水轮机与水泵的空化与空蚀(常近时)思维导图
水轮机课件——水轮机的空化与空蚀
➢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.
第四章 水轮机的空化与空蚀
由于液体具有汽化特性，液体在恒压下加热，或恒温下用静 力或动力方法降低其周围环境压力，都能使液体汽化。 任何一种液体在衡定压力下加热，当液体温度高于某一温度 时，液体开始汽化形成汽泡，称为沸腾。 当液体温度一定时，降低压力到某一临界压力时，液体也会 汽化或溶解于液体中的空气发育形成空穴，称为空化。 气蚀现象：包括空化和空蚀两个过程。 空化：液体中形成空穴使液相流体的连续性遭到破坏，它发 生在压力下降到某一临界值的流动区域中，空穴中主要充满着液 体的蒸汽以及从溶液中析出的气体。 空蚀：当空穴进入压力较低的区域时，就开始发育成长为较 大的气泡，然后气泡被流体带到压力高于临界值的区域，气泡就 将溃灭，在空泡溃灭过程中伴随着机械、电化、热力、化学等过 程的作用，引起过流表面的材料损坏。
第三章 水轮机的空化与空蚀(10)讲解
2g
2
p2 r
w22 2g
u22 2g
hk2
----（1）
Z2
p2 r
v22 2g
Za
pa r
va2 2g
h2a
--、2点很靠近，即
uK u2 , hK2 0 , 且令 Z2 Za Hs
由于
h2a
分析和推导空化系数是以翼型空化为基础， 计算出转轮叶片上最低点的压力值，若不发生 空化，则必须使最低点的压力值大于或等于该 水温下的汽化压力。
如图所示，设k点为转轮叶片背面靠近出水边的 压力最低点，求k点的压力值。
对k-2点，2-a点分别列能量平衡方程式
Zk
pk r
wk2 2g
u
z k
h 但是，用 表示水轮机空化性能还不太 v
合理，因速度与水头成正比，同一水轮机当工
h 作水头不相同时， 也不相同，这不便于用 v 同一标准进行空化性能的比较，为此，采用单
位水头下的动态真空值表示，即，动态真空相
对值
hv H
wk2 w22 2gH
w
v22 2gH
hv H
wk2 w22 2gH
即
pk r
pv r
pa r
pv r
Hs
H
则压力余量的相对值为：
pk
pv
pa r
pv r
Hs
rH
H
令
pa r
pv r H
Hs
p
称电站的空化系数
水轮机的空化和空蚀
空化是液体中压力降低的结果。液体在流动过程中当速度发生变化
时，其压力也会同时发生变化。如果压力下降到使该液体汽化的临界压 力之下，就将发生空化。在水轮机流道内某些区域压力降低的原因主要
是由水流对转轮做功所引起的。此外，局部流速过高或流动脱离边界层
形成脱流也可导致压力降低。例如，非流线翼型绕流，流道的突然扩散 或收缩等都会造成不良的流动条件。
空化空泡Βιβλιοθήκη 空化空泡水轮机空化系数与电站空化系数
水轮机空化系数σ 不同型式水轮机的吸出高度
反击式水轮机的空化系数及电站空化系数 下面分析和推导叶片不发生空化的条件和表征水轮机空化性能的空化
系数。
图4-15为一水抡机流道示意图，设最低压力点为 K点。其压力为 pK ，2点为叶片出口边上的点，压力
为 p2 ，a点为下游水面上的点，pa 为下游水面上的压
w Hs b0 2
式中
w ——尾水位，m；
b0——导叶高度，m。
水轮机安装高程的确定 ⑵立轴轴流式水轮机 式中
w H s XD1 D1—转轮直径，m；
X—轴流式水轮机结构高度系数，取0.41。
⑶卧式反击式水轮机
w H s
D1 2
H s 10 H 900
式中
——水电站下游水面相对于海平面的标高。
安装高程定义及计算公式 反击式水轮机的安装高程是指水轮机导叶中心线（立式机组）或主轴
中心线（卧式机组）的海拔高程。
水轮机安装高程用符号 表示。不同装臵方式的水轮机安装高程的计 算方法如下： ⑴立轴混流式水轮机
最后整理后得
Hs pa pv H
式中
pa——水轮机安装处的大气压力； pv ——该处相应于平均水温下的汽化压力； ——相应工况点的水轮机空化系数，由综合特性曲线查得；
第三章 水轮机的空化与空蚀(10)
水轮机的空化和空蚀
空化与空蚀的机理
一、液体的空化特性
① 水在一个标准大气压下（10.33 m水柱）， 温度升高到100℃时，水便汽化沸腾。 ② 如果把压力降低到0.24m水柱时，水温仅20℃ 左右，水便汽化沸腾。
液体 P=C，t°↗引起的汽化状态——“沸腾” 液体 t°=C，P↘引起的汽化状态——“空化”
pk p min pv
代入上式，化简得：
pa pv Hs H r r
在实际计算中，考虑到海平面的平均大 气压为10.33m水柱。根据气象条件，大气压 力与平均值之间，有可能降低0.3~0.4 m水柱; 一般河流水温多在5°~20℃，相应的汽化压力 为0.09~0.24m水柱。故取平均大气压近似为 10 m水柱。而水轮机安装处的实际高程各不 相同，根据实测低空大气层高度与大气压力 值的平均关系，海拔每升高900 m，则大气压 力降低1m水柱。
六、“空化核”存在的三种基本形式
1、水中存在不可溶性气体组成的微小气泡; 2、水中存在着悬浮的不浸润固体颗粒，这些 颗粒上附着许多微小气泡; 3、在固体壁面的微裂间隙中残存着微小气泡;
这些微小气泡在环境压力降低到某一界限压力 时，会膨胀发育为较大气泡，导致空化的发生。
七、液体中形成低压的5种原因
由此可以看出，k点的真空由两部分构成: ①由吸出高度 H s 所形成的静态真空 ②由于水轮机运行中所产生的动态真空
hv
所以，k点真空值的大小决定水轮机在最低压 力点是否会发生空化。但其中的静态真空是由装 置条件所决定的，与水轮机本身无，只有其中的 动态真空值 hv 才能反映出水轮机的空化性能， 即，在同样装置条件下，水轮机自身产生的动态 真空越大，越容易发生空化。
