清水和含沙水中混流式水轮机空化磨蚀特性研究进展

清水和含沙水中混流式水轮机空化磨蚀特性研究进展
发布时间：2021-12-02T05:47:36.525Z 来源：《建筑实践》2021年第22期作者：严欣
[导读] 空化作为水轮机运行过程中不可避免的现象之一，影响着水轮机的使用寿命和安全稳定运行严欣
（陕西地建土地勘测规划设计院有限责任公司，陕西西安 710075）
摘要:空化作为水轮机运行过程中不可避免的现象之一，影响着水轮机的使用寿命和安全稳定运行。

当水流中含有泥沙时，泥沙颗粒对空化产生促进作用，导致空化磨蚀更加严重。

本文针对混流式水轮机在清水和含沙水中的空化、磨损和磨蚀已经改善措施进行归纳总结，为空化磨蚀的研究提供一定基础。

关键词:混流式水轮机；空化；磨损；磨蚀
引言
继三峡水电站之后，我国第二大水电站白鹤滩水电站首批机组也已经开始投产发电，水电在能源发展中的作用日益明显，水力发电在我国发电占比中仅次于火力发电，且成本低、污染少、易于运行。

近年来，城市用电需求不断增加，水力机械快速发展，我国水轮机正在不断向高水头、大容量发展。

混流式水轮机因其结构简单、效率高及水头范围广等特点成为目前世界各地应用最为广泛的水轮机之一。

空化作为水力机械运行过程中的常见现象之一，造成过流部件材料表面破坏，水轮机效率降低，带来经济损失，严重时会威胁水力机组的安全稳定运行。

以黄河流域为代表的我国许多水域中都含有大量泥沙颗粒，泥沙会对水轮机产生磨损破坏，磨损与空化两者之间相互促进，导致水轮机很短时间内遭受严重破坏。

目前已有许多学者专家进行了相关研究并提出改善空化性能的方法，但仍无法完全避免空化磨蚀带来的破坏。

因此，关于清水和含沙水中水轮机的抗空化磨蚀能力就成了迫切需要进一步深入研究的问题[1]。

混流式水轮机因其结构简单、效率高以及水头范围广等特点成为目前世界各地应用最为广泛的水轮机之一。

1.清水中空化
空蚀是指水流中存在于负压区的气泡溃灭产生能量在过流部件表面造成破坏。

目前关于空化理论的研究主要还是通过观察空泡的发展来进行。

但随着计算机技术的发展，数值计算在水轮机研究中也得到了广泛应用。

Zhang H M[2]等通过数值模拟得出水轮机中的低压区位置，进而预测空化发生区域，并在转轮上增加副叶片使得空化性能改善。

Zhang S Q[3]等对不同流量下水轮机的空化进行数值模拟，研究发现大流量工况下空化引起的破坏程度大于小流量工况。

为了验证数值模拟结果的准确性和可靠性，确保研究结果可应用于水轮机生产运行中，常采用模型机试验或真机试验进行进一步研究分析。

郭鹏程[4]针对偏工况运行时出现的叶道涡现象进行非定常计算以及模型机试验，发现叶道涡出现在转轮叶片之间且向下环偏移由转轮出口流出，在尾水管出现回流。

通过试验对数值模拟的结果进行验证，对空化研究应用于相关实际水轮机运行过程中提供了强有力的保障。

2.含沙水中磨损和磨蚀现象
2.1两相流下泥沙颗粒磨损作用
当水轮机所处水域中存在泥沙颗粒时，泥沙随着水流流动在材料表面产生刮擦和划痕，对过流部件表面造成磨损破坏。

许多学者针对固液两相流进行研究，黄剑峰[5]等对在小流量工况点进行固液两相流数值模拟发现磨损破坏主要是在活动导叶头尾部和转轮靠近下环处。

张广[6]等通过改变泥沙参数进行数值计算发现，叶片承受压力与泥沙浓度正相关，随粒径增加先增大后减小；小粒径的泥沙分布更加均匀，高浓度大粒径颗粒所处区域破坏最为严重。

