第五章 葉片式流體空蝕、泥沙磨損及水力振動

第五章葉片式流體的空蝕、泥沙

磨損及水力振動空化與空蝕是發(fā)生于液體作為介質(zhì)的水力機械中的一種特有現(xiàn)象，而在固體和空氣中一般不會發(fā)生空化和空蝕。所以空化與空蝕同樣也是反映水輪機、水泵特性的一個重要指標，是設(shè)計、試驗、運行中必須考慮的問題，并且一直是國內(nèi)外水力機械領(lǐng)域中的重要研究課題。

2/5/20231西華大學宋文武教授本章準備討論4個方面的問題：1、空化與空蝕機理2、水力機械的空化參數(shù)3、水力機械的泥沙磨損4、水力機械的水力振動2/5/20232西華大學宋文武教授第一節(jié)空化與空蝕機理一、空化現(xiàn)象

這是一種流體力學現(xiàn)象。臨界壓力——把給定溫度下，液體開始汽化的壓力叫做臨界壓力。（在不同溫度下，液體的臨界壓力是不同的）。注意：當液體溫度一定，而壓力降低到相應的臨界壓力時，也會出現(xiàn)汽化現(xiàn)象，同時溶解于液體中的氣體析出，形成空泡（空穴）。

2/5/20233西華大學宋文武教授通過水力機械流道中的液流，如果某個地方的流速增高，必然會引起此處的局部壓力下降，當壓力降低到當時液流下的臨界壓力時，這個低壓區(qū)的液流就會開始汽化——出現(xiàn)空泡（汽泡），空泡隨液流運動到較高壓力區(qū)，由于P↑，汽泡中的蒸氣要重新凝結(jié)成水，汽泡潰滅。因為體積突然收縮，汽泡原先占有的空間形成真空，于是周圍的高壓液流質(zhì)點高速沖近來，將對過流表面產(chǎn)生非常大的瞬間脈沖壓力（水錘壓力）。同時，在壓力增高時，原來從液流中分解出來的小汽泡，在水錘壓力的作用下被急劇壓縮，直到汽泡的彈性力大雨水錘壓力時，汽泡將停止壓縮而瞬間膨脹，所以對過流表面又形成另一種水錘壓力。2/5/20234西華大學宋文武教授空化：隨著壓力變化，液流中出現(xiàn)空泡狀態(tài)（初生、發(fā)展、潰滅）及產(chǎn)生一系列物理化學變化稱作空化（空穴）。空蝕：指當空泡的潰滅過程發(fā)生于固壁表面，而使材料破壞，即由空化引起的材料破壞（侵蝕）?？张莸漠a(chǎn)生與發(fā)展取決于液體的狀態(tài)（溫度和壓力）以及液體本身的物理性質(zhì)（所含雜質(zhì)量及所溶解的氣體等）。

2/5/20235西華大學宋文武教授空泡的發(fā)展型式（按存在形式和產(chǎn)生的原因來分）：

①、游動型（離散型）空泡。②、固定型空泡（空泡初生后形成附著于邊界上的空隙）。③、旋渦型空泡（液體受強烈擾動而形成）。④、振動型空泡。

2/5/20236西華大學宋文武教授二、空蝕機理

空蝕對過流部件造成的破壞，主要有四種理論：機械作用、電化作用、化學作用和微射流理論。1）機械作用在過流表面的某處，隨著液流不斷流過，空泡不斷形成—潰滅—壓縮和膨脹，將產(chǎn)生很高的沖擊壓力。通過高速攝影的圓盤實驗觀察到，汽泡凝結(jié)時間約萬分之一秒，水錘壓力可以達到幾百個甚至幾千個大氣壓，對邊壁材料造成破壞。

2/5/20237西華大學宋文武教授1°空泡在潰滅過程中產(chǎn)生沖擊波，從空泡的中心向外放射時具有和大的沖擊力，對材料產(chǎn)生破壞。2°大的空泡在潰滅過程中會變形，空泡分裂成若干個小空泡的過程中還會產(chǎn)生高速的微射流束，產(chǎn)生很強的沖擊力。在過流邊壁的某一個地方，隨著液流的不斷流過，潰滅的空泡像尖刀一樣反復錘打金屬邊壁（疲勞破壞），金屬表面在反復打擊下，金屬晶格開始破壞—出現(xiàn)裂紋。當壓力升高時，高壓液流深進金屬裂縫，壓力突然下降時，縫隙中的液流又吹出來，循環(huán)下去造成金屬破壞，最終成塊脫落——剝蝕。