水轮机的空化空蚀、泥沙磨损
水轮机的空化空蚀、泥沙磨损水轮机的空化空蚀、泥沙磨损第一节空化与空蚀空化与空蚀是发生于液体作为介质的水力机械中的一种特有现象，而在固体和空气中一般不会发生空化和空蚀。
（气蚀一词，来源于拉丁文，形成空穴之意，目前国内的译法很不统一，有气蚀、汽蚀、空蚀、空穴、空泡等各种译法）一、空化现象这是一种流体力学现象。
把给定温度下，液体开始汽化的压力叫做临界压力。
（在不同温度下，液体的临界压力是不同的）。
注意：当液体温度一定，而压力降低到相应的临界压力时，也会出现汽化现象，同时溶解于液体中的气体析出，形成空泡（空穴）。
通过水力机械流道中的液流，如果某个地方的流速增高，必然会引起此处的局部压力下降，当压力降低到当时液流下的临界压力时，这个低压区的液流就会开始汽化——出现空泡（汽泡），空泡随液流运动到较高压力区，由于P↑，汽泡中的蒸气要重新凝结成水，汽泡溃灭。
因为体积突然收缩，汽泡原先占有的空间形成真空，于是周围的高压液流质点高速冲近来，将对过流表面产生非常大的瞬间脉冲压力（水锤压力）。
同时，在压力增高时，原来从液流中分解出来的小汽泡，在水锤压力的作用下被急剧压缩，直到汽泡的弹性力大雨水锤压力时，汽泡将停止压缩而瞬间膨胀，所以对过流表面又形成另一种水锤压力。
空化：随着压力变化，液流中出现空泡状态（初生、发展、溃灭）及产生一系列物理化学变化称作空化（空穴）。
空蚀：指当空泡的溃灭过程发生于固壁表面，而使材料破坏，即由空化引起的材料破坏（侵蚀）。
二、空蚀机理空蚀对过流部件造成的破坏，主要有四种理论：机械作用、电化作用、化学作用和微射流理论。
1、机械作用在过流表面的某处，随着液流不断流过，空泡不断形成—溃灭—压缩和膨胀，将产生很高的冲击压力。
通过高速摄影的圆盘实验观察到，汽泡凝结时间约万分之一秒，水锤压力可以达到几百个甚至几千个大气压，对边壁材料造成破坏。
（1）空泡在溃灭过程中产生冲击波，从空泡的中心向外放射时具有和大的冲击力，对材料产生破坏。
第四章水轮机的空化与空蚀(new)
第四章水轮机的空化与空蚀本章教学要求：1．了解空化、空蚀现象；2．掌握水轮机空化与空蚀的类型；3．掌握水轮机空化系数的意义和吸出高度的确定原则；4．掌握水轮机抗空化的措施。
第一节水流的空化一、水流的空化现象水轮机的空化现象是水流在能量转换过程中产生的一种特殊现象。
大约在本世纪初，发现轮船的高速金属螺旋桨在很短时间内就被破坏，后来在水轮机中也发生了转轮叶片遭受破坏的情况，空化现象就开始被人们发现和重视。
水轮机的工作介质是液体。
液体的质点并不象固体那样围绕固定位置振动，而是质点的位置迁移较容易发生。
在常温下，液体就显示了这种特性。
液体质点从液体中离析的情况取决于该种液体的汽化特性。
例如，水在一个标准大气力作用下，温度达到100℃时，发生沸腾汽化，而当周围环境压力降低到0.24mH2O时，空化现象即可发生。
图4-1表示了水的汽化压力与温度关系曲线。
图4-1 水温与饱和气泡压力关系曲线由于液体具有汽化特性，则当液体在恒压下加热，或在恒温下用静力或动力方法降低其周围环境压力，都能使液体达到汽化状态。
但在研究空化和空蚀时，对于由这两个不同条件形成的液体汽化现象在概念上是不同的。
任何一种液体在衡定压力下加热，当液体温度高于某一温度时，液体开始汽化，形成汽泡，这称为沸腾。
当液体温度一定时，降低压力到某一临界压力时，液体也会汽化或溶解于液体中的空气发育形成空穴，这种现象称为空化。
我们以前通常所讲的气蚀现象，实际上包括了空化和空蚀两个过程。
空化乃是在液体中形成空穴使液相流体的连续性遭到破坏，它发生在压力下降到某一临界值的流动区域中。
在空穴中主要充满着液体的蒸汽以及从溶液中析出的气体。
当这些空穴进入压力较低的区域时，就开始发育成长为较大的气泡，然后，气泡被流体带到压力高于临界值的区域，气泡就将溃灭，这个过程称为空化。
空化过程可以发生在液体内部，也可以发生固定边界上。
空蚀是指由于空泡的溃灭，引起过流表面的材料损坏。
在空泡溃灭过程中伴随着机械、电化、热力、化学等过程的作用。
水利机械空化
第七章水力机械的空蚀破坏§7-1 水力机械的空化现象简介一、水力机械中的空化形态水力机械中可能存在的空化：游移空化，固定空化，漩涡空化。
导流面来流方向突然发生变化，易出现固定型空化；导流面来流方向逐渐变化，且冲角较小则可能出现游移空化；叶轮出口边（转轮进口边）、叶轮与固定件之间的间隙处，由于压力的急剧变化，常出现漩涡空化。
偏离最优工况的水轮机尾水管中常出现漩涡空化。
在固定空化出现的同时，在固定空泡的表面也伴随有游移空泡产生。
二、水力机械中空化现象的分类通常不按空化的基本形态分类，而按空化发生的部位分类，分成四类：翼型空化，间隙空化，空隙空化，局部空化。
1、翼型空化——叶片式水力机械普遍存在的一种空化现象（1）翼型空化与翼型几何形状有关图7-1：反击式水轮机叶片空化一般发生在叶片的背面：Ⅰ区和Ⅲ区；Δβ<0时，空化将发生在Ⅱ区。
图7-1 翼型空化部位示意图翼型空化与翼型几何形状的关系：图7-2：对称翼型压力分布压力分布情况：A 、B 两个低压区；空化：可能在四个部位出现空化区。
当系统p 下降时，首先在A 点发生空化；p 进一步降低，空泡长度延伸；有可能B 点尚未出现空化前，A 点空泡下游端已到达B 点。
若p 再进一步下降，空泡长度会有较大的增长。
图7-2 对称翼型的压力分布翼型特征：头部为半圆形；尾部的断面逐渐变尖图7-3 尖拱二维柱体的压力分布图7-3：将图7-2翼型头部稍加修改：用一个二倍柱径的尖拱代替圆头，见图7-3。
低压点仍为二个（A、B点），但A点已向下游移动，负压绝对值减小。
当p下降到一定值时，空泡将包围整个翼型，只在头部有限区域存在正压区。
