第四章葉片式流體的空蝕,泥沙磨損及水力振動(dòng)

1、第四章 葉片式流體的空蝕、泥沙磨損及水力振動(dòng) 空化與空蝕是發(fā)生于液體作為介質(zhì)的水力機(jī)械中的一種特有 現(xiàn)象，而在固體和空氣中一般不會(huì)發(fā)生空化和空蝕。 所以空化與空蝕同樣也是反映水輪機(jī)、水泵特性的一個(gè)重要 指標(biāo)，是設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、運(yùn)行中必須考慮的問題，并且一直是國內(nèi) 外水力機(jī)械領(lǐng)域中的重要研究課題。 4.1 空化與空蝕機(jī)理 4.2 水力機(jī)械的空化參數(shù) 4.3 水力機(jī)械的泥沙磨損 4.4 水力機(jī)械的水力振動(dòng) 4.1 空化與空蝕機(jī)理 一、空化現(xiàn)象 這是一種流體力學(xué)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(dāng)液體溫度一定，而壓力降低到相

2、應(yīng)的臨界壓力時(shí)， 也會(huì)出現(xiàn)汽化現(xiàn)象，同時(shí)溶解于液體中的氣體析出，形成空泡 （空穴）。 通過水力機(jī)械流道中的液流，如果某個(gè)地方的流速增高，必然會(huì)引起 此處的局部壓力下降，當(dāng)壓力降低到當(dāng)時(shí)液流下的臨界壓力時(shí)，這個(gè) 低壓區(qū)的液流就會(huì)開始汽化出現(xiàn)空泡（汽泡），空泡隨液流運(yùn)動(dòng) 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?yàn)轶w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(diǎn)高速?zèng)_近來，將對(duì)過流表面產(chǎn)生非常大的瞬間脈沖壓力（水 錘壓力）。同時(shí)，在壓力增高時(shí)，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(shí)， 汽泡將停止壓縮而瞬間

3、膨脹，所以對(duì)過流表面又形成另一種水錘壓力。 v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(xué)變化稱作空化（空穴）。 v空蝕：指當(dāng)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）。 空泡的產(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）。 空泡的發(fā)展型式 （按存在形式和產(chǎn)生的原因來分）： 、游動(dòng)型（離散型）空泡。、游動(dòng)型（離散型）空泡。 、固定型空泡（空泡初生后形成附著于邊界上的空隙）。、固定型空泡（空泡初生后形成附著于邊界上的空隙）。 、旋渦型空泡（液體受強(qiáng)烈擾動(dòng)而形成）。、旋渦型空泡（

4、液體受強(qiáng)烈擾動(dòng)而形成）。 、振動(dòng)型空泡。、振動(dòng)型空泡。 二、空蝕機(jī)理 空蝕對(duì)過流部件造成的破壞，主要有四種理論：機(jī)械作用、電 化作用、化學(xué)作用和微射流理論。 1）機(jī)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(shí)驗(yàn)觀察到，汽泡凝結(jié)時(shí)間約萬分之一秒，水錘壓力可以達(dá)到幾 百個(gè)甚至幾千個(gè)大氣壓，對(duì)邊壁材料造成破壞。 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(shí)具 有和大的沖擊力，對(duì)材料產(chǎn)生破壞。 2大的空泡在潰滅過程中會(huì)變形，空泡分裂成若干個(gè)小空泡的 過程中還會(huì)產(chǎn)生高速的微射流束，產(chǎn)生很強(qiáng)的沖擊力。 在過流邊壁的某一個(gè)地方

5、，隨著液流的不斷流過，潰滅的空泡 像尖刀一樣反復(fù)錘打金屬邊壁（疲勞破壞），金屬表面在反復(fù)打 擊下，金屬晶格開始破壞出現(xiàn)裂紋。當(dāng)壓力升高時(shí)，高壓液流 深進(jìn)金屬裂縫，壓力突然下降時(shí)，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）化學(xué)作用 當(dāng)空泡被壓縮時(shí)，由于體積突然縮小，溫度要升高放出熱量；同時(shí) 水錘壓力對(duì)金屬表面的沖擊也要產(chǎn)生局部高溫。當(dāng)空泡凝結(jié)時(shí)，局部 溫度可達(dá)到300C左右，所以在這種高溫、高壓作用下，又促使了空 蝕對(duì)金屬表面的氧化，這就是化學(xué)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?yàn)榻饘?表面被高壓液流反復(fù)沖擊的部位會(huì)產(chǎn)生很大熱量，

