水轮机的空化与空蚀

水轮机的空化与空蚀

空化与空蚀现象在水轮机中非常常见，会造成水轮机的叶片磨蚀损坏，导致水轮机的性能与经济效益下降，改善空化与空蚀现象需要制造工艺水平的提升与设计的改善，超空化水轮机的空化、空蚀大大降低，但是它的实用化仍旧有很长的路要走。

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水轮机中存在的空化、空蚀现象会对水轮机的性能产生不利的影响，因此在设计运行时要尽可能地避免，并将空化、空蚀对水轮机的性能的不利影响降到最低。空化现象指的是水轮机流道中局部压力降至临界压力时，水中气核慢慢成长为气泡，气泡将液体中的蒸气和溶液中析出的气体包裹起来。当进入压力较低的区域时，气泡则会逐渐长大，当气泡随水流运动到压力较高的区域时，在高压的作用下会迅速凝缩溃灭。因此，空化是指气泡从集聚、流动、分裂到溃灭的这一过程。空化现象不仅发生在液体内部，也会出现在固体边界上。空蚀指的是由于空泡的溃灭所引发的过流表面金属材料的损坏。空泡在溃灭的过程中伴随着机械、电化、热力、化学等过程的作用。空化、空蚀会导致水轮机的性能下降，水轮机的过流部件表面会遭到损坏，甚至会使金属材料的局部发生脱落。

发生空蚀的主要原因是空泡溃灭所产生的机械作用，包括冲击波模式和射流模式两种。通过对空蚀现象的观察，我们会发现空蚀在边界上分布并不均匀，而是集中在某些位置。当第一个蚀坑形成后，在一定的条件下，它的发展速度要比其它的地方快，蚀坑越来越大、越来越深，最后将导致材料破碎而被水冲走。除此之外，也可以用热力学和电化作用来解释空蚀现象。空蚀产生的原因十分复杂，它在多重作用下发生，并且与化学腐蚀、泥沙磨损等相互促进，使得材料被进一步破坏。

水轮机按空化与空蚀发生的部位不同可以分为翼型空蚀、间隙空蚀、局部空蚀和空腔空蚀。翼型空蚀是反击式水轮机的主要空蚀类型，在叶片的不同部位都有可能会出现空蚀区，转轮型号及运行工况都会影响到空蚀区的发展。间隙空蚀指的是当水流通过狭小通道或间隙时局部流速会升高，导致压力下降而产生空蚀，间隙空蚀在转浆式水轮机中最为突出，发生区域多在转轮叶片外缘与转轮室之间以及叶片根部与转轮体之间的间隙附近。局部空化产生的主要原因是过流面上局部地方的一些不规则的凹凸引起了旋涡，漩涡中心的压力下降到气化压力所产生的。空腔空化与上述三种空化有着明显的差异并且为反击式水轮机所特有，它通常在转轮下方的空腔区域发生。当反击式水轮机处于非设计工况下运行时，转轮出口水流在圆周方向存在着一定的速度分量，在该圆周速度分量的作用下，在转轮后会形成涡带，涡带中心有着很大的负压，这种涡带在尾水管中旋转的频率一般低于水轮机转速，并周期性地与尾水管边壁发生碰撞，造成振动和噪音。甚至会引发共振现象，导致机组或厂房发生振动并造成机组出力的严重波动，严重威胁着机组的运行安全。

在水力机械的设计和运行中，空化和空蚀所产生的严重危害已经引起了工程技术界的普遍关注。空化、空蚀会引发一系列的不良现象，会导致水轮机过流部件表面损坏，水轮机在运行过程中，转轮以及一些过流部件的局部表面上，金属表面会失去光泽并变为暗灰色，逐渐产生深度一般为1到2mm的麻点状针状孔，随着时间的推移进一步发展成为海绵状（即蜂窝状），此时金属表面的破坏已十分严重，再进一步发展金属就会产生局部的脱落，甚至穿孔。这样会引起能量参数下降，尤其是当空化、空蚀发展到干扰正常水流流动时，会加大能量损失，使得效率和出力发生大幅度的下降。空化、空蚀问题已然阻碍了水利机械的进一步发展。近代水轮机主要是采用不断提高比转速的措施来减小转轮的尺寸并降低制造成本，同时提高单机容量，这些趋势都将会使得水轮机的空化、空蚀持续恶化。

影响空蚀的因素很多，通常分为内因和外因两种，内因主要是指材料的本质属性即硬度、塑性及材料的抗磨蚀性能；外因主要包括工件的表面粗糙度、流体的运动速度、流体的温度和流体中的气体含量等。空化是妨碍水力机械提高比转速、提高單机容量、提高应用水头的重要原因之一。水轮机之所以尺寸大、转速低，一方面受工作参数的限制，另一方面也受到空化的影响。为了使水力机械能够在空化条件下运行，并提高其工作能力，从20世纪50年代开始，国外就大力开展了水力机械超空化的理论和实验研究工作，其成果先后在高速船艇的螺旋推进器、水翼船和高速泵中得到应用。根据空蚀发生的机理，若汽泡或汽穴的崩溃过程不发生在固体壁面上，即汽穴区域的长度远大于翼型的弦长，此时虽然空化较强，但不会破坏绕流物体的壁面。汽泡崩溃过程完全发生在物体外部，即后面的水中，这种现象称为超空化，也是超空化水力机械的基本工作原理。

超空化的水力机械转轮叶片的翼型与普通的空气动力翼型，无论是在形状上还是在动力特性上都存在着很大的差别。普通的空气动力翼型均为前半部较厚，尾部较薄的流线型翼型，翼型绕流产生的升力主要是靠翼型背面压力降低来实现的。超空化翼型的最大厚度靠近翼型的尾部，而翼型的前半部分较薄，翼型绕流升力主要靠翼型正面压力形成。当工况发生变动时，翼型背面的压力变化较小，而正面始终保持正压。超空化翼型在超空化公况下绕流时，汽穴的长度同翼型弦长的比值应大于3到4，至少不能小于1.5，否则汽穴的不稳定工况将对翼型表面的绕流产生干扰。超空化的翼型种类很多，国外已研制出用于螺旋桨、水泵等水力机械的各种性能良好的超空化翼型。实验表明，超空化泵的性能大大优于一般的水泵，即超空化泵已不再受空化的限制而能保持较高的运行效率。

超空化的叶片式水力机械转轮叶片需选用超空化的翼型，并以超空化的流体动力学理论为设计基础，它的正常工作状态就是空化工况。而要使超空化水轮机实用化，必须进一步改善超空化翼型的动力性能，增大其升阻比，以便提高其超空化转轮的效率。水轮机的效率指标远比高速水泵的效率指标要重要得多，使超空化水轮机实用化的关键就是提高其工作效率。超空化水轮机尾水管中的流动是汽水二相流，尾水管的效率不高。因此，要提高水轮机的整体效率，必须对超空化尾水管做专门的研究。为了改善空蚀，在设计水轮机时，首先要在满足功率要求的前提下，保证具有较高的能量指标，其次要保证具有令人满意的空蚀性能。向汽蚀区域通入空气可以降低空蚀破坏强度，在原型水轮机上曾经观察过通气对降低空蚀破坏强度的效果。另外可以采用抗空蚀性能高的材料和保护层用于改善