水力机械空化空蚀问题的研究进展

水力机械空化空蚀问题的研究进展

发表时间：2018-11-11T10:38:04.390Z 来源：《基层建设》2018年第28期作者：张铎继[导读] 摘要：根据水力学能量方程可知，水轮机的空蚀是由于流经水轮机的水流，因某些因素的影响，导致水流在某些部位的流速突然增快，而引起该部位的压力出现局部降低的现象。

广西宏源水利电力勘察设计有限公司广西南宁 530001 摘要：根据水力学能量方程可知，水轮机的空蚀是由于流经水轮机的水流，因某些因素的影响，导致水流在某些部位的流速突然增快，而引起该部位的压力出现局部降低的现象。当水流流速增长较快，快到足以使该处的压力降低到该水温下的汽化压力时，在此低压区域的水便开始发生汽化，空蚀也就随之而产生。

关键词：水轮机空蚀；危害；原因；措施前言：水轮机空蚀的危害在水轮机运行过程中，对其运行极为不利的影响因素是空化和空蚀的存在，其影响主要表现在以下几方面：（1）会对水轮机的导叶、转轮室、转轮、上下止漏环及尾水管等过流部件产生破坏力。（2）由于水流的能量转换规律和正常运行规律受到空化和空蚀的破坏作用，使得水流的漏损和水力损失显著增加，最终导致水轮机的出力和效率降低。（3）使机组检修的复杂性和难度增大了，检修周期随之缩短。由于空化和空蚀的存在，不仅会对金属部件产生疲劳破坏，还会引发水力振动、压力脉动和空蚀噪音等。导致机组在检修时，不可避免的要耗用大量的钢材和辅材，还使得检修的工期也相应延长了，极大的影响了机组运行的效率和经济性。（4）当空化和空蚀较严重时，可使得机组的噪音、负荷波动及振动的程度均加剧，甚至会导致机组无法稳定、安全地运行。可见，空蚀对机组带来的破坏力是多方面的，同时它又是水轮机运行过程中不可避免的一种现象。对于任何选取优良抗空蚀材料而制成，且设计优良的水轮机，在实际运行中，由于运行环境的改变仍不可避免地会发生空蚀现象。空蚀问题讫今为止仍然是一个世界性的难题，这就提醒我们在机组运行的过程中，对这个问题要引起足够的重视。并应设法采取积极有效的措施去削弱或消除空蚀的影响，以提高水轮机过流部件抗空蚀破坏的能力，这不仅可延长检修的周期，还有助于机组使用寿命的延长。对提高机组的安全、稳定运行具有极重要的现实意义。

1 水轮机空蚀的成因

1.1 空化现象

当通过水轮机的水流在某些区域的流速突然增快，必然会导致相应区域的水流压力出现局部的降低。一旦该水流速度增速到足以使得该处的压力下降，并降低到接近该水温下的汽化压力时，此区域的部分水流便开始发生汽化现象。使得原来溶于水中的气体开始逐步析出，并形成了破坏水流连续性的气泡。当这些气泡随着水流的流动进入到低压区时，就会不断地发育为较大的气泡，当其流经压力高于汽化压力临界值的高压区时，气泡在压力的作用下便迅速发生溃灭，空化现象就发生了。空化包括了气泡的形成、发育、溃灭的全过程。究其发生的根本原因，内因是由于水流内部本身存在微米级以下的小气泡，即“空化核”的存在，当水流内部的压力发生降低时，则形成了诱发空化发生的外因。

1.2 空蚀的产生

当气泡在水流中形成、长大，并在过流表面附近不断溃灭的过程中，一般会伴随着机械、电化、热力、化学等过程的产生，过流表面会反复地遭受到巨大冲击压力的作用，从而引起其构成材料的疲劳、破损，甚至表面剥蚀，称之为空蚀现象。空蚀是空化的直接后果，它在过流表面产生的蚀点、麻坑，会演化为蜂窝状的剥蚀破坏。之后会逐步发展，致使局部的金属出现穿孔、脱落现象。更严重的是空蚀所引起的气蚀噪音和水力振动等现象，极大地威胁到了水轮机的安全、稳定运行。但是由于在水轮机运行中，其水流运动状况极为复杂，空蚀现象不可避免的存在着。为保证机组能够正常运行，设法改善或提高水轮机抗空蚀的性能，将其影响控制在可接受的范围，已成为运行中的重要任务。