结论：翼型空化可以靠改变翼型的几何形状加以改变。
（2）翼型空化与运行工况有关以水泵为例，泵工况发生变化时，进口相对速度和大小发生变化。
见图7-4设在叶片进口处为法向入流，β—叶片进口安放角；1β′：小流量时叶片进口相对水流角；1β′′：大流量时叶片进口相对水流角。
4 水力机械的空化与空蚀
4 水力机械的空化与空蚀§4-1 汽蚀现象在某个温度下，压力低到某一值时，液体发生汽化，此压力称为该温度下的汽化压力，一般用p v 。
叶栅空化数 21121w p p k v ρ-= 1w ——相对流速在某个温度下，压力低到某一值时，液体发生汽化，此压力称为该温度下的汽化压力，一般用p v 表示。
液体流动过程中，如果某一部位的压力低于某一临界压力（一般情况，该临界压力与水的汽化压力接近）时，溶解于水的气体逸出，形成空泡（空穴），当空泡随水流运动到压力较高的地方时，空泡迅速凝结而溃灭。
某温度T 下→临界压力（Pv 一般）→空泡→向高压区移动→溃灭凝结→破坏（疲劳破坏，剥蚀、电化学）→噪音，性能下降。
§4-2 汽蚀性能参数 空化数221∞∞-=w p p K v ρ 一、汽蚀余量NPSH在泵进口（尾水管出口）所具有的高出汽化压力的富裕（余）能头，其大小以换算到基准面的水柱高表示二、必须汽蚀余量r h ∆叶轮内压力最低点的压力等于汽化压力时，机器的汽蚀余量C 0——叶片进口前（水轮机出口）液流的绝对速度W 0——相对速度 21,λλ——流速分布不均系数。
由试验得出，是泵的固有参数① S-0列能量方程：② 0-k 列相对运动伯努利方程：③=①+②-γvp 得：即：γγpp p h vk a ∆+-=∆当初生空化（出现第一个空化空泡）时r a h h ∆=∆ 实际中一般认为：r cr h p h ∆=∆≈∆γ，常取r cr h h ∆=∆C 、要求a r h h ∆<∆临界汽蚀余量cr h ∆：效率下降1%~3%时所对应的a h ∆三、有效汽蚀余量（装置汽蚀余量）a h ∆1、定义它是装置提供给泵（水轮机）的汽蚀余量2、表达式：列进水池和水泵进口（水轮机出口）3、a r h h ∆∆与的关系a. r h ∆与装置无关，a h ∆与装置有关b. r h ∆越小，抗汽蚀性能越好四、允许汽蚀余量保证不发生汽蚀的最低汽蚀余量实际中常用cr h ∆代替r h ∆：K h h cr +∆=∆][K —安全余量五、允许吸上真空高[H s ]′ 1、定义：使之不发生气蚀，泵进口（水轮机出口）所允许的最大真空度2、表达式而进口断面的真空度为代入上式要不发生汽蚀 ][h h a ∆≥∆当][h h a ∆=∆时sH '有最大值 当不是标准状态时必须修正六、汽蚀系数水力机械的汽蚀系数σ装置空化系数)a hom T (p σ七、安装高度的确定g H 压力最低点到进水池面（水轮机下游水面）1）][h ∆已知由有效汽蚀余量公式要求水泵不发生汽蚀对于水轮机：H K h σσ=∆][，安全系数2.2~05.1=σK ，比转速愈高σK 的值越大，或者取H h )(][σσ∆+=∆，0≈w h ，90033.10∇-=γe p ，电站水温5~25℃，3299.0~0889.0='γv p可以简化为2）[H s ]已知列进水池面与泵进口断面要求：]['≤'s sH H 八、汽蚀比转速汽蚀余量或吸上（吸出）真空度（高），只能说明某台机器汽蚀性能的好坏，而不能比较不同机器的汽蚀性能，为此引进包括设计参数在内的综合汽蚀性能相似特征参数——汽蚀比转速C 。
水电站PPT演示水轮机的工作原理
三角形是相同的；每一个出
口点的速度三角形也是相同
的。
根据恒定流假定可知，任一水流质点在转轮进口
的运动状态及其流动到转轮出口的运动状态可由
同一时刻该流面上任意进、出口点的速度三角形 表示。
速度与分速度的空间矢量关系
第二节 水轮机工作的基本方程式
一、动量矩定理 单位时间内水流对转轮的动量矩改变，应等于
水流在水轮机的蜗壳、导水叶及尾水管中的流动 假定是恒定流。 水流在转轮内的流动相对于转轮旋转坐标而言，
也假定是恒定流。
水流在转轮中的运动非常复杂，上述假定可以简
化分析。
三、水流运动是空间三元流
水流运动规律用速度三角形表达
V U W V ——水流绝对流速（相对于地球） —— 水流流动的牵连流速 U
所以
E2 B
5V52
2g
h25
设尾水管后，转轮所获得能量：
EB E1 E2 B H1 (
水轮机多获得的能量：
5V5
2g
2
h25 )
2V22 5V52 E EB E A H 2 ( h 25 ) 2g
设置尾水管以后，在转轮出口形成了压力降低， 出现了真空现象，真空由两部分组成：
Wk2 W22 V22 Hs ( w ) 2g 2g pa
K点的真空值Hk.v：
pa pk Wk2 W22 V22 H kv H s ( w ) 2g 2g
w 为尾水管动能恢复系数。
静力真空Hs是吸出高度，取决于水轮机的安装 高程，与水轮机的性能无关； 动力真空hk与转轮叶型、水轮机工况、尾水管
汽泡产生反作用力向外膨胀，压力升高，水流质点
水轮机空化讲稿
平衡方程： pi po 2
R
平衡方程： pi po 2
空气与水蒸气空化空泡的模型
R
当空泡内部包含空气和水蒸汽时，则空泡内部的压力Pi为空气分压Pv与 水蒸气压力Pg的之和，即：
pi pv pg
水蒸汽压力即当时温度下的汽化压力，为常数。故空泡平衡方程可写为
假定空泡的膨胀或压缩均为等温过程，则有
R R
空泡半径 Δp
0.014mm
0.1MPa 10mH20
0.0014mm
1MPa 100mH20
0.00014mm
10MPa 1000mH20
2×10-8mm
740MPa 74000mH20
当空泡的半径只有一个水分子大小时（2×10-8mm） ，空泡的抗拉力为7400kg/cm2.
