水轮机课件——水轮机的空化与空蚀
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空腔涡带：发生在尾水管中
➢水轮机的泥沙磨蚀
当水流中泥沙含量较大时,会对水轮机产生磨 损.同时,大量泥沙携带大量的“空化核”,使空化 容易发生.空化侵蚀与泥沙磨损同时发生时,两者 的破坏作用,称为磨蚀,对水轮机过流部件的破坏 作用很强.是单独空化和单独磨损的许多倍.
泥沙磨损的特征:鱼鳞坑或沟槽,带金属光泽
2）空化经历初生—发育—溃灭过程，空泡溃灭时产生微射流与冲击波，对 过流表面形成破坏。空化的破坏机制有：机械破坏作用、电化学侵蚀、 化学侵蚀与各因素的联合作用。
3）水轮机的空化类型有翼型空化、间隙空化、局部空化与空腔空化。各有 不同的发生部位。
4）水流中泥沙含量大时，水流容易空化，同时发生泥沙磨损，二者联合作 用时对水轮机的破坏作用大幅度增强。
典型磨损（带金属光泽）
空化与磨损联合作用:金属变色,叶片如锯齿
严重磨蚀叶片,千窗百孔,面目全非
➢水轮机磨蚀蚀的防护
采用金属、非金属抗磨材料进行过流部件的 表面防护，可以减轻水轮机的空化破坏与泥 沙磨损。常用的材料有环氧金刚砂涂层、碳 化钨喷涂、聚氨脂涂层、不锈钢堆焊层。
用环氧金刚砂作表面保护
➢空蚀的破坏机制
一、空泡的溃灭与冲击压的形成 1高速射流与微水击
空泡在百分之一至千分之一秒时间内溃灭，形成高速 射流与微水击，射流速度100m/s以上，冲击压数千 ata.
２空泡回弹产生冲击波 初生发育最大溃灭反弹溃灭数次反复
➢空蚀的破坏机制
机械破坏作用：强大的冲击压直接作用于过流表面，形成
机械破坏，并长期反复作用形成疲劳破坏．
➢空化核学说
液体中含有以不同形式存在的微小气泡,这些微小气泡在低压 环境中会发育为较大的空泡或空穴,导致空化的发生,称之为空化 核.
游离微气泡 固体颗粒附着微气泡 固体边壁裂隙中的微气泡
➢蒸汽气泡模型
水蒸汽
pV
蒸汽泡
气泡内以蒸汽为主题，内部压力为液体汽化压力， 环境压力降到汽化压力时，气泡迅速膨胀．
为叶片穿上坚韧防护衣（聚氨脂橡胶）
用高硬度碳化钨粉末喷涂保护叶片
设计、加工精良的水轮机有良好的抗磨蚀性能
➢水轮机空化与磨蚀的总结
1)水轮机空化的内因是水中含有不同形式存在的“空化核”—微气泡；空 化发生时，空泡的主体是水蒸气，因此流体内压力降到水的汽化压力时 便发生空化。外因是流体中低压的形成。
水轮机的空化与空蚀是水轮机 运行中一种常见的现象,它对水轮 机的运行质量有很大影响,同时严 重影响水轮机的安全与寿命.因此, 了解空化与空蚀的机理,防止空化 和空蚀的发生,减轻空化的危害有 重要的意义.
➢本节内容
水轮机的空化现象 水流空化的机理 空蚀 的机制 水轮机的空化
➢水轮机的空化现象
噪声：闷雷样低频噪声； 振动：机组振动明显加剧； 能量指标降低：水轮机效率
5）尾水管补气可以防止空腔空化形成的压力脉动，减轻机组振动。 6）水轮机表面防护对于防治水轮机磨蚀有显著效果。 7）设计、加工精良的转轮可以防止和减轻水轮机磨蚀。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Δp=
2 R
空泡半径 0.014mm 0.0014mm 0.00014mm
2×10-9mm
Δp
0.1MPa
1MPa
10MPa
740MPa
10mH20
100mH20
1000mH20
7400mH20
水的抗拉强度取决于水中气泡的大小，纯净 水中不含气泡时，抗拉强度很大，几乎是不可能 被破坏的，自然界的水中含有大量不同尺寸的气 泡，抗拉强度很小，很容易被破坏．
在空化区，空泡在不断产生又不断溃灭 过程中，会产生高频、高压的微观水击，对 过流表面形成损伤，这就是空化破坏，称为 空蚀。
➢水流空化的机理
1）球形空泡的抗拉力
2πRσ
p0
R б
pi
πR2(pi-p0)
πR2(pi-p0)=2 πRσ
Δp=(pi-p0)=
2
R
➢空泡的抗张力
水的表面张力σ=7.4×10-2N/m
麻点
麻坑
蜂窝状
➢水轮机空化的类型与部位
汽
翼型空化：翼型绕流时
化
叶片局部低压形成的空化,
压
力
多发生在叶片
背面.