2 水轮机空蚀破坏的类型

一般将水轮机中的空蚀，根据破坏发生的部位不同，划分为四种主要类型：翼型空蚀、间隙空蚀、局部空蚀和空腔空蚀。

2.1 翼型空蚀

由于水流沿叶片绕流而引起压力降低所产生的，往往在其叶片背面形成负压。故翼型空蚀不仅与叶片翼型断面的几何形状密切相关，还与机组的运行工况有关，当水轮机处于非最优工况时，极易诱发或加剧翼型空蚀的发生。

2.2 间隙空蚀

局部水流的流速因其通过间隙或狭小通道时，而突然升高，致使该处的压力发生局部降低，当其值降低到接近该水温下的汽化压力时，所产生的一种空蚀现象。间隙气蚀主要与间隙的宽度有关。

2.3 局部空蚀

局部空蚀主要是由于结构、制造工艺不够精准等原因所引起的局部水流流态的突然变化，造成局部压力的降低，而产生的一种空蚀现象。

2.4 空腔空蚀

水轮机在最优工况运行时，出口水流的绝对速度中不会存在圆周速度分量。而当其运行于非设计工况时，转轮出口处的绝对速度中，则会出现较大的圆周速度分量，该速度分量会使得水流在尾水管中或转轮出口处产生旋转，所形成的涡带称之为真空涡带。一旦涡带中心的负压低于该水温下的汽化压力时，空化现象便发生了。当该涡带周期性地旋转并碰撞、扫射尾水管管壁时，便在该处产生了空腔空蚀。显然，空腔空蚀与机组的运行工况密切相关。

3 水轮机抗空蚀的措施

只有不稳定的空化，才会引起空蚀，但并非所有空化都会对材料造成损坏。空蚀的机理不仅与材料的损坏程度相关，还与其所受到的冲击强度有关。目前，空蚀的机理虽然已逐渐为人们所认知，但是水轮机空蚀问题却仍未能从根本上得以解决。因此，为了减轻和消除空蚀的后果，根据空蚀的成因，可知防止气泡的产生是减少空蚀的有效措施。为此，首先从结构上，应使在液体中运动的表面具有良好的流线型，避免在局部区域因为出现涡流，而产生气泡。其次，应当设法减少液体流动中的扰动和液体中的含气量，将有助于抑制气泡的形成。还可通过选择抗空蚀能力、抗腐蚀能力强的材料来减轻空蚀的破坏程度。

3.1 提高水轮机的水力设计水平

翼型空蚀是水轮机的主要空蚀类型，它也是最普遍、最严重的空蚀之一。翼型的断面设计、水轮机的运行工况等因素，对翼型空蚀的性能有着直接的影响。设计时可以考虑在满足强度和刚度要求的条件下，使叶片出水边要尽量的薄；可采用襟翼结构（长短叶片）；增加翼型稠密等方法来实现。

3.2 提高加工制造的工艺水平，采用优良的抗蚀材料

水轮机空蚀性能的好坏，与其加工制造的工艺水平有着直接的关系。制造质量良好的水轮机，是保障其具备优良抗气蚀性能的前提，因此，应着力于改善和提高水轮机的加工制造质量，尽量减轻或避免因该原因而引发的空化和空蚀破坏。此外，还可通过采用抗蚀性能良好的材料或在过流表面采用保护层等方法，来提高水轮机过流部件的抗蚀能力。

3.3 拟定合理的运行方式，改善运行条件

由于水轮机的运行方式直接影响着其空化和空蚀的程度。因此，合理拟定适当的运行方式，避开空化严重的区域，尽可能地使机组运行于最优工况，可有效地避免空化和空蚀的发生。从而保证水轮机能够具备良好的运行条件，对机组的正常稳定运行有极大的促进作用。另外，可采用在转轮下部补气的方法，来破坏水轮机在非设计工况运行时，所形成的偏心涡带，以改善该处的真空度，对减轻空腔空蚀和振动有显著的效果。

结束语

空蚀现象既然无法完全避免，那么只能设法将其破坏程度尽可能地降低到最小。因此，研究水轮机的空蚀机理，改善空蚀性能及抗空蚀的措施，目前仍是水轮机研究的重要课题之一。这就需要从水轮机的水力性能、结构强度、材料特性等多方面进行研究，以便能采取积极而有成效的方法，来减轻或消除空蚀所造成的破坏。未来随着水力机械设计水平的提高，水力学理论的不断成熟、完善，抗空蚀材料的不断研发、运用，设备制造工艺水平的不断改善及提高，相信水轮机的空化与空蚀问题一定会逐步得以解决。

参考文献：

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