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，抗拉强度极大，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．
Po 压力下降区 Rmax 临界点 初生 方程4-9 方程4-10与方程4-11 发育 最大点 溃灭 压力上升区
汽化压力 Pv
t
蒸汽泡模型
方程4-14
空泡临界状态的平衡方程-求临界压力与半径
R p pv ( p0 pv 2 )( 0 ) 3 2 方程1(教材4 9式） R0 R R 此式只适用于空泡的临 界状态之前，达到临界 状态时，空泡内变为以 水蒸汽为主， 空泡的膨胀与收缩受蒸 汽的支配，特点是：压 力保持临界压力或蒸汽 压， dp 空泡直径迅速增大。以 0为条件，可求出临界状 态的空泡平衡方程： dR 2 2 ) 2 Rcr （ p0 pv R 3 R R0 求出Rcr 得：Rcr 3 R0 ( p0 pv 2 方程（教材4 10式） 2 R) 2
水力机械空化与空蚀
空化的防护措施 （从流体机械本身着手）
空化的防护措施 （从流体机械本身着手）
4 水力机械的空化与空蚀
§4-1 汽蚀现象
• 某温度T下→临界压力（Pv一般） →空泡→向高压区移动→溃灭凝结 →破坏（疲劳破坏，剥蚀、电化学） →噪音，性能下降。
4 水力机械的空化与空蚀
§4-1 汽蚀现象
• 某温度T下→临界压力（Pv一般） →空泡→向高压区移动→溃灭凝结 →破坏（疲劳破坏，剥蚀、电化学） →噪音，性能下降。
• 八、汽蚀比转速
• 汽蚀余量或吸上（吸出）真空度（高），只能说明某台机器汽蚀性能的好坏， 而不能比较不同机器的汽蚀性能，为此引进包括设计参数在内的综合汽蚀性 能相似特征参数——汽蚀比转速C。
• 1、汽蚀相似律
• 由必需汽蚀余量的定义
hr
1
c02 2g
2
w02 2g
1 1 ,
2
wk w0
2
hr
1
c02 2g
2
w02 2g
• C0——叶片进口前（水轮机出口）液流的绝对速度 • W0——相对速度
• 1, 2 ——流速分布不均系数。由试验得出，是泵的固有参数
4 水力机械的空化与空蚀
§4-2 汽蚀性能参数
① S-0列能量方程
Zs
ps
cs2 2g
Z0
p0
c02 2g
hs0
② 0-k列相对运动伯努利方程
2g
w02 [(wk 2g w0
)2
1] 2
w02 2g
(1 )
c02 2g
1
c02 2g
即：
hr
1
c02 2g
2
w02 2g
工质为浑水时水泵与水轮机的空化与空蚀_常近时
2010年3月Ma r .2010 第28卷 第2期V o l .28 N o .2工质为浑水时水泵与水轮机的空化与空蚀常 近 时(中国农业大学水利与土木工程学院,北京100083)摘 要:对工质为浑水时水泵与水轮机的空化与空蚀进行了试验,结果表明,泥沙表面缝隙中寄存有许多气核,当压力降低时气核膨胀形成气泡,进而脱离沙粒表面发生空化;当沙质、水温一定时,浑水的空化压力特性完全由站址所在地的海拔高度、泥沙质量浓度、泥沙粒径等3个要素决定;在前两个因素一定的情况下,泥沙颗粒越小,即泥沙越细时,初生空化压力与临界空化压力越高.浑水时气核数量远多于清水;浑水发生空化时,气泡溃灭引发的夹沙射流强度大于清水射流,由于这两个因素致使在含沙水流工作的水泵与水轮机,在相同的装置条件下,空蚀破坏较清水时强烈.目前,空化流场计算和空化数计算都存在着把空化压力取做海拔高度为零时清水的汽化压力的错误,使计算结果严重失实.关键词:水力机械;水泵;水轮机;空化压力;空化;空蚀中图分类号:T K 733 文献标志码:A 文章编号:1674-8530(2010)02-0093-05C a v i t a t i o na n dc a v i t a t i o n e r o s i o no f p u m pa n dt u r b i n ew i t hs i l t -l a d e nw a t e r a s w o r k i n g m e d i u mC h a n g J i n s h i(C o l l e g e o f Wa t e r C o n s e r v a n c y a n d C i v i l E n g i n e e r i n g ,C h i n a A g r i c u l t u r a l U n i v e r s i t y ,B e i j i n g 100083,C h i n a )A b s t r a c t :T h e e x p e r i m e n t o n c a v i t a t i o n a n d c a v i t a t i o n e r o s i o n o f p u m p a n d t u r b i n e w i t h s i l t -l a d e n w a t e r a s w o r k i n g m e d i u mw a s c a r r i e d o u t .T h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s s h o wt h a t l o t s o f g a s n u c l e i h i d i n g i n t h eg a p s o f s a n d s u r f a c e s g r o wu pa n d f o r m i n t o t h e b u b b l e s w h e np r e s s u r e d e c r e a s e s ,a n dt h e ns e p a r a t e f r o m t h e s a n d s u r f a c e ,c a v i t a t i o n h a p p e n s f i n a l l y .W h e n s a n d i n e s s a n d w a t e r t e m p e r a t u r e a r e c o n s t a n t ,t h e c a v i t a t i o np