间隙空化：水流流过狭小间隙时流速增大压力降低形成的 空化. 多发生在轴流式叶片端部和背面外缘
局部空化:局部脱流形成的空化,水轮机叶片吊物孔或泄水孔周围 容易发生.
叶片吊物孔周围
空腔空化：发生在水轮机尾水管中,发生的条件是非设计工 况,转轮出口水流具有较大的环量时.
电化学作用：空泡溃灭产生高温，与周围形成温差，产生温
差电势，形成电化腐蚀．
化学作用：高温作用下水产生氧，并增加其它有害气体活性，
产生腐蚀．
联合作用：几种因素联合作用，加快侵蚀．
➢流体中低压的形成
翼型绕流
狭小间隙
局部脱流
环境压力降低
旋涡中心
高频振动
➢水轮机的空化与空蚀
空化的类型与空蚀部位
➢空蚀的特征＿麻坑与蜂窝状侵蚀
（出力）下降； 过流表面损伤：麻坑、蜂窝状。
➢水流空化的机理
空化的定义 水流空化的机理 空蚀的破坏机制 流体中低压的成因
➢液体空化的定义
空化是液体中发生的一种物理现象。当 流动或静止的流体内部压力降低到一定限度 时，液体因不能抵抗拉引力而发生破坏，形 成空泡或空穴，这就是空化。空泡或空穴在 流体压力升高处会重新凝聚消失，即空泡的 溃灭。
➢水轮机的泥沙磨蚀
当水流中泥沙含量较大时,会对水轮机产生磨 损.同时,大量泥沙携带大量的“空化核”,使空化 容易发生.空化侵蚀与泥沙磨损同时发生时,两者 的破坏作用,称为磨蚀,对水轮机过流部件的破坏 作用很强.是单独空化和单独磨损的许多倍.
泥沙磨损的特征:鱼鳞坑或沟槽,带金属光泽
2）空化经历初生—发育—溃灭过程，空泡溃灭时产生微射流与冲击波，对 过流表面形成破坏。空化的破坏机制有：机械破坏作用、电化学侵蚀、 化学侵蚀与各因素的联合作用。
3）水轮机的空化类型有翼型空化、间隙空化、局部空化与空腔空化。各有 不同的发生部位。
4）水流中泥沙含量大时，水流容易空化，同时发生泥沙磨损，二者联合作 用时对水轮机的破坏作用大幅度增强。
典型磨损（带金属光泽）
空化与磨损联合作用:金属变色,叶片如锯齿
严重磨蚀叶片,千窗百孔,面目全非
➢水轮机磨蚀蚀的防护
采用金属、非金属抗磨材料进行过流部件的 表面防护，可以减轻水轮机的空化破坏与泥 沙磨损。常用的材料有环氧金刚砂涂层、碳 化钨喷涂、聚氨脂涂层、不锈钢堆焊层。
用环氧金刚砂作表面保护
➢空蚀的破坏机制
一、空泡的溃灭与冲击压的形成 1高速射流与微水击
空泡在百分之一至千分之一秒时间内溃灭，形成高速 射流与微水击，射流速度100m/s以上，冲击压数千 ata.
２空泡回弹产生冲击波 初生发育最大溃灭反弹溃灭数次反复
➢空蚀的破坏机制
机械破坏作用：强大的冲击压直接作用于过流表面，形成
机械破坏，并长期反复作用形成疲劳破坏．
➢空化核学说
液体中含有以不同形式存在的微小气泡,这些微小气泡在低压 环境中会发育为较大的空泡或空穴,导致空化的发生,称之为空化 核.