6、溫度升高，形成熱 端，將會(huì)與鄰近點(diǎn)的非沖擊部位(冷端) 構(gòu)成一個(gè)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(jī)械破壞作用。 4）微射流理論 空泡在潰滅過程中還會(huì)產(chǎn)生高速的微射流束，產(chǎn)生很強(qiáng)的沖擊力， 對(duì)材料表面產(chǎn)生破壞作用。 三、空蝕破壞類型及對(duì)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、空化與空蝕對(duì)水力機(jī)械性能的影響 對(duì)性能產(chǎn)生影響，主要表現(xiàn)為四個(gè)方面： 1）破壞過流表面 2）機(jī)器能量特性發(fā)生變化 3）引起振動(dòng)和噪聲 4）使機(jī)組檢修頻繁 第二節(jié) 水力機(jī)

7、械的空化參數(shù) 既然空化與空蝕是水力機(jī)械在能量轉(zhuǎn)換中特有的 現(xiàn)象，它對(duì)機(jī)器的性能造成直接影響，故水力機(jī)械的 空化空蝕性能也是一項(xiàng)非常重要的特性指標(biāo)。如何反 映水力機(jī)械的空化空蝕性能，這對(duì)于預(yù)測、改善水力 機(jī)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(jī)械的性能， 它是反擊式水力機(jī)械中最主要的空化空蝕形式。 翼型空化主要發(fā)生在葉片背面靠近出水邊（水輪機(jī)）或進(jìn)水邊（泵） 的地方，我們設(shè)葉片背面的K點(diǎn)為最低壓力點(diǎn)，那么當(dāng)K點(diǎn)的壓力低于或等 于當(dāng)時(shí)液體溫度的汽化壓力時(shí)（pk/pv/）就發(fā)生空化。 空化(或空蝕)系數(shù) 泵：泵： = = 稱裝置空化系數(shù)稱裝置空化系數(shù) 水輪機(jī)：水輪機(jī)： 稱稱電站

8、空化系數(shù)系數(shù) aa S H h svaasvaa g 水力機(jī)械的空化系數(shù)水力機(jī)械的空化系數(shù)= rr Sh gH Pva-Pk vak ， ， ， 稱為外空化指標(biāo)（安裝機(jī)組時(shí)控制） 稱內(nèi)空化指標(biāo)（設(shè)計(jì)時(shí)控制） 因?yàn)?是無因次的，它是水力機(jī)械空化現(xiàn)象的相似準(zhǔn) 則，對(duì)幾何相似，工作在相似工況的機(jī)器 =const。 空化(或空蝕)比轉(zhuǎn)速 C=5.62nqv1/2/hr3/4 第三節(jié) 水力機(jī)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(dāng)大量泥沙經(jīng)過水輪機(jī)，會(huì)對(duì)電站的運(yùn)行，對(duì) 水輪機(jī)造成什么影響呢？ 對(duì)多泥沙河流上水電站的水輪機(jī)泥沙磨損是一個(gè)普遍存 在的問題。 一、泥沙磨

9、損的定義 水力機(jī)械的工作水流中，具有一定對(duì)內(nèi)的堅(jiān)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v， ，p，引起機(jī)組振動(dòng) 。 舉例說明： 1、白金電站（ZL）：因過機(jī)水流中含有大量鐵沙，運(yùn)行時(shí)間小于三 年，轉(zhuǎn)輪葉片普遍磨薄，邊緣已嚴(yán)重?fù)p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(yùn)行時(shí)間小于2300小時(shí)，葉片已穿孔。 3、甘肅家嘴電站，H=32米，轉(zhuǎn)輪為30#鑄鋼，運(yùn)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(yùn)行一年后，功率由3000KW下降到2400KW， 注：ZL機(jī)主要