r e s s u r e c h a r a c t e r i s t i c s o f s i l t -l a d e nw a t e r d e p e n do nt h r e ei m p o r t a n t f a c t o r s ,t h e l o c a l a l t i t u d e ,s a n d m a s s c o n c e n t r a t i o n a n d s a n d r a d i u s .Wh e n t h e f o r m e r t w o f a c t o r s a r e c o n s t a n t ,t h e i n c i -p i e n t c a v i t a t i o n a n d c r i t i c a l c a v i t a t i o n p r e s s u r e b o t h i n c r e a s e w i t h t h e d e c r e a s e o f s a n d r a d i u s .T h e g a s n u c l e i n u m b e r o f s i l t -l a d e n w a t e r i s f a r g r e a t e r t h a n t h a t o f t h e c l e a n w a t e r .W h e n c a v i t a t i o n o c c u r s i n t h e s i l t -l a d e n w a t e r ,t h e j e t -f l o ws t r e n g t h i n s a n d w a t e r c a u s e d b y t h e b u b b l e s c o l l a p s e i s g r e a t e r t h a n t h a t i n t h e c l e a n w a t e r .T h e t w o r e a s o n s a b o v e c a u s e t h e c a v i t a t i o n d a m a g e o f s e d i m e n t -l a d e n f l o wi n w a t e r p u m p a n d t u r b i n e s t r o n g e r t h a n t h a t o f t h e c l e a n w a t e r i n t h e s a m e d e v i c e c o n d i t i o n s .A t p r e s e n t ,t h e m i s t a k e t h a t t h e v a p o r p r e s s u r e o f c l e a n w a t e r a t z e r o a l t i t u d e i s u s e d t o b e o f t h e c a v i t a t i o n p r e s s u r e i n t h e c o m p u t a t i o n o f t h e c a v i t a t i n g f l o wf i e l d a n dc a v i t a t i o n c o e f f i c i e n t l e a d s t o s e r i o u s i n a c c u r a c i e s o f r e a l r e s u l t s .K e y w o r d s :h y d r a u l i c m a c h i n e r y ;p u m p ;t u r b i n e ;c a v i t a i t i o n p r e s s u r e ;c a v i t a t i o n ;c a v i t a t i o n e r o s i o n收稿日期:2009-06-26基金项目:国家自然科学基金资助项目(50976124)作者简介:常近时(1937—),男,辽宁沈阳人,教授,博士生导师(c j s @c a u .e d u .c n ),主要从事叶片式水力机械水动力学研究.排灌机械工程学报第28卷 工程上常将水泵与水轮机同时用于输送清水和浑水,在设计时,不考虑水质对泵与水轮机空化与空蚀的影响,工质一律取为清水[1].然而,大量的试验研究表明,当站址一定时,浑水(即含沙水)的初生空化压力与临界空化压力都显著高于清水相应的数值[2-3].因此,在相同的装置条件下,当工质为含沙水时,水泵与水轮机将可能发生严重的空化与空蚀.20世纪60年代初期,苏联莫斯科动力学院教授奥拉赫拉斯维利在国内多泥沙河流水电站水轮机遭到严重破坏的调查分析基础上,系统地提出了水轮机“泥沙磨损”理论[4].此后,我国一些水力机械业内人士也对水力机械的“泥沙磨损”进行了研究.尽管早已由试验证实,单纯的所谓“泥沙磨损”一说不符合实际[5],但长期以来并没有揭示含沙水流工作的水力机械通流元件比清水介质破坏严重的根本原因.近年来,笔者对清水和浑水的空化压力特性进行了大量的试验研究,发现在站址一定的情况下,浑水的初生空化压力与临界空化压力大小完全由站址所在的海拔高度、泥沙质量浓度、泥沙粒径等3个主要因素决定,且远比清水较高[2-3,6].在研究泥沙粒径这一影响因素时,笔者专门对单一沙粒发生的空化过程进行观测和记录,以揭示含沙水较清水易发生强烈空化与空蚀的根本原因.1 单个沙粒的空化过程众所周知,纯水(即不含任何异相介质的水)具有同金属相近的抗张强度,根本不可能发生空化.由于近地宇宙射线电离量的辐射、水中含有泥沙、灰尘、有机物等,使所有天然水都含有数量巨大、由几个乃至数百个气体原子组成的微小气核.当水压降低到一定界限时,首批气核膨胀、成长为气泡,水发生空化,又称为初生空化,对应的压力为初生空化压力;当水压继续降低时,气核变成气泡的数量随之增多,空化加剧;当水压降至水发生有如沸腾状的空化且维持稳定不变时,称为临界空化压力.天然水质的空化压力特性则由其初生空化压力与临界空化压力表示,如图1所示.