游离微气泡 固体颗粒附着微气泡 固体边壁裂隙中的微气泡
➢蒸汽气泡模型
水蒸汽
pV
蒸汽泡
气泡内以蒸汽为主题，内部压力为液体汽化压力， 环境压力降到汽化压力时，气泡迅速膨胀．
为叶片穿上坚韧防护衣（聚氨脂橡胶）
用高硬度碳化钨粉末喷涂保护叶片
设计、加工精良的水轮机有良好的抗磨蚀性能
➢水轮机空化与磨蚀的总结
1)水轮机空化的内因是水中含有不同形式存在的“空化核”—微气泡；空 化发生时，空泡的主体是水蒸气，因此流体内压力降到水的汽化压力时 便发生空化。外因是流体中低压的形成。
水轮机的空化与空蚀是水轮机 运行中一种常见的现象,它对水轮 机的运行质量有很大影响,同时严 重影响水轮机的安全与寿命.因此, 了解空化与空蚀的机理,防止空化 和空蚀的发生,减轻空化的危害有 重要的意义.
➢本节内容
水轮机的空化现象 水流空化的机理 空蚀 的机制 水轮机的空化
➢水轮机的空化现象
噪声：闷雷样低频噪声； 振动：机组振动明显加剧； 能量指标降低：水轮机效率
5）尾水管补气可以防止空腔空化形成的压力脉动，减轻机组振动。 6）水轮机表面防护对于防治水轮机磨蚀有显著效果。 7）设计、加工精良的转轮可以防止和减轻水轮机磨蚀。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Δp=
2 R
空泡半径 0.014mm 0.0014mm 0.00014mm
2×10-9mm
Δp
0.1MPa
1MPa
10MPa
740MPa
10mH20
100mH20
1000mH20
7400mH20
水的抗拉强度取决于水中气泡的大小，纯净 水中不含气泡时，抗拉强度很大，几乎是不可能 被破坏的，自然界的水中含有大量不同尺寸的气 泡，抗拉强度很小，很容易被破坏．
在空化区，空泡在不断产生又不断溃灭 过程中，会产生高频、高压的微观水击，对 过流表面形成损伤，这就是空化破坏，称为 空蚀。
➢水流空化的机理
1）球形空泡的抗拉力
2πRσ
p0
R б
pi
πR2(pi-p0)
πR2(pi-p0)=2 πRσ
Δp=(pi-p0)=
2
R
➢空泡的抗张力
水的表面张力σ=7.4×10-2N/m
麻点
麻坑
蜂窝状
➢水轮机空化的类型与部位
汽
翼型空化：翼型绕流时
化
叶片局部低压形成的空化,
压
力
多发生在叶片
背面.
间隙空化：水流流过狭小间隙时流速增大压力降低形成的 空化. 多发生在轴流式叶片端部和背面外缘
局部空化:局部脱流形成的空化,水轮机叶片吊物孔或泄水孔周围 容易发生.
叶片吊物孔周围
空腔空化：发生在水轮机尾水管中,发生的条件是非设计工 况,转轮出口水流具有较大的环量时.
电化学作用：空泡溃灭产生高温，与周围形成温差，产生温
差电势，形成电化腐蚀．
化学作用：高温作用下水产生氧，并增加其它有害气体活性，
产生腐蚀．
联合作用：几种因素联合作用，加快侵蚀．
➢流体中低压的形成
翼型绕流
狭小间隙
局部脱流
环境压力降低
旋涡中心
高频振动
➢水轮机的空化与空蚀
空化的类型与空蚀部位
➢空蚀的特征＿麻坑与蜂窝状侵蚀
（出力）下降； 过流表面损伤：麻坑、蜂窝状。
➢水流空化的机理
空化的定义 水流空化的机理 空蚀的破坏机制 流体中低压的成因
➢液体空化的定义
空化是液体中发生的一种物理现象。当 流动或静止的流体内部压力降低到一定限度 时，液体因不能抵抗拉引力而发生破坏，形 成空泡或空穴，这就是空化。空泡或空穴在 流体压力升高处会重新凝聚消失，即空泡的 溃灭。