10、磨損部件為轉(zhuǎn)輪及轉(zhuǎn)輪室。 4、河南某電站水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪室與葉片間隙由68毫米磨損 到70100毫米。中高水頭電站，有時(shí)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)磨損比較 嚴(yán)重。 5、甘肅某電站；H=100米，經(jīng)過一個(gè)汛期運(yùn)行，導(dǎo)葉出現(xiàn)缺 口，造成導(dǎo)葉嚴(yán)重漏水，開停機(jī)困難。 6、漁子溪電站：H=270米，運(yùn)行11000小時(shí)后，不銹鋼轉(zhuǎn)輪 完好，但導(dǎo)葉和底環(huán)抗磨板嚴(yán)重?fù)p壞。 三、磨損機(jī)理 水力機(jī)械的泥沙磨損是一個(gè)很復(fù)雜的問題，一般認(rèn)為是由 于機(jī)械和化學(xué)作用的結(jié)果，當(dāng)然主要是由于機(jī)械的作用。 當(dāng)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?yàn)樗泻袣怏w，就很易使金屬表 面氧化，使金屬表面的保護(hù)膜被破壞產(chǎn)生

11、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(hù)層的破壞。 另外，由于堅(jiān)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(dāng)尖角砂粒以平行材料的表面移動(dòng)，使接觸點(diǎn)產(chǎn) 生橫向塑性流動(dòng)，切下一定數(shù)量的微體積材料，這相當(dāng)于微切削 過程。 在垂直沖擊下，尖角砂粒同材料接觸時(shí)，尖角會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，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(huì)產(chǎn)生反復(fù)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(shí)在合適的砂粒沖角下,易被 直接剪斷屬變形磨損。 泥沙對(duì)過流表面的磨損過程，相當(dāng)于 變形磨損和微

12、切削磨損的復(fù)合作用。 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(diǎn)（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。 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(jī)，建議0.05或0.050.1mm） 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(rèn)為磨損量與

13、流速成三次方關(guān)系 。 五、主要的抗磨措施 1.1.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上改善水流流態(tài)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上改善水流流態(tài) 在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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 “2.03.0” 1Cr18Ni9Ti板材 “1.21.8” 2. 采用耐磨材料幾涂層，對(duì)易磨部位鋪抗磨板。 如對(duì)頂蓋和底環(huán)部分鋪抗磨板，來加強(qiáng)過流部件的耐磨 性能。 3.合理選擇機(jī)型和工作參數(shù) 機(jī)型：中高水頭（H=3001700m）和HL（H=30700m）中 選擇時(shí)： 水斗式的噴針，噴嘴易遭泥沙磨損，造成，但易更換， 水斗式總的耐磨，適宜

14、多泥沙電站。 HL的主要磨損部位是導(dǎo)葉，而且HL的磨損對(duì)影響比水斗式 小，壽命長，但檢修較難，從減少磨損觀點(diǎn)應(yīng)選HL。 機(jī)型：低水頭機(jī)型：低水頭ZLZL和和HLHL中選擇時(shí)：中選擇時(shí)： 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(diǎn)看，宜選HL機(jī)組。 工作參數(shù)：工作參數(shù)： 多泥沙電站Hs允應(yīng)取小一點(diǎn)。 選擇較大的轉(zhuǎn)輪直徑D1，減少轉(zhuǎn)輪中相對(duì)流速，減少轉(zhuǎn) 輪磨損。 4.對(duì)機(jī)組運(yùn)行運(yùn)行工況的限制 這主要是指規(guī)定合理的運(yùn)行工況，當(dāng)偏離設(shè)計(jì)工況時(shí)， 水流條件惡化，局部流速增加，會(huì)加劇磨損破壞。所以必須控 制機(jī)組的運(yùn)行工況。對(duì)多泥沙電站，水輪機(jī)作調(diào)相運(yùn)行和停機(jī) 時(shí)，由于導(dǎo)葉關(guān)閉不嚴(yán)，在