显然,空化是基于气核原始状态发生的气体多变过程.它的物理本质和特性同液态水向蒸汽转化的相变过程根本不同.长期以来,那种把发生空化的压力混同为水的汽化压力的概念是不正确的.图1 天然水空化压力特性F i g.1 C a v i t a t i o n p r e s s u r e c h a r a c t e r i s t i c s o f n a t u r a l w a t e r天然水的初生空化压力与临界空化压力之间,依据水质不同,约有4～5m水柱高的差值,此间将发生不同程度的空化,因而在过流元件也将发生不同强度的空蚀.试验表明,当水中含沙时,随含沙质量浓度的增大,水的初生空化压力值和临界空化压力值都将随之增大,其根本原因是泥沙表面缝隙中寄存大量的气核,从而使含沙水中气核数量远比清水要多.为了彻底揭开含沙水中工作的水泵与水轮机比在清水中发生更为强烈的空化与空蚀的主要原因,笔者专门主持进行了清水中单一沙粒发生空化的过程试验研究.本试验由空化压力测定仪、显微观测装置与数码录像机等设备组成的记录装置完成.在空化压力测定仪透明的活塞缸中加入清水和一颗粒径为0.690m m的沙粒.在活塞缸内水压降低的过程中,连续由显微观测装置对沙粒放大、显示,由数码录像机连续拍摄显示屏上单个沙粒上空化的全过程.图2为这一空化全过程中9幅有代表性的图像[7].伴随水压降低过程,沙粒表面缝隙中寄存的气核因膨胀而析出,形成附着在沙粒表面的几个气泡,进而气泡增多、增大.第9幅图则示出首个最大的气泡脱离沙粒表面瞬间的情况,此时该气泡(直径约1.27m m)所受的浮力大于浮升阻力,发生初生空化,对应的压力为初生空化压力.当压力继续降低时,不难想象,附着在沙粒表面更多的气泡都将陆续脱离沙粒表面,从而使空化加剧.试验中,单个泥沙表面产生很多气泡,但沙粒外清水中却不见气泡.可见清水空化压力远低于浑水.通过这一试验可以得出以下结论:在含沙水中,每个沙粒表面缝隙中确实寄存数量很多、尺寸不等的微小气核;在其他条件不变的情况下,沙粒越多,即含沙质量浓度越高,则气核数量越多,越容易发生空化和发生较严重的空化.94第2期常近时 工质为浑水时水泵与水轮机的空化与空蚀图2 单个沙粒表面的空化过程F i g .2 C a v i t a t i n g p r o c e s s o ns i n g l es a n dg r a i n s u r f a c e 计算表明,当水中含沙质量浓度为8k g /m 3时,假定泥沙粒径D=0.02m m ,保守地估计每个沙粒表面寄存10个气核,则每立方厘米含沙水中比清水时约多700万个气核.2 泥沙粒径对浑水空化压力的影响试验表明,当站址一定、水中含沙质量浓度相同时,不同泥沙粒径大小将显著影响浑水的空化压力特性;泥沙粒径越小则初生空化压力与临界空化压力越高.试验前,先用筛子将同一沙质(即取自同一河道、同一位置的泥沙,沙子的矿物质成分与比例相同)的泥沙粒径分成3个等级:0.045～0.053,0.053～0.075,0.075～0.100m m ,然后将这3种粒径情况的泥沙调配成相同质量浓度为8k g /m 3的3种水样.利用空化压力测定仪分别测量3种水样的初生空化压力和临界空化压力的6次平均值,其结果见表1.试验结果表明,当含沙质量浓度相同时,泥沙粒径越小,初生空化压力与临界空化压力越高,即越容易发生较强烈的空化,而且泥沙粒径的影响十分显著.这是因为当沙质相同、含沙质量浓度相同时,沙粒越小其总表面积越大,因而寄存于泥沙表面缝隙中的表1 不同泥沙粒径的浑水空化压力实测平均值T a b .1 E x p e r i me n t a l d a t ao f c a v i t a t i o np r e s s u r e o fs a n dw a t e r w i t hd i f f e r e n t s a n dr a d i u s粒径/m m 0.045～0.0530.053～0.0750.075～0.100初生空化压力/104P a 6.005.314.65临界空化压力/104P a1.601.060.69气核数量越多的缘故.研究表明,泥沙粒径减小一半,气核的数量近乎增加一倍.在相同的装置条件下,水泵与水轮机引用水中泥沙质量浓度相同时,泥沙粒径越小,即泥沙越细,则引起的空化与空蚀越强烈.3 浑水空蚀浑水比清水的初生空化压力与临界空化压力高,易发生空化,这是水泵与水轮机通流元件表面易发生空蚀破坏和发生较为严重空蚀破坏的首要因素.众所周知,通流元件表面空蚀发生在空泡破灭的地方,由于伴随空泡破灭时微射流对固体表面产生持续的高频微观冲击,致使材料局部疲劳破坏与金属流失,这是空蚀的主要机理.此外还有金属腐蚀、电化学、热力学效应等次要因素[8],也加剧了金属流失.当工质为含沙水时,在气泡溃灭时将发生夹沙水流对固体表面的微观冲击,如图3所示.由于泥沙95排灌机械工程学报第28卷比重大,有些沙粒硬度较高且具有尖锐的棱角,因而对材料表面的冲击破坏力较大.这是浑水空蚀比清水空蚀破坏强度要大的第二个原因.图3 气泡崩解时的夹沙射流F i g .3 Wa t e r e j e c t i o nw i t h s a n d s b yc a v i t a t i n gb u b b l e b r e a k d o w n考虑上述两种因素,在相同的装置条件下,浑水时发生的空化与空蚀比清水时要严重得多.但是,如果浑水时在绕流物体表面不发生空化,就不会发生夹沙水流对固体壁面的冲击,因而不可能引起局部疲劳破坏,只可能发生沙粒对固体壁面的均匀、微小的磨削,不会构成泵与水轮机通流元件的破坏.这个道理很明显,泵与水轮机转轮即使在含沙质量浓度较大的黄河上运行,只在过流表面上压力较低,发生空化的局部地区引起空蚀破坏,而在广泛的与含沙水流相作用的过流表面均未发生破坏,甚至有的地方出厂时涂的红丹防锈漆也未被“磨”掉.可见,所谓单纯的“泥沙磨损”说与事实不符.