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。

（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。

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。

4、微射流理论

空泡在溃灭过程中还会产生高速的微射流束，产生很强的冲击力，对材料表面产生破坏作用。

三、空化与空蚀破坏类型及对性能的影响

1、空化与空蚀破坏类型

（1）翼型空化和空蚀：一般发生在转轮叶片上的气蚀。混流式水轮机发生

在叶片出水背面，叶片与下环、上冠连接的过渡表面等处，轴流式水轮机发生在叶片出水边背面；

（2）间隙空化和空蚀：一般发生在水轮机各过流部件的间隙处产生的气蚀。通常在导叶间隙和止漏环间隙处，以及轴流式水轮机的叶片和转轮室间隙处，叶片转轴根部和转毂间隙处，在水斗式水轮机中，喷嘴和针阀间隙处；

（3）空腔空化和空蚀：一般发生在反击式水轮机低负荷或超负荷运行区域，水流流经工作转轮时不能满足无撞击入口及法向出口的条件，出口水流存在圆周速度分量，产生脱硫和旋流，从而引起低频或高频涡带，形成螺旋状或条索状空腔（空泡群），主要侵蚀尾水管壁及泄水锥的表面。由于涡带产生压力脉动，造成机组强烈的噪音和剧烈震动；

（4）局部空化和空蚀：一般发生在过流表面不平滑的地方。

2、空化与空蚀对水力机械性能的影响

对性能产生影响，主要表现为四个方面：

（1）破坏过流表面

（2）机器能量特性发生变化

（3）引起振动和噪声

（4）使机组检修频繁

四、水轮机抗空化的措施

1、改善水轮机的水力设计

理论计算表明，空化系数明显的受翼型厚度及最大厚度位置的影响，翼型越厚，空化系数越大，所以，在满足强度和刚度要求的条件下，叶片要尽量薄；

翼删稠密度的增加，可改善其空化和空蚀性能，降低空化系数；

为了减小间隙空化的有害影响，尽可能采用小而均匀的间隙，我国采用的间隙标准为千分之一转轮直径；

加长尾水管的直锥管部分和加大扩散角，可以提高转轮下部锥管上方的压力，以削弱涡带的形成，此外，加长转轮泄水锥可以控制转轮下部尾水管进口的流速，并影响涡带在尾水管内的形成以及压力脉动。所以，改进尾水管及转轮上冠的设计能有效减轻空腔空化。

2、提高加工工艺，采用抗蚀材料

采用数控铣床联入计算机的自动加工系统，严格控制加工精度；

采用优良抗蚀材料或增加材料的抗蚀性来提高转轮抗蚀性能，抗蚀材料应具有韧性强、硬度高、抗拉力强、疲劳极限高、应变硬化好、晶格细、好的可焊性等综合性能。

3、改善运行条件并采用适当的运行措施

（1）非设计工况运行与空腔空化：当水轮机在低负荷下运行时，随着流量的减少，相对速度也减小，绝对速度变化，出口水流中就有圆周速度的分量，形成转轮出口处与转轮旋转方向一致的旋转运动；反之，当负荷大于最优工况的出力时，形成转轮出口处与转轮旋转方向相反的旋转运动。实测证实：水轮机压力脉动最大值发生在半负荷区。

（2）空蚀强度随运行时间的变化关系：空蚀深度的增加随运行时间按幂函数规律增加。空蚀初期发展缓慢，在空蚀加剧期，空蚀量随发电时间而急剧增加，一般应在空蚀加剧期来临之前进行大修。转轮在补焊后有必要进行热处理以消除焊接应力。

（3）运行水头对空蚀的影响：运行水头较高的水轮机受到的空蚀强度较大，对于同一水轮机来说，偏离额定水头越远，空化和空蚀的强度越大。

（4）运行吸出高度对空蚀的影响：当其他运行条件相同时，水轮机实际的吸出高度越小，其空化和空蚀程度越轻。

（4）补气对空蚀的影响：目前通常采用的主轴中心孔自然补气和尾水管补气等对改善翼型空化和空蚀效果不大，而对改善空腔空化的作用较为显著能有效降低尾水管内的压力脉动和机组振动。

第二节水力机械的泥沙磨损

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

三、泥沙磨损机理