Masoodi J H[7]等提出新的模型，该模型增加了叶片曲率半径和相对速度两个参数，对转轮内的破坏进行更加准确的计算。

2.2多相流下空化磨损联合作用
当在空化空蚀的基础上伴有泥沙磨损，两者联合作用使得破坏更加严重，此时称之为磨蚀。

席新铭[8]等从微观角度研究分析了相邻颗粒间距以及空化泡的尺寸对空化的影响，小间距、大空化泡时对空化影响最为显著，空泡表现出较强的各向异性。

赵伟国[9]等在清水和含沙水中进行数值计算和试验，发现随着含沙浓度的增加泥沙会抑制空化的发生；泥沙粒径增大时，泥沙对空化的抑制作用大于促进作用。

王磊[10]等对含沙水中的空化进行研究发现，相较于清水中的空化，含沙水中水轮机初生空化压力和临界空化压力都有所提高。

随着泥沙浓度的增大空化压力也增加，破坏也更加显著。

张涛[11]等发现空泡生长、溃灭过程中产生的微射流会促进泥沙颗粒的磨损，导致破坏更加严重；并从微观角度对通过对破坏后的过流部件表面形貌进行分析发现，低泥沙浓度时以空化破坏为主，高泥沙浓度时磨损破坏占据主要作用。

Kumra D[12]等通过数值计算发现空泡和泥沙主要分别分布在叶片吸力面和压力面；随着泥沙浓度和粒径增大，破坏严重，效率降低。

3.改善措施
在水轮机中无法完全避免空化磨蚀，我们只能通过各种方法措施将其将至可接受范围内，为了降低水轮机在运行过程中的破坏，提高水轮机的抗空化磨蚀性能，目前主要从水力设计、水轮机材料及涂层选择等方面进行改进。

3.1优化水力设计
转轮和尾水管作为最易发生空化磨蚀的位置，是优化的重点过流部件。

罗丽[13]等在水轮机转轮中增加短叶片后发现导叶和转轮的压力分布和水流流速更加均匀，流态改善，效率提高，空化减弱。

宁楠[14]改变长短叶片中短叶片低压边的位置，小流量下低压边靠后、中大流量下低压边靠前空化性能会较好。

Teran L A[15]等在优化转轮叶片后使得水轮机最大功率点效率增加了近15%。

3.2水轮机材料及涂层
过流部件表面材料的强硬度、耐磨性直接影响其抗空化磨损和磨蚀的性能，在材料表面添加不同的涂层可以提高材料的力学性能，进而使水轮机的空化性能改善。

张磊[16]等从材料角度，通过采用最佳的水轮机材料表面涂层来提高抗空化磨损性能，现在常用的涂层有硬质涂层、弹性体涂层和复合涂层。

使用最多的是金属涂层，但复合涂层可以同时融合不同材料的优点。

Kumar H[等采用碳化钨作为基体材料再添加的陶瓷涂层，使得水轮机材料同时具备高硬度、高强度、耐磨耐冲击。

黄旭[18]等通过试验来比了环氧涂层和氟碳涂层的空化性能，发现环氧涂层对改善空化性能的效果更为显著，在片状空化和云状空化阶段都可以显示出对空化的强抑制作用。

4.结语
在含沙水域中，泥沙磨损和空化共同作用，相互促进，导致磨蚀破坏更加严重。

本文对不同学者在混流式水轮机空化、磨损和磨蚀领域的研究进展进行了总结归纳，并阐述了提高抗空化磨蚀性能的方法措施，对今后混流式水轮机在运行过程中空化性能的研究提供参考。

参考文献：
[1]Alberto L R, Alfonso C A, Oscar D G, et al. Failure analysis of runner blades in a Francis hydraulic turbine-Case study [J]. Engineering Failure Analysis, 2016, 59: 314-325.
[2]Zhang H M, Zhang L X. Numerical Investigation of Cavitating Turbulent Flow in a Francis Turbine Runner Fitted with Splitter Blades[J]. Advanced Materials Research, 2013, 662: 637-642.
[3]Zhang S Q, Ma G H, Qian J. Numerical Simulation of Cavitation Flow Field in a Francis Turbine Runner with Attached Blades[J]. Applied Mechanics and Materials, 2015, 700: 637-642.
[4]郭鹏程, 孙龙刚, 罗兴锜. 混流式水轮机叶道涡流动特性研究[J]. 农业工程学报, 2019, 35(20): 43-51.
[5]黄剑峰, 张立翔, 姚激, 等. 水轮机泥沙磨损两相湍流场数值模拟[J]. 排灌机械工程学报, 2016, 34(2): 145-150.
[6]张广, 魏显著. 泥沙浓度及粒径对水轮机转轮内部流动影响的数值分析[J]. 农业工程学报, 2014, 30(23): 94-100.。