浑水条件下泵与水轮机通流元件上发生的诸如蜂窝状、鱼鳞状局部破坏与金属流失,仍然是空蚀,也可称为浑水空蚀.4 浑水时泵与水轮机的安装高度文献[8-9]分别给出了工质为浑水时水轮机吸出高度H S T 与水泵吸入高度H S P 的计算表达式:H S T =10.33-p cρg -h 900-K σσT H ,(1)H S P =10.33-p c ρg -h900-h L -K σσP H,(2)式中p c 为站址一定时引用水的空化压力;h 为站址所在的海拔高度;σT ,σP 分别为水轮机与水泵模型试验测得的空化系数;K σ为考虑原模型比尺效应的空化系数的安全系数,K σ=1.1～1.5;h L 为泵吸水管的水力损失;H 为水头或扬程.以往工程上取20℃水的饱和蒸汽压力0.24m 水柱高为式(1)和(2)中的p cρg 值,来计算确定H S T与H S P 值,这是不正确的.正确的做法是,针对具体工程,由试验所得如图1所示的引用水空化压力特性,根据多年平均的泥沙过机质量浓度和工程的重要性、规模,选定合理的p cρg值,由式(1)和(2)计算确定H S T 与H S P 值,最后确定机组的安装高度.显然,含沙水流工作的水轮机、水泵安装高度要比清水时低,只有这样才能保障运行安全.5 浑水三维空化流场的数值计算传统的空化流场计算,不管是针对单物体的平面绕流还是叶片栅的空间绕流,所有工况均取空穴内压力为常数作为求解的边界条件,并且取用20℃、海拔高度为0时清水的汽化压力0.24m 水柱高[10-11].显然,如前所述,这一边界条件的取法是错误的,不符合空化流动的实际.此外,在国内外所有论及空化流动的专业书籍中,都将空化流动相似准则用空化数来表征,即λ=p ∞-p c12ρv 2∞,(3)式中p ∞,v ∞为无穷远来流的压力、速度;ρ为水的密度.以往由于取p c 为常数,当系统中无穷远来流压力降低时,则λ减小,空化发展,空穴尺寸(长度与厚度)增大;在λ与空穴尺寸之间形成一种错误的、人为的相似流动关系.前已述及,试验证实p c 远不是常数,它与水质状况、站址海拔高度有关,不同情况下水的空化压力特性相差很大;同时,在初生空化与临界空化之间,不同空化工况的空化压力值也很不相同.因此,必须完善空化流动的相似理论,用以获得正确的理论计算与模拟试验结果.近年来,由于数值计算的进步,古典的空化流计算方法几乎大都已被废弃[11].目前,国内泵叶轮三维空化流场实用的计算方法主要分为两类:以势流为基础的三维空化流场的面元奇点解法[12]和三维气液两相湍流计算方法[13].这两种方法在实际计算应用时,都存在上述取用边界条件的错误.不管清水或含沙水,水质状况对叶片式水力机械叶轮中空化流场计算的影响,均可通过空化压力值来反应.文献[14]专门介绍了三维空化气液两相湍流计算方法,用于混流式水轮机转轮空化流场计算时,取用不同的临界空化压力值作为边界条件的计算结果.图4为某水轮机大流量工况时取用不同海拔高度清水时3种临界空化压力值(p c =2452～31406P a ),计算所得叶片背面出水边气体组分的结果.当临界空化压力较高时,叶片背面气体组分显著增大.96第2期常近时 工质为浑水时水泵与水轮机的空化与空蚀图4 不同临界空化压力时叶片背面出水边气体组分F i g .4 V a p o r v o l u m e f r a c t i o n o nt r a i l i n g e d g e o f b l a d e s u c t i o ns i d e a t d i f f e r e n t c r i t i c a l c a v i t a t i o n p r e s s u r e s6 结 论(1)试验证实,由于泥沙颗粒表面缝隙中寄存有一定数量的气核,所以浑水中气核总量远高于清水,这是浑水初生空化压力与临界空化压力均较清水时高,易发生空化和发生严重空化的根本原因.(2)试验证实,当沙质、水温、含沙质量浓度相同时,泥沙粒径越小则其初生空化压力与临界空化压力越高,在相同的装置条件下越易发生空化和发生严重的空化.(3)浑水情况下,水泵和水轮机通流元件只有发生空化时,泥沙才同气泡溃灭时产生的微观水击一起对构件表面产生冲击,从而增大空蚀破坏强度.当不发生空化时,浑水中的泥沙不可能对构件表面产生局部、破坏性的泥沙磨损.(4)泵与水轮机空化流场计算和水利水电工程设计确定机组安装高度时,不能取用海拔高度为0时20℃清水的汽化压力0.24m 水柱高,作为发生空化的条件.必须针对具体工程站址实测出工质的空化压力特性,并以此作为计算与设计的根据.参考文献(R e f e r e n c e s )[1] 张克危.流体机械原理[M ].北京:机械工业出版社,2000:139-167.[2] 杨娟丽,王 均,常近时.万家寨水电站水中含沙对空化压力的影响[J ].水利水电技术,2005,36(5):64-67.Y a n g J u a n l i ,Wa n gJ u n ,C h a n gJ i n s h i .E f f e c t o f s e d i -m e n t -l a d e n f l o wo nc a v i t a t i o np r e s s u r ei n s i d e o f h y d r a u -l i c m a c h i n e r i e si nW a n j i a z h a i h y d r o p o w e r s t a t i o n [J ].W a t e r R e s o u r c e s H y d r o p o w e r E n g i n e e r i n g ,2005,36(5):64-67.(i n C h i n e s e )[3] 王 磊,朱茹莎,常近时.青铜峡与八盘峡水电站水中泥沙含量对空化压力的影响[J ].水力发电学报,2008,27(4):44-47.Wa n g L e i ,Z h u R u s h a ,C h a n g J i n s h i .E f f e c t o f s a n dc o n -c e n t r a t i o ni nw a t e r o nc a v i t a t i o np r e s s u r e i nQ i n g t o n g x i a a n d B a p a n x i a h y d r o p o w e r s t a t i o n s [J ].J o u r n a l o f H y d r o -e l e c t r i c E n g i n e e r i n g ,2008,27(4):44-47.