2/5/20238西華大學宋文武教授2）化學作用當空泡被壓縮時，由于體積突然縮小，溫度要升高放出熱量；同時水錘壓力對金屬表面的沖擊也要產(chǎn)生局部高溫。當空泡凝結(jié)時，局部溫度可達到300°C左右，所以在這種高溫、高壓作用下，又促使了空蝕對金屬表面的氧化，這就是化學作用。3）電化作用氣泡在高溫高壓作用下產(chǎn)生放電現(xiàn)象，這就是電化作用。因為金屬表面被高壓液流反復沖擊的部位會產(chǎn)生很大熱量，溫度升高，形成熱端，將會與鄰近點的非沖擊部位(冷端)構(gòu)成一個熱電耦，在熱電耦的回路中產(chǎn)生電勢，使金屬內(nèi)部有電流通過，也產(chǎn)生電化腐蝕(電解作用)，致金屬表面變暗變毛，加速機械破壞作用。2/5/20239西華大學宋文武教授4）微射流理論

空泡在潰滅過程中還會產(chǎn)生高速的微射流束，產(chǎn)生很強的沖擊力，對材料表面產(chǎn)生破壞作用。三、空蝕破壞類型及對性能的影響

1、空化空蝕破壞類型

1）.翼型空化和空蝕2）.間隙空化和空蝕3）.空腔空化和空蝕4）.局部空化和空蝕2/5/202310西華大學宋文武教授2、空化與空蝕對水力機械性能的影響對性能產(chǎn)生影響，主要表現(xiàn)為四個方面：1）、破壞過流表面2）、機器能量特性發(fā)生變化3）、引起振動和噪聲4）、使機組檢修頻繁2/5/202311西華大學宋文武教授第二節(jié)

水力機械的空化參數(shù)既然空化與空蝕是水力機械在能量轉(zhuǎn)換中特有的現(xiàn)象，它對機器的性能造成直接影響，故水力機械的空化空蝕性能也是一項非常重要的特性指標。如何反映水力機械的空化空蝕性能，這對于預測、改善水力機械的空化空蝕性能是非常必要的。常用翼型空化空蝕來表征水力機械的性能，它是反擊式水力機械中最主要的空化空蝕形式。2/5/202312西華大學宋文武教授翼型空化主要發(fā)生在葉片背面靠近出水邊（水輪機）或進水邊（泵）的地方，我們設(shè)葉片背面的K點為最低壓力點，那么當K點的壓力低于或等于當時液體溫度的汽化壓力時（pk/γ≤pv/γ）就發(fā)生空化。空化(或空蝕)系數(shù)

泵：=稱裝置空化系數(shù)水輪機：=稱電站空化系數(shù)2/5/202313西華大學宋文武教授水力機械的空化系數(shù)=，，，

2/5/202314西華大學宋文武教授—稱為外空化指標（安裝機組時控制）—稱內(nèi)空化指標（設(shè)計時控制）因為是無因次的，它是水力機械空化現(xiàn)象的相似準則，對幾何相似，工作在相似工況的機器=const?？栈?或空蝕)比轉(zhuǎn)速

C=5.62nqv1/2/△hr3/4

2/5/202315西華大學宋文武教授第三節(jié)水力機械的泥沙磨損河流中普遍夾帶有大量的泥沙，尤其是黃河的含沙量居世界首位。那么當大量泥沙經(jīng)過水輪機，會對電站的運行，對水輪機造成什么影響呢？

對多泥沙河流上水電站的水輪機泥沙磨損是一個普遍存在的問題。

2/5/202316西華大學宋文武教授一、泥沙磨損的定義水力機械的工作水流中，具有一定對內(nèi)的堅硬沙粒沖撞過流表面，而將造成材料的微體積剝落，這一過程稱為泥沙磨損。

