从实况一起根除气蚀。 作用之二用同样的流量，从低效改为高效运行，效率大幅增加，实现效率第二种形式 的提高。
用尾水管入口压力对应值P表征气蚀状态，进一步排定&-2为任意负荷下(第l种和第 2种形式)气蚀消除后的对应值，用公式表示-
WAPw (式4)
本技术虽仅靠一个压力调节门调节压力，但它实际是以源头治理为主要手段，把气蚀指 标作为控制目标，把气蚀程度的衡量简化到尾水管入口水压力的一个数值，复杂中理出一条 主线，再应用本技术的特性(气蚀治理的同时提高效率)在具体实施中把三个指标统一在P3-2 一个指标上。在自动调节过程中，尾水管入口实际压力大于P3-2，压力调节门开度则开大，反 之则关小，通过计算机运算可作到在任意水头下三个指标相符。
本技术对水轮机实施的预想结果是对图1中叶背压力曲线尖峰予以变更(图2) db曲线 下移，Adb曲线换成新的形状，苏 沙波夫教授埋怨又无法消除的图1尖峰真空经本技术处 理后不再存在(尖峰一词用的不够准确)，转轮至尾水管的真空已全部消除，新的Adb曲线与
研究设计人员追求的虚线比较更符合叶片断面对作用力的要求。
由于采用上述方案，对水轮机可以实现对转轮两种形式气蚀的根治，同时还可实现两种 形式的能量收回。结构简单，可结合现代数控技术，气蚀治理程度超过已有技术，提高效率 这一条已有技术没有。
用于水轮机与已有技术比较本技术的有益效果
1、 气蚀治理澈底，本技术是从源头起跟随治理，数字控制，苗头一出现就将气蚀消灭在 萌芽状态，原有技术在许多电站的气蚀治理并不奏效，甚至电站设计时就允许气蚀在中低负 荷区存在(怕增加开挖量)。
2、 收回水轮机转轮叶背作用能量的意义水能利用普面提高一个效率值，效益可观，收
回中低负荷低效率区的损失能量虽运行时数少，但效率提高值大，对调峰水轮机效益巨大， 治理气蚀的同时又提高机组效率，已有技术没有这一说。
3、 实用性强，对已建电站和新建电站本技术均可用，已有技术改变水轮机安装高度的办
法对已建电站无法改变。
6下面结合附图和实施例对本发明进一步说明
图1是水动专业前人对水轮机叶片水压力实测图(花篮形流道剖面摘自水轮机结构与设 计天津自动化研究所)叶片凹面为正面，背面d点为气蚀区严重点，曲线Ab为正面压力实 测值，曲线Adb为背面压力实测值，虚曲线为研究及设计人员所追求的背面曲线。W相对速
度Ur旋转速度，压力曲线横坐标为相对值。
图2是水轮机采用本技术后叶片压力曲线图(根据理论推想) 图3是水轮机二相鄰叶片间的流道图d2'相当图1 d点V绝对速度。 图4是水轮机实施例的构造图(导叶以下有关部件) 图5是水轮机运转特性曲线图只等效率线
图6是水轮机压力调节门开度控制曲线图，P3-2尾水入口压力值(开度对应值) 图7是水轮机出力示记曲线图，N出力，N,根治前水轮机出力，N2根治后水轮机出力t 时间。
在图(结构)中，l、压力调节门。2、液压油缸3、油压装置(安装在专用机房，图上未 绘出)4、电气自动控制柜，出力示记装置(安装在发电机房，图上未绘出)5、水轮机转轮。 6、原尾水管。7、导水机构的导叶。8、新尾水管。9、测压头。10、转轴。11、拉杆。P3-3. 3-3 断面压力值。P4-4 4-4断面压力值
在图4所示实施例中，油压装置的液压油进出油缸(件l)，通过活塞可操作油缸拉杆伸 缩，电气自动控制装置(件4)通过调节压力油管上的电动阀控制压力调节门的开度，电气 自动控制装置的调整参数P3-2由出力示记装置中的计算机提供。
压力调节门正常工作上面的水压大于下面的水压，机组飞车是门的最危险状态，门的设 计、油缸的设计、后部新尾水管(图4件8)的设计均应以这一状态为设计标准。原尾水管 已失去其效能，故后部新增一个尾水管，油压装置，电气自动控制装置是水电站常用设备， 唯独出力示记装置是件新装置，己由有关公司开发，其技术在电子行业也是常规技术。出力 示记装置是集仪表及计算机于一体的一个联合系统，具有量测、运算、绘制、査找、显示、 打印功能，其作用主要是控制、监视、记录水轮机组出力和增发的电量。
压力调节门开度的调整参数Pm是示记装置计算机对机组资料经一定处理绘制成曲线査 找出来的。
曲线是这样绘制出来的
第一步先将水轮机运转特性曲线(图5)输入示记装置的计算机。
第二步在图5上画出高效区和中低负荷(低效)区的分界线&——A —
第三步在图5之下相对应绘制图6，以P——N为纵横坐标，作出水头H2的P3-o Ps-i P3-2曲线。准备工作在图5上将Hmin""Hmax中间以H, Hn分若干等分线，在此以112线为代表 说明绘法，H2线与等效率线相交若干点，在此只以八2 Bz点为代表进一步说明。
