第四章叶片式流体的空蚀,泥沙磨损及水力振动

1、第四章 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。 4.1 空化与空蚀机理 4.2 水力机械的空化参数 4.3 水力机械的泥沙磨损 4.4 水力机械的水力振动 4.1 空化与空蚀机理 一、空化现象 这是一种流体力学现象。 临界压力把给定温度下，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

2、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

3、膨胀，所以对过流表面又形成另一种水锤压力。 v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）。 v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）。 空泡的发展型式 （按存在形式和产生的原因来分）： 、游动型（离散型）空泡。、游动型（离散型）空泡。 、固定型空泡（空泡初生后形成附着于边界上的空隙）。、固定型空泡（空泡初生后形成附着于边界上的空隙）。 、旋涡型空泡（液体受强烈扰动而形成）。、旋涡型空泡（

4、液体受强烈扰动而形成）。 、振动型空泡。、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。 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

5、，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300C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，

6、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、空蚀破坏类型及对性能的影响 1、空化空蚀破坏类型 1）翼型空化和空蚀 2）间隙空化和空蚀 3）空腔空化和空蚀 4）局部空化和空蚀 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 第二节 水力机

7、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。 翼型空化主要发生在叶片背面靠近出水边（水轮机）或进水边（泵） 的地方，我们设叶片背面的K点为最低压力点，那么当K点的压力低于或等 于当时液体温度的汽化压力时（pk/pv/）就发生空化。 空化(或空蚀)系数 泵：泵： = = 称装置空化系数称装置空化系数 水轮机：水轮机： 称称电站

8、空化系数系数 aa S H h svaasvaa g 水力机械的空化系数水力机械的空化系数= rr Sh gH Pva-Pk vak ， ， ， 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。 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

9、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v， ，p，引起机组振动 。 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， 注：ZL机主要

10、磨损部件为转轮及转轮室。 4、河南某电站水轮机的转轮室与叶片间隙由68毫米磨损 到70100毫米。中高水头电站，有时导水机构磨损比较 严重。 5、甘肃某电站；H=100米，经过一个汛期运行，导叶出现缺 口，造成导叶严重漏水，开停机困难。 6、渔子溪电站：H=270米，运行11000小时后，不锈钢转轮 完好，但导叶和底环抗磨板严重损坏。 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

11、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。 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。 泥沙对过流表面的磨损过程，相当于 变形磨损和微

12、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。 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0.050.1mm） 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

13、流速成三次方关系 。 五、主要的抗磨措施 1.1.结构设计上改善水流流态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 “2.03.0” 1Cr18Ni9Ti板材 “1.21.8” 2. 采用耐磨材料几涂层，对易磨部位铺抗磨板。 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=3001700m）和HL（H=30700m）中 选择时： 水斗式的喷针，喷嘴易遭泥沙磨损，造成，但易更换， 水斗式总的耐磨，适宜

14、多泥沙电站。 HL的主要磨损部位是导叶，而且HL的磨损对影响比水斗式 小，寿命长，但检修较难，从减少磨损观点应选HL。 机型：低水头机型：低水头ZLZL和和HLHL中选择时：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：工作参数： 多泥沙电站Hs允应取小一点。 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

15、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。 5.设沉沙池，排砂建筑物 在电站设沉沙池或排砂闸，来减少过机泥沙。 衡量水力机组性能的好坏，除了用能量指标和空蚀性 能好坏来判断外，还应该有一个反映工作稳定性的指标， 因为机组的振动除了直接影响到运行的稳定性外，而且剧 烈振动还会造成设备和厂房的破坏，所以振动问题目前已 作为一项重要的科研课题。 第四节第四节 水力机械的水力振动水力机械的水力振动 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

16、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。 各种工况下尾水管涡带的形状及特点 (a) （b） (c) (d) (e) (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

17、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。 由尾水管涡带造成的压力脉动属于低频压力脉动，即涡 带的频率是低于水轮机转动频率的，一旦空腔外边形成了局部 空蚀并引起水击作用时就会产生不规则的强压力冲击，所以在 这种低频的压力脉动作用下就会引起水轮机组的振动。 主要表现的特点是： 1）引起尾水管振动，严重时将破坏尾水管里衬 2）引起水轮机顶盖的推力轴承的垂直振动 3）可能引起压力水管振动 4) 引起厂方振动 二、消除或减小尾水管压力脉动的措施 1.尾水管补气 2.布置阻水栅 3.导水栅 4.改变尾水管结构形状，加长尾水管锥段及选择其适当 的锥角 三、涡列引起的叶片振动 卡门