第五章叶片式流体的空蚀

空化(或空蚀)比转速 C=5.62nqv1/2/△hr3/4
第三节 水力机械的泥沙磨损
河流中普遍夹带有大量的泥沙，尤其是 黄河的含沙量居世界首位。那么当大量泥沙 经过水轮机，会对电站的运行，对水轮机造 成什么影响呢？ 对多泥沙河流上水电站的水轮机泥沙磨 损是一个普遍存在的问题。
一、泥沙磨损的定义 水力机械的工作水流中，具有一定对内的 坚硬沙粒冲撞过流表面，而将造成材料的 微体积剥落，这一过程称为泥沙磨损。 二、泥沙磨损的危害 磨损过流部件ηv↓， η↓ ，p↓，引起机 组振动 。
a va s a va s
ha S a H
水力机械的空化系数 =
P k - P va gH
，
hr S r
，
k va
，


—称为外空化指标（安装机组时控制）

—称内空化指标（设计时控制） 因为 是无因次的，它是水力机械空化现 象的相似准则，对几何相似，工作在相似工 况的机器 =const。
2）化学作用 当空泡被压缩时，由于体积突然缩小，温度要 升高放出热量；同时水锤压力对金属表面的冲击也 要产生局部高温。当空泡凝结时，局部温度可达到 300°C左右，所以在这种高温、高压作用下，又促 使了空蚀对金属表面的氧化，这就是化学作用。 3）电化作用 气泡在高温高压作用下产生放电现象，这就是电 化作用。因为金属表面被高压液流反复冲击的部位 会产生很大热量，温度升高，形成热端，将会与邻 近点的非冲击部位(冷端) 构成一个热电耦，在热电 耦的回路中产生电势，使金属内部有电流通过，也 产生电化腐蚀(电解作用)，致金属表面变暗变毛， 加速机械破坏作用。
泥沙对过流表面的磨损过 程，相当于变形磨损和微切削 磨损的复合作用。
空蚀破坏特征： 空蚀破坏是有潜伏期的，金属变色（表面 灰暗） →麻点（真孔状） →海绵状（表面十 分疏松），鱼鳞坑→孔洞、沟槽、裂纹等。 破坏表面无金属光泽。 泥沙磨损破坏特征： 泥沙磨损破坏是无潜伏期的，具有擦痕→ 沟槽→鱼鳞坑的破坏特征，破坏表面呈金属 光泽。
举例说明： 1、 白金电站（ZL）：因过机水流中含有大量铁沙， 运行时间小于三年，转轮叶片普遍磨薄，边缘已严 重损坏，转轮室中部分已完全磨掉，露出了混凝土。 2、 关江电站（HL）：运行时间小于2300小时，叶片 已穿孔。 3、 甘肃家嘴电站，H=32米，转轮为30#铸钢，运行 45天后，转轮出水边磨成鱼鳞坑，下环处磨成刀刃 状，出现缺口，下迷宫环全已磨损，运行一年后， 功率由3000KW下降到2400KW，
三、磨损机理 水力机械的泥沙磨损是一个很复杂的问题， 一般认为是由于机械和化学作用的结果，当 然主要是由于机械的作用。 当水流中的泥沙冲撞过流表面瞬间，可能 产生高温高压，那么在高温高压作用下，因 为水中含有气体，就很易使金属表面氧化， 使金属表面的保护膜被破坏——产生局部腐 蚀。再加上泥沙不断冲击金属表面，就更加 速金属保护层的破坏。
引起水轮发电机组振动可分成三大类 ：
机械振动：由转动部分质量不平衡以及工况
及安装等原因造成。 电磁振动：由发电机电气部分的电磁力不平 衡而引起。 水力振动：由水轮机尾水管涡带、导叶或叶 片尾部的涡列、转轮止漏环中的压力脉动或 者引水钢管的振动等因数造成。
一、尾水管涡带及其引起的水力振动 尾水管涡带是HL和ZD式水轮机在部分 负荷时，尾水管中出现的一种不稳定流动， 这种不稳定流动产生的压力脉动是造成水 轮机组振动和出力摆动的主要根源。
如对顶盖和底环部分铺抗磨板，来加强过流部件 的耐磨性能。
3.合理选择机型和工作参数
机型：中高水头（H=300~1700m）和HL （H=30~700m）中选择时： 水斗式的喷针，喷嘴易遭泥沙磨损，造成η↓，但易更 换， 水斗式总的耐磨，适宜多泥沙电站。 HL的主要磨损部位是导叶，而且HL的磨损对η↓影 响比水斗式小，寿命长，但检修较难，从减少磨损观 点应选HL。
各种工况下尾水管涡带的形状及特点
(a)
（b）
(c)
(d)
(e)
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
(f)
a) 空载或负荷很小：尾水管成固稳型死水区且与尾 水管同心，这时压力脉动的值很小。 b)（30-40）％N：出现偏心涡带，并稍有扭曲，水压 脉动大，是危险区域。 c)（40-55）％N：涡带严重偏心水力脉动更大，是最 危险的区域。 d)（70-75）％N：涡带同心水压脉动很小；对运行无 扰动。 e)（75-85）％N：无涡带，没有水压脉动，运行稳定。 f) 满负荷到超负荷：基本是管状涡带（在转轮出口 约有收缩），有很小的压力脉动。 危险区域： 从图上可以看出：（30-55）％N范围类涡 带 都出现偏心；水压脉动很大，一般要认为这两种 涡带皆是造成尾水管压力脉动的主要原因。