Pro曲线的绘制1、在图5上机组在最大负荷A2点运行，压力调节门(图4件1)处于 水平位置，观察尾水管入口测压头的压力表上压力值P,此P值则是图6上A2运行点的Pro 值。在图6找到A2定位点。2、在图5上，机组在B2点运行，压力调节门自水平位置慢慢关 小其开度，观察尾水管入口压力表上的压力值P的变化，压力调节门的开度关至某一值时P 值开始增加。此监界值P即是B2点的P^值，在图6上定下B2点。图5上余下的H2与等效 率线各交点均按B2方法在图6上找到定位点。3、在图6上把这些点连成曲线即是H2水头的
Pw曲线的绘制仍是将图5上H2水头线与效率线交点对应在图6找到其位置。以B2点
为例，机组在B2点运行，压力调节门自水平位置开度慢慢关小，观察机组出力表，N值会即 该上升，到一定程度停止，与此停止值相对应尾水管入口压力表的值即是Pw值，在图6个 按出力的上升值N找到其位置点B2。图5上H2与等效率线各交点均这样在图6上找到相应
的位置点。各点连成曲线，则是H2水头的Pw曲线。
Ps-2曲线的绘制在图6上中低负荷区Pw线上等距离上移一个APw值绘一曲线，则是
中低荷区P3-2曲线，再将二区分界线上的P3-2点同最大负荷的Pw点以直线相连。此直线则是 高效区的P3-2线，合成一条全运行区的曲线。此时就应检査P3-2曲线段上各定位点的减应力
是否为零，不是零应修正，3-3断面与44断面二压力表值应相符。
水轮机厂提供的运转特性曲线无中负荷以下的等效率线，在图5水头线上等距取几个点 也可将图6左半部的PwPw P3—2曲线绘出。
P^、 Pw为求得P3-2的辅助线，求出Ps-2后则消除。图6只保留P3-2曲线，供水轮机正式
运行时使用，水轮机在HrH2几个水头下任一运行点运行，计算机均可在图6查找到P3-2值， 输送给电气自动控制装置。若水轮机水头在Hmin-Hn-Hmax各线间运行，计算机应用内査法
快速运算绘出图6上的？3.2线，査找到对应的P3-2值提供给电气自动控制装置。
出力示记装置对电厂原设置的量测仪表能利用的则利用，唯图4的44断面的测压头需 补设。图7是出力示记装置视屏的出力显示图，随时间的进程曲线不断向右显示，N,N2值 和N2-N尸？值及时以数字显示在图形上方，每天24小时终了有全天电量累积数，每月每年 终了有该月该年的电量累积数，数字显示在该时段的未尾，并可抽检过去某年月日分秒的出 力，数字显示在图形上方。
水轮机的压力调节门放置在尾水管任何位置均可，除附图所标位置尚可放在尾水管的直 锥段和尾水隧洞出口，不管放在何位置均是放在尾水中。
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权利要求
1、一种水机流道气蚀根治技术，用于水轮机，在尾水中设一道压力调节门，液压油缸的推拉杆伸缩控制它的开度，推拉杆的动作由电控柜控制，电控柜的控制参数由计算机提供，其特征是通过对压力调节门开度的调整来调整门前至转轮的水体压力。
2、 根据权利要求1所述的水机流道气蚀根治技术，压力调节门的调整特征是通过给 定的尾管入口压力值P3-2来调整的，尾管入口的压力值达调整值P3-2时，相对应气蚀区的减应 力为零。它是根据一个气蚀产生理论来设定的。水流有减应力则有气蚀，无减应力 则无气蚀。
3、 根据权利要求l所述的水机流通道气蚀根治技术，治理气蚀的特征是分两 种情况， 一是，转轮出口叶背泵运行造成的气蚀，二是，转轮四周水流斜向冲至中空造成 的气蚀。
4、 根据权利要求1所述的水机流道气蚀根治技术，治理气蚀的特征是还有一个额外 效益，把气蚀损耗的能量收回，提高水轮机效率。
5、 根据权利要求1所述的水机流道气蚀根治技术，治理气蚀的特征是拚弃已有的气 蚀理论，抛开已有治理办法，建立一个减应力理论，采用一个调整水压力的办法，这一切 源于第一，发现气蚀时水流有一个综合特征减应力，第二，摸到一个衡量气蚀大小的 重要标志减应力的大小。鉴于此，可实现自动调整，治理程度能够作到恰到好处。
6、 根据权利要求1所述的水机流道气蚀根治技术，压力调节门的特征是可以是一个 固定式的，不调节门或一段收縮管，只满足消除机组限定运行状态的气蚀，能量收回效果 大减。
全文摘要
一种气蚀治理技术，用于治理水轮机流道气蚀。压力调节门(件1)为舌形钢闸门，绕转轴(件10)作开关动作，液压油缸(件2)的推拉杆(件11)控制它的开度，借以控制门前至转轮的水压力，推拉杆受电控柜控制，计算机为电控柜提供调整参数P<sub>3-2</sub>。水轮机尾管(件6)入口压力为P<sub>3-2</sub>时转轮出口的减应力为零，此时则无气蚀。不断调整。本技术新发现气蚀时有个重要标志——水体中存在减应力(内应力不断减小)，无减应力也就无气蚀，P<sub>3-2</sub>为减应力为零时的对应值。
文档编号F03B11/04GK101469659SQ20071030130
公开日2009年7月1日 申请日期2007年12月26日 优先权日2007年12月26日
发明者峥 邵 申请人:峥 邵