(i n C h i n e s e )[4] 奥拉赫拉斯维利.反击式水轮机的耐磨性能[M ].北京:中国工业出版社,1966.[5] 杜 同.水力机械论文选集[M ].成都:四川大学出版社,1996.[6] C h a n g J i n s h i .D e c i s i v e i n f l u e n c e o f t h e i o n i z a t i o n s t r e n g t ho f c o s m i cr a y so nt h ec a v i t a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f p u r e w a t e r [J ].S c i e n c e i nC h i n a ,S e r i e s E :T e c h n o l o g i c a l S c i -e n c e s ,2009,52(6):1804-1808.[7] 朱茹莎.含沙河流水电站水轮机吸出高度的合理确定[D ].中国农业大学水利与土木工程学院,2008.[8] 常近时.黄河上游梯级电站水轮机的吸出高度与空化性能影响因素的研究报告[R ].2007.[9] 常近时.水质状况对泵装置空化性能的重要影响[J ].排灌机械,2008,26(2):23-27.C h a n g J i n s h i .I m p o r t a n t e f f e c t o f s t a t e o f w a t e r q u a l i t y o n c a v i t a t i o np r e s s u r ep e r f o r m a n c eo 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].农业机械学报,2010,41(3):74-79.Wa n g L e i ,C h a n g J i n s h i .C a v i t a t i o n s i m u l a t i o no f F r a n c i s t u r b i n er u n n e rf o rh y d r a u l i co p t i m i z a t i o nd e s i g n [J ].T r a n s a c t i o n so ft h e C h i n e s e S o c i e t y f o r A g r i c u l t u r a l M a c h i n e r y ,2010,41(3):74-79.(i n C h i n e s e )(责任编辑 陈建华)97。
10泵思维导图
特点
获得高真空的工具 需机械泵作为前级泵
电磁泵 水锤泵
适用范围 适用范围
有毒的重金属 熔融的有色金属 微小水力资源条件的贫困用水地区 解决山丘地区农村饮水和治旱问题
分类
干式 半干式 充油式
离心泵
湿式
离心式锅炉给水泵
结构形式 适用范围
分段式多级离心泵 扬程要求不大 流量随锅炉负荷而变化
冷凝水泵
特点
冷凝器内部真空度较高 有较高的气蚀性能
热循环泵
结构形式
单级离心泵
普通离心油泵
泵
结构形式
高温高压离心泵
离心式油泵
筒式离心油泵
适用范围
炼油厂管线冷热油的输送 油井增压
离心式管道油泵
容积式泵
往复泵
优点 缺点 分类
扬程无限高
流量与排出压力无关 具有自吸能力 流量不均匀 电动往复泵 蒸汽往复泵
柱塞计量泵
计量泵
隔膜计量泵
优点
绝对不泄漏
适用范围
输送和计量的液体
无吸入阀和排出阀
特点
结构简单紧凑
回转泵
分类
占地面积小
Hale Waihona Puke 齿轮泵适用范围螺杆泵
适用范围
简单液压系统 润滑油路系统 黏度变化范围大的液体
动力式泵
离心式杂质泵 离心式耐腐蚀泵
特点
过流部件具有耐磨性能
适用范围
含有腐蚀性的液体
结构特点
有特制的屏蔽套
腐蚀性
屏蔽泵（无填料泵）
易燃易爆
剧毒
适用范围
有放射性
极为贵重的液体
高压、高温、低温
高熔点
轴流泵
特点
沿泵轴方向流动
3_水轮机的空蚀空化(11水动)
（2）空蚀破坏类型
空蚀类型
翼型空蚀 间隙空蚀 局部空蚀
特
点
多数情况下位于叶片背面下部片出水边 位置 发生于叶片外缘于转轮室之间叶片根部 与转论体之间的间隙附近
由于局部流态变化而造成，如固定螺丝、 台阶、凹陷，混流式上冠减压孔
空腔空化
反击式水轮机在非设计工况形成的涡带
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（3）空腔空化的机理
反击式水轮机所特有的一种旋涡空化。对于反击式水轮机， 在非设计工况运行时，转轮出口水流存在一定的圆周速度分量， 在其作用下，在转轮后产生涡带，涡带中心形成很大的 负压，这种涡带一般以低于水轮机转 速的速度在尾水管中旋转，造成尾水 管中流场发生周期性的变化，并引起 机组的振动和噪音。
第三章 水轮机空化与空蚀
第一节 空化与空蚀的机理
一、水轮机空蚀与磨损情况简介
在我国已投产的电站中，相当一部分电站 由于空蚀磨损破坏，导致机组效率下降、出力 减小、振动加剧，不仅威胁水电站的安全运行， 而且严重威胁电网的安全运行。
2
三门峡水电厂机组在泥沙 磨损和空蚀的联合作用下， 水轮机过流部件严重破坏， 水轮机运行15000小时必 须扩修，其中4# 机运行2 年过流部件严重损坏，效 率下降 8.7%。
3
黄河上游的刘家峡水 电站由于空蚀磨损破坏， 不仅转轮上出现大面积破 坏深坑，活动导叶关闭不 严无法停机，有时被迫安 排两台机组进行扩大型大 修。
4
宝珠寺水电站由于机组运行 工况较差，转轮上冠靠叶片 背面根部发生较严重的空蚀 破坏，尾水管锥管里衬上在 4个补气管根部 (顺水流旋 转方向斜向下约45o处)气蚀 严重，面积达600mm×700 mm，最严重的已气蚀穿孔。
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C、冲击波理论