第二节 水力机械的空化参数
既然空化与空蚀是水力机械在能量转 换中特有的现象，它对机器的性能造成直 接影响，故水力机械的空化空蚀性能也是 一项非常重要的特性指标。如何反映水力 机械的空化空蚀性能，这对于预测、改善 水力机械的空化空蚀性能是非常必要的。
常用翼型空化空蚀来表征水力机械的 性能，它是反击式水力机械中最主要的空 化空蚀形式。
四、影响泥沙磨损的因素
1.砂粒破度，形状，尺寸，含砂量等。 （砂成分：石英，长石，花岗石硬度↑；形状： 棱角形，尖角形，圆形等。 粒径>0.25mm不允许通过水轮机，建议0.05 或0.05~0.1mm） 2.材料的抗磨性能（如金属表面渗碳，涂料， 环氧金刚砂，抗磨橡胶等）。 3.水流状态（水流速度及冲击方向）。 一般认为磨损量与流速成三次方关系 。
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。
第五章 叶片式流体的空蚀、泥沙 磨损及水力振动
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。 所以空化与空蚀同样也是反映水轮机、水 泵特性的一个重要指标，是设计、试验、运行 中必须考虑的问题，并且一直是国内外水力机 械领域中的重要研究课题。
本章准备讨论4个方面的问题：
机型：低水头ZL和HL中选择时： ZL转轮出口处W2较大，易遭磨损，但检修 比HL容易。 从磨损观点看，宜选HL机组。 工作参数： （1） 多泥沙电站Hs允应取小一点。 （2） 选择较大的转轮直径D1，减少转轮中 相对流速，减少转轮磨损。
4.对机组运行运行工况的限制
这主要是指规定合理的运行工况，当偏 离设计工况时，水流条件恶化，局部流速增 加，会加剧磨损破坏。所以必须控制机组的 运行工况。对多泥沙电站，水轮机作调相运 行和停机时，由于导叶关闭不严，在导叶间 会产生高速射流，使导叶磨损加剧。那么为 减少导叶磨损，停机时先不关闭导叶，而是 利用主阀的关闭来避免发生导叶的间隙泄漏。
五、主要的抗磨措施
1.结构设计上改善水流流态
在结构设计上尽量使过流表面平滑，没 有凹凸不平，窄缝等造成局部旋涡产生。 设耐磨系数表征 ZG30 定为“1” 堆6424焊条 —“≥4.0” 20Cr5Cu板材 —“2.0~3.0” 1Cr18Ni9Ti板材 —“1.2~1.8”
2. 采用耐磨材料几涂层，对易磨部位铺抗磨板。
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。 2°大的空泡在溃灭过程中会变形，空泡分裂 成若干个小空泡的过程中还会产生高速的微 射流束，产生很强的冲击力。 在过流边壁的某一个地方，随着液流的不 断流过，溃灭的空泡像尖刀一样反复锤打金 属边壁（疲劳破坏），金属表面在反复打击 下，金属晶格开始破坏—出现裂纹。当压力 升高时，高压液流深进金属裂缝，压力突然 下降时，缝隙中的液流又吹出来，循环下去 造成金属破坏，最终成块脱落——剥蚀。
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）。
空泡的产生与发展取决于液体的状态 （温度和压力）以及液体本身的物理性质 （所含杂质量及所溶解的气体等）。
另外，由于坚硬的泥沙硬度一般高于金 属材料的硬度，而且砂粒形状各异，有尖锐 的菱角形 圆形等，都以很高的速度处境在材 料表面上。当尖角砂粒以平行材料的表面移 动，使接触点产生横向塑性流动，切下一定 数量的微体积材料，这相当于微切削过程。 在垂直冲击下，尖角砂粒同材料接触时， 尖角会转动，这也存在微切削效果，但切削 能力不如小冲角。圆形砂粒垂直冲击在材料 表面会产生反复的塑性变形形成凹坑。这些 塑性降低，脆性增加的堆积物将重新受压移 位。同时在合适的砂粒冲角下 ，易被直接剪 断——属变形磨损。
空泡的发展型式
（按存在形式和产生的原因来分）：
①、游动型（离散型）空泡。 ②、固定型空泡（空泡初生后形成附着于边界 上的空隙）。 ③、旋涡型空泡（液体受强烈扰动而形成）。 ④、振动型空泡。
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。