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下面再来分析一下间隙流动

间隙流动指的是水流经过缝隙

或狭小的流道时

局部流速升高

压力降低的流动现象

间隙内压力的降低

极易导致间隙的空化

我们往往也称为

间隙的空化现象

现在来看一下轴流转桨机组

桨叶和轮毂体之间的间隙

从这里面可以看到

桨叶竖轴之外

由于竖轴需要旋转

这样叶片和轮毂体之间

一定会有间隙

中间这部分是球形

往外一般做成圆柱形

然后在桨叶的开关的过程里面

容易与外面的圆柱体之间相交

往往在桨叶的

叶片进口这一块位置

还要切割掉一块

在叶片的出口这部分

也要切掉一块

这样桨叶和轮毂体之间

在进出口都存在间隙

这个间隙

我们也可以称为内间隙

桨叶和转轮室之间

它也是内部旋转

所以桨叶的外轮缘

和转轮室之间

它也会形成一个间隙

我们可以称为叶片的外间隙

刚才介绍的是轴流转桨机组

叶片内外的间隙

我们再来看一下混流式转轮

混流式转轮的上冠

和机组的顶盖之间

它会形成一个空腔

这个空腔 我们一般叫它上冠腔

混流式机组的转轮的

下环和底环之间

也会形成一个空腔

这个一般叫下冠腔

如图所示

下面来看一下

轴流转桨机组

由于转轮的叶片可调节

在转轮的内缘和轮毂体之间

一定会有一个间隙存在

同样转轮的外缘

和转轮室之间

也有一个间隙的存在

转轮在工作的时候

叶片正面的压力高

叶片背面的压力相对较低

在间隙处水流就会在

叶片的正面流入叶片的背面

产生间隙流动

由于间隙的面积小 压差大

间隙处的流动往往流速很高

极容易在叶片的背面

产生漩涡运动

又容易导致间隙的空化

所以在实际工程里面

对轴流转桨机组

往往会在轮毂体的间隙下侧

看到空蚀破坏的现象

在转轮叶片的背面

受到间隙空化的影响

往往在叶片轮缘的局部位置

产生空蚀的破坏

间隙流动除了

产生间隙空化的影响之外

还会带来转轮运行效率的下降

由于间隙的流动改变了

转轮叶片表面的压力分布

使得转轮的整体力特性

产生了变化

下面我们来看一下

混流式机组的间隙流动

混流式转轮上冠和顶盖之间

以及混流式转轮的

下环和底环之间

一定会存在一个间隙

这样来确保

转轮在旋转的时候

和固定部件不会碰撞

在下环和底环之间

由于转轮进口的压力比较高

转轮出口的压力比较低

水流就会从间隙的高压侧

往低压侧流动

在空腔里面

由于转轮的一个旋转运动

它会带动水流 轴向运动

但是 它在这个间隙的

外侧底环这一侧

它又是一个静止的

所以在间隙里面

流动状况就非常复杂

会出现一些漩涡的现象

如果说这个转轮

它是翩跹的

这个间隙处的水流

相当于是一个轴承

它会产生比较明显的

径向力的作用

我们再来看一看上冠

和顶盖之间的间隙流动

我们在这个结构里面

往往有一个主轴的密封

这样来确保水流

比较少的泄漏出去

由于转轮的旋转

它会带动贴着上冠表面

水流的旋转运动

贴着顶盖面的这层流动 流速为0

随着转轮的旋转

水流会产生一个

比较大的离心力的作用

上冠腔里面由于结构很复杂

所以上冠腔里面的流动

它是一个非常复杂的漩涡运动

间隙里面的流动会非常直接的

影响转轮的水推力

随着工程里面

有时为了降低这里的水推力

往往在这个上冠腔

和转轮的出口之间

打一个很小的小孔

让水流直接排入到出口去

来降低水推力的作用

下面我们来分析一下

轴流式水轮机

轮缘间隙形状对流动的影响

也就是桨叶的外间隙

对流动的影响

对于转桨机组来说

轮缘间隙值的大小

会明显影响机组的效率

间隙较大 泄漏量就会比较大

由于间隙流动引起的

叶片正背面的压力分布

会产生比较明显的变化

转轮的做工能力也会产生变化

我们在工程里面

一般只要求轮缘间隙

不要大于转轮直径的1/1000

这是工程为了控制

泄漏损失的要求

实际上在制造来说

由于转轮直径

像轴流转桨机转轮直径

如果能够达到6到8米

它的间隙也就在6个mm以内

对大型机组来说