二、泥沙磨損的危害磨損過流部件ηv↓，η↓，p↓，引起機組振動。2/5/202317西華大學宋文武教授舉例說明：1、白金電站（ZL）：因過機水流中含有大量鐵沙，運行時間小于三年，轉(zhuǎn)輪葉片普遍磨薄，邊緣已嚴重損壞，轉(zhuǎn)輪室中部分已完全磨掉，露出了混凝土。2、關(guān)江電站（HL）：運行時間小于2300小時，葉片已穿孔。3、甘肅家嘴電站，H=32米，轉(zhuǎn)輪為30#鑄鋼，運行45天后，轉(zhuǎn)輪出水邊磨成魚鱗坑，下環(huán)處磨成刀刃狀，出現(xiàn)缺口，下迷宮環(huán)全已磨損，運行一年后，功率由3000KW下降到2400KW，注：ZL機主要磨損部件為轉(zhuǎn)輪及轉(zhuǎn)輪室。2/5/202318西華大學宋文武教授4、河南某電站水輪機的轉(zhuǎn)輪室與葉片間隙由6—8毫米磨損到70—100毫米。中高水頭電站，有時導水機構(gòu)磨損比較嚴重。5、甘肅某電站；H=100米，經(jīng)過一個汛期運行，導葉出現(xiàn)缺口，造成導葉嚴重漏水，開停機困難。6、漁子溪電站：H=270米，運行11000小時后，不銹鋼轉(zhuǎn)輪完好，但導葉和底環(huán)抗磨板嚴重損壞。2/5/202319西華大學宋文武教授三、磨損機理

水力機械的泥沙磨損是一個很復雜的問題，一般認為是由于機械和化學作用的結(jié)果，當然主要是由于機械的作用。當水流中的泥沙沖撞過流表面瞬間，可能產(chǎn)生高溫高壓，那么在高溫高壓作用下，因為水中含有氣體，就很易使金屬表面氧化，使金屬表面的保護膜被破壞——產(chǎn)生局部腐蝕。再加上泥沙不斷沖擊金屬表面，就更加速金屬保護層的破壞。

2/5/202320西華大學宋文武教授另外，由于堅硬的泥沙硬度一般高于金屬材料的硬度，而且砂粒形狀各異，有尖銳的菱角形圓形等，都以很高的速度處境在材料表面上。當尖角砂粒以平行材料的表面移動，使接觸點產(chǎn)生橫向塑性流動，切下一定數(shù)量的微體積材料，這相當于微切削過程。在垂直沖擊下，尖角砂粒同材料接觸時，尖角會轉(zhuǎn)動，這也存在微切削效果，但切削能力不如小沖角。圓形砂粒垂直沖擊在材料表面會產(chǎn)生反復的塑性變形形成凹坑。這些塑性降低，脆性增加的堆積物將重新受壓移位。同時在合適的砂粒沖角下，易被直接剪斷——屬變形磨損。

2/5/202321西華大學宋文武教授

泥沙對過流表面的磨損過程，相當于變形磨損和微切削磨損的復合作用。

2/5/202322西華大學宋文武教授空蝕破壞特征：空蝕破壞是有潛伏期的，金屬變色（表面灰暗）→麻點（真孔狀）→海綿狀（表面十分疏松），魚鱗坑→孔洞、溝槽、裂紋等。破壞表面無金屬光澤。泥沙磨損破壞特征：泥沙磨損破壞是無潛伏期的，具有擦痕→溝槽→魚鱗坑的破壞特征，破壞表面呈金屬光澤。2/5/202323西華大學宋文武教授四、影響泥沙磨損的因素

1.砂粒破度，形狀，尺寸，含砂量等。（砂成分：石英，長石，花崗石硬度↑；形狀：棱角形，尖角形，圓形等。粒徑>0.25mm不允許通過水輪機，建議0.05或0.05~0.1mm）2.材料的抗磨性能（如金屬表面滲碳，涂料，環(huán)氧金剛砂，抗磨橡膠等）。3.水流狀態(tài)（水流速度及沖擊方向）。一般認為磨損量與流速成三次方關(guān)系。2/5/202324西華大學宋文武教授五、主要的抗磨措施1.結(jié)構(gòu)設(shè)計上改善水流流態(tài)在結(jié)構(gòu)設(shè)計上盡量使過流表面平滑，沒有凹凸不平，窄縫等造成局部旋渦產(chǎn)生。設(shè)耐磨系數(shù)表征ZG30定為“1”堆6424焊條—“≥4.0”20Cr5Cu板材—“2.0~3.0”1Cr18Ni9Ti板材—“1.2~1.8”

2/5/202325西華大學宋文武教授2.采用耐磨材料幾涂層，對易磨部位鋪抗磨板。如對頂蓋和底環(huán)部分鋪抗磨板，來加強過流部件的耐磨性能。3.合理選擇機型和工作參數(shù)

