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。空蚀是空化的直接后果，空蚀只发生在固体边界上。

二、空蚀机理

空蚀的形成与水的汽化现象有密切的联系。在给定温度下，水开始汽化的临界压力叫做水的汽化压力。水在各种温度下的汽化压力值见表4-1。为应用方便，汽化压力用其导出单位mH2O (1mH2O=9806.65p a)表示。

表4-1 水的汽化压力值

由上述可见，对于某一温度的水，当压力下降到某一汽化压力时，水就开始产生汽化现象。通过水轮机的水流，如果在某些地方流速增高了，根据水力学的能量方程知道，必然引起该处的局部压力降低，如果该处水流速度增加很大，以致使压力降低到在该水温下的汽化压力时，则此低压区的水开始汽化，便会产生汽蚀。

目前认为，空蚀对金属材料表面的侵蚀破坏有机械作用、化学作用和电化作用三种，以机械作用为主。

１．机械作用

水流在水轮机流道中运动可能发生局部的压力降低，当局部压力低到汽化压力时，水就开始汽化，而原来溶解在水中的极微小的（直径约为10-5~10-4mm）空气泡也同时开始聚集、逸出。从而，就在水中出现了大量的由空气及水蒸汽混合形成的气泡（直径在0.1~2.0mm以下）。这些气泡随着水流进入压力高于汽化压力的区域时，一方面由于气泡外动水压力的增大，另一方面由于汽泡内水蒸汽迅速凝结使压力变得很低，从而使气泡内外的动水压差远大于维持气泡成球状的表面张力，导致气泡瞬时溃裂（溃裂时间约为几百分之一或几千分之一秒）。在气泡溃裂的瞬间，其周围的水流质点便在极高的压差作用下产生极大的流速向汽泡中心冲击，形或巨大的冲击压力（其值可达几十甚至几百个大气压）。在此冲击压力作用下，原来气泡内的气体全部溶于水中，并与一小股水体一起急剧收缩形成聚能高压“水核”。而后水核迅速膨胀冲击周围水体，并一直传递到过流部件表面，致使过流部件表面受到一小股高速射流的撞击。这种撞击现象是伴随着运动水流中气泡的不断生成与溃裂而产生的，它具有高频脉冲的特点，从而对过流部件表面造成材料的破坏，这种破坏作用称为空蚀的“机械作用”。

２．化学作用

发生空化和空蚀时，气泡使金属材料表面局部出现高温是发生化学作用的主要原因。这种局部出现的高温可能是气泡在高压区被压缩时放出的热量，或者是由于高速射流撞击过流部件表面而释放出的热量。据试验测定，在气泡凝结时，局部瞬时高温可过300℃，在这种高温和高压作用下，促进汽泡对金属材料表面的氧化腐蚀作用。

３．电化作用

在发生空化和空蚀时，局部受热的材料与四周低温的材料之间，会产生局部温差，形成热电偶，材料中有电流流过，引起热电效应，产生电化腐蚀，破坏金属材料的表面层，使它发暗变毛糙，加快了机械侵蚀作用。

根据对汽蚀现象的多年观测，认为空化和空蚀破坏主要是机械破坏，化学和电化作用是次要的。在机械作用的同时，化学和电化腐蚀加速了机械破坏过程。空化和空蚀

在破坏开始时，一般是金属表面失去光泽而变暗，接着是变毛糙而发展成麻点，一般呈针孔状，深度在1~2mm以内；再进一步使金属表面十分疏松成海绵状，也称为蜂窝状深度为3mm到几十毫米。汽蚀严重时，可能造成水轮机叶片的穿孔破坏。空化和空蚀的存在对水轮机运行极为不利，其影响主要表现在以下几方面：

１．破坏水轮机的过流部件，如导叶、转轮、转轮室、上下止漏环及尾水管等。

２．降低水轮机的出力和效率，因为空化和空蚀会破坏水流的正常运行规律和能量转换规律，并会增加水流的漏损和水力损失。

３．空化和空蚀严重时，可能使机组产生强烈的振动、噪音及负荷波动，导致机组不能安全稳定运行。

４．缩短了机组的检修周期，增加了机组检修的复杂性。空化和空蚀检修不仅耗用大量钢材，而且延长工期，影响电力生产。

第二节水轮机空化与空蚀类型

由于水力机械中的水流是比较复杂的，空化现象可以出现在不同部位及在不同条件下形成空化初生。对于各种类型的水力机械空化区的观察和室内试验成果可知，空化经常在绕流体表面的低压区或流向急变部位出现，而最大空蚀区位于平均空穴长度的下游端，但整个空蚀区是由最大空蚀点在上下游延伸相对宽的一个范围内。所以，导流面的空蚀部分并非是引起空化观察现象的低压点，而低压点在空蚀区的上游，即在空穴的上游端。

根据空化和空蚀发生的条件和部位的不同，一般可分为以下四种：

１．翼型空化和空蚀。翼型空化和空蚀是由于水流绕流叶片引起压力降低而产生的。叶片背面的压力往往为负压，其压力分布如图4-2。当背面低压区的压力降低到环境汽化压力以下时，便发生空化和空蚀。这种空化和空蚀与叶片翼型断面的几何形状密切相关，所以称为翼型空化和空蚀。翼型空化和空蚀是反击式水轮机主要的空化和空蚀形态。翼型空化和空蚀与运行工况有关，当水轮机处在非最优工况时，则会诱发或加剧翼型空化和空蚀。

图4-2 沿叶片背面压力分布

国内许多水电站水轮机的调查，混流式水轮机的翼型空化和空蚀主要可能发生在图4-3)

(b所示的A～D四个区域。A区为叶片背面下半部出水边；B区为叶片背面与下环靠近处；C区为下环立面内侧；D区为转轮叶片背面与上冠交界处。轴流式轮机的翼型空化和空蚀主要发生在叶背面的出水边和叶片与轮毂的连接处附近，如图4-3)

(a所示。