15、導(dǎo)葉間會(huì)產(chǎn)生高速射流，使導(dǎo)葉磨 損加劇。那么為減少導(dǎo)葉磨損，停機(jī)時(shí)先不關(guān)閉導(dǎo)葉，而是利 用主閥的關(guān)閉來避免發(fā)生導(dǎo)葉的間隙泄漏。 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(jī)泥沙。 衡量水力機(jī)組性能的好壞，除了用能量指標(biāo)和空蝕性 能好壞來判斷外，還應(yīng)該有一個(gè)反映工作穩(wěn)定性的指標(biāo)， 因?yàn)闄C(jī)組的振動(dòng)除了直接影響到運(yùn)行的穩(wěn)定性外，而且劇 烈振動(dòng)還會(huì)造成設(shè)備和廠房的破壞，所以振動(dòng)問題目前已 作為一項(xiàng)重要的科研課題。 第四節(jié)第四節(jié) 水力機(jī)械的水力振動(dòng)水力機(jī)械的水力振動(dòng) 引起水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)可分成三大類 ： 機(jī)械振動(dòng)：由轉(zhuǎn)動(dòng)部分質(zhì)量不平衡以及工況及安裝等原因 造成。 電磁振動(dòng)：由發(fā)電機(jī)電氣部

16、分的電磁力不平衡而引起。 水力振動(dòng)：由水輪機(jī)尾水管渦帶、導(dǎo)葉或葉片尾部的渦列、 轉(zhuǎn)輪止漏環(huán)中的壓力脈動(dòng)或者引水鋼管的振動(dòng)等因數(shù)造成。 一、尾水管渦帶及其引起的水力振動(dòng) 尾水管渦帶是HL和ZD式水輪機(jī)在部分負(fù)荷時(shí)，尾水管中出 現(xiàn)的一種不穩(wěn)定流動(dòng)，這種不穩(wěn)定流動(dòng)產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)是造成水 輪機(jī)組振動(dòng)和出力擺動(dòng)的主要根源。 各種工況下尾水管渦帶的形狀及特點(diǎn) (a) （b） (c) (d) (e) (f) a) 空載或負(fù)荷很?。何菜艹晒谭€(wěn)型死水區(qū)且與尾水管同心， 這時(shí)壓力脈動(dòng)的值很小。 b)（30-40）N：出現(xiàn)偏心渦帶，并稍有扭曲，水壓脈動(dòng)大， 是危 險(xiǎn)區(qū)域。 c)（40-55）N：渦帶嚴(yán)重偏心水力脈

17、動(dòng)更大，是最危險(xiǎn)的區(qū)域。 d)（70-75）N：渦帶同心水壓脈動(dòng)很小；對(duì)運(yùn)行無擾動(dòng)。 e)（75-85）N：無渦帶，沒有水壓脈動(dòng)，運(yùn)行穩(wěn)定。 f) 滿負(fù)荷到超負(fù)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(dòng)。 危險(xiǎn)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(dòng)很大，一般要認(rèn)為這兩種渦帶皆是造成尾水 管壓力脈動(dòng)的主要原因。 由尾水管渦帶造成的壓力脈動(dòng)屬于低頻壓力脈動(dòng)，即渦 帶的頻率是低于水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的，一旦空腔外邊形成了局部 空蝕并引起水擊作用時(shí)就會(huì)產(chǎn)生不規(guī)則的強(qiáng)壓力沖擊，所以在 這種低頻的壓力脈動(dòng)作用下就會(huì)引起水輪機(jī)組的振動(dòng)。 主要表現(xiàn)的特點(diǎn)是： 1）引起尾水管振動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)將破壞尾水管里襯 2）引起水輪機(jī)頂蓋的推力軸承的垂直振動(dòng) 3）可能引起壓力水管振動(dòng) 4) 引起廠方振動(dòng) 二、消除或減小尾水管壓力脈動(dòng)的措施 1.尾水管補(bǔ)氣 2.布置阻水柵 3.導(dǎo)水柵 4.改變尾水管結(jié)構(gòu)形狀，加長尾水管錐段及選擇其適當(dāng) 的錐角 三、渦列引起的葉片振動(dòng) 卡門