機型：中高水頭（H=300~1700m）和HL（H=30~700m）中選擇時：水斗式的噴針，噴嘴易遭泥沙磨損，造成η↓，但易更換，水斗式總的耐磨，適宜多泥沙電站。HL的主要磨損部位是導葉，而且HL的磨損對η↓影響比水斗式小，壽命長，但檢修較難，從減少磨損觀點應選HL。2/5/202326西華大學宋文武教授機型：低水頭ZL和HL中選擇時：ZL轉(zhuǎn)輪出口處W2較大，易遭磨損，但檢修比HL容易。從磨損觀點看，宜選HL機組。工作參數(shù)：（1）多泥沙電站Hs允應取小一點。（2）選擇較大的轉(zhuǎn)輪直徑D1，減少轉(zhuǎn)輪中相對流速，減少轉(zhuǎn)輪磨損。2/5/202327西華大學宋文武教授4.對機組運行運行工況的限制

這主要是指規(guī)定合理的運行工況，當偏離設(shè)計工況時，水流條件惡化，局部流速增加，會加劇磨損破壞。所以必須控制機組的運行工況。對多泥沙電站，水輪機作調(diào)相運行和停機時，由于導葉關(guān)閉不嚴，在導葉間會產(chǎn)生高速射流，使導葉磨損加劇。那么為減少導葉磨損，停機時先不關(guān)閉導葉，而是利用主閥的關(guān)閉來避免發(fā)生導葉的間隙泄漏。2/5/202328西華大學宋文武教授5.設(shè)沉沙池，排砂建筑物

在電站設(shè)沉沙池或排砂閘，來減少過機泥沙。

2/5/202329西華大學宋文武教授

衡量水力機組性能的好壞，除了用能量指標和空蝕性能好壞來判斷外，還應該有一個反映工作穩(wěn)定性的指標，因為機組的振動除了直接影響到運行的穩(wěn)定性外，而且劇烈振動還會造成設(shè)備和廠房的破壞，所以振動問題目前已作為一項重要的科研課題。第四節(jié)水力機械的水力振動2/5/202330西華大學宋文武教授引起水輪發(fā)電機組振動可分成三大類：機械振動：由轉(zhuǎn)動部分質(zhì)量不平衡以及工況及安裝等原因造成。電磁振動：由發(fā)電機電氣部分的電磁力不平衡而引起。水力振動：由水輪機尾水管渦帶、導葉或葉片尾部的渦列、轉(zhuǎn)輪止漏環(huán)中的壓力脈動或者引水鋼管的振動等因數(shù)造成。

2/5/202331西華大學宋文武教授一、尾水管渦帶及其引起的水力振動尾水管渦帶是HL和ZD式水輪機在部分負荷時，尾水管中出現(xiàn)的一種不穩(wěn)定流動，這種不穩(wěn)定流動產(chǎn)生的壓力脈動是造成水輪機組振動和出力擺動的主要根源。各種工況下尾水管渦帶的形狀及特點

2/5/202332西華大學宋文武教授(a)（b）(c)(d)(e)(f)2/5/202333西華大學宋文武教授a)空載或負荷很?。何菜艹晒谭€(wěn)型死水區(qū)且與尾水管同心，這時壓力脈動的值很小。b)（30-40）％N：出現(xiàn)偏心渦帶，并稍有扭曲，水壓脈動大，是危險區(qū)域。c)（40-55）％N：渦帶嚴重偏心水力脈動更大，是最危險的區(qū)域。d)（70-75）％N：渦帶同心水壓脈動很小；對運行無擾動。e)（75-85）％N：無渦帶，沒有水壓脈動，運行穩(wěn)定。滿負荷到超負荷：基本是管狀渦帶（在轉(zhuǎn)輪出口約有收縮），有很小的壓力脈動。危險區(qū)域：從圖上可以看出：（30-55）％N范圍類渦帶都出現(xiàn)偏心；水壓脈動很大，一般要認為這兩種渦帶皆是造成尾水管壓力脈動的主要原因。

2/5/202334西華大學宋文武教授由尾水管渦帶造成的壓力脈動屬于低頻壓力脈動，即渦帶的頻率是低于水輪機轉(zhuǎn)動頻率的，一旦空腔外邊形成了局部空蝕并引起水擊作用時就會產(chǎn)生不規(guī)則的強壓力沖擊，所以在這種低頻的壓力脈動作用下就會引起水輪機組的振動。主要表現(xiàn)的特點是：1）引起尾水管振動，嚴重時將破壞尾水管里襯2）引起水輪機頂蓋的推力軸承的垂直振動3）可能引起壓力水管振動4)引起廠方振動2/5/202335西華大學宋文武教授二、