间隙的控制还是比较困难的

下面再来看一下

如果转轮的轮毂体采用柱状的形状

而不是采用球形的形状

我们来看一看

间隙的变化对机组效率的影响

通过流动分析

从下面这个图里

可以看到采用圆柱形的轮毂体

它的效率会略低于

采用球面形状的轮毂体

下面再来分析一下

混流式机组上冠腔

和下环腔里面的间隙流动

对混流式机组的下环腔来说

靠近混流式转轮下环的

这一面的水流会随着

转轮的旋转来跟着运动

下环腔靠近底环的这个面

它是相对静止的一个流动

所以在下环腔里面的流动

它是一个分布式的流动

另外转轮进口的压力大

转轮出口的压力低

所以水流会从

上冠腔上部往下部流动

这两种运动的合成

使得下环腔内

流动的形式还是非常复杂的

会出现一些漩涡的流动

如果转轮发生翩跹

下环腔就是不对称

这样容易形成比较大的径向力

这个时候下环腔

就相当于一个轴承

下面我们来分析一下

上冠腔内的流动

上冠腔内部的结构非常复杂

径向面积比较大

上冠腔靠近转轮的这一个面

随着转轮的旋转

底下这个面

是会跟着转轮一起来运动的

上冠腔靠近顶盖那一个面

由于上面是静止的

所以它也出现一个轴向的

流动速度的一个现象分布

随着转轮的运动

上冠腔里面的整体的流体

应该会受到

向外的离心力的作用

一般都会在上冠腔里面形成

非常大的漩涡运动

上冠腔由于主轴密封的存在

只有少量的水流能够泄漏

所以 在上冠腔里

整个流体就形成了一个

相对比较封闭的旋转运动

如果转轮还有点翩跹的话

上冠腔的形状也就是平行的

所以一方面对机组的轴向力

产生非常大的影响

它还会产生

引起转轮偏摆的作用力

在工程上 为了降低轴向力

往往在转轮的上冠腔里面

开一个小孔

或者开几个小孔

这样水流直接从上冠腔

引导到转轮的出口

一方面它能

破坏一下漩涡运动

另外一方面

它也把离心力引起的

比较大的水压力

通过泄压口

排泄到转轮出口

这样能比较有效的

降低轴向力

下面我们再来分析一下

离心泵内的间隙流动

我们先来看一下这个离心泵

大部分离心泵前面

还有一个前盖板

这面是转轮的泄漏口

所以对离心泵来说

整个叶轮由前盖板叶片

和后盖板组成

前盖板和前泵体之间

会形成一个间隙

这个间隙我们称它为前腔室

后盖板与后泵体之间

也会形成一个空腔

这个空腔我们称它为后腔室

下面我们来分析一下

前腔室和后腔室里面的流动

我们先来看这个图

先看前腔室

从这个图里面我们可以看到

叶轮出口的高压水流

会从前腔室里

回流到叶轮的进口里面

在上部的侧腔室里面

一般会形成一个

比较大的漩涡运动

在叶轮的进口

和这个前泵体之间

间隙比较小

如果水流里面

含有泥沙等等杂物

容易对前泵盖造成磨损

在进口间隙比较小的地方

我们会制造一个口环

容易更换的口环

来提高叶轮的使用寿命

这个口环也是一个易损件

在前腔室里面

由于水流的旋转运动

我们可以看出来

它的叶轮的径向力 轴向力

都还是会有比较明显的影响

泄漏量的大小也会

非常明显的影响叶轮的效率

刚才讲了从叶轮出口

回流到叶轮进口的这个流体

它会再次被叶轮做功

重新回到出口

然后又通过这个间隙

回流到叶轮的进口

它就在前腔室和叶片之间

形成一个水流的小循环

这个水流就起到一个

圆盘摩擦损失的作用

然后这是前腔室

里面的流动情况

下面我们来分析一下

后腔室的流动

在后腔室里面

我们在结构上

会增加一套

阻止泄漏的密封装置

这样使得后腔室的水流

很少的液体泄漏到外面

在工程上对于普通的离心泵

我们一般会要求

它的泄漏是达到

每分钟几滴水的样子

所以这个泄漏量是很少的

上冠腔的流动方式

和刚才讲的混流式机组的

上冠腔的流动状态是一样的

后腔室的漩涡的运动

会给叶轮的轴向力

带来明显的影响

如果水流含有泥沙

我们往往会在叶轮的

后腔室增加一个负叶片

这个负叶片和叶轮方向是一致的

那么它会起到一个

阻止水流泄漏的作用

同样也能减少

沙子进入到缝隙里面

这样来提高叶轮后盖板的

泥沙磨损的能力