第五章 葉片式流體空蝕、泥沙磨損及水力振動(dòng)

第五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(wèn)題，并且一直是國(guó)內(nèi)外水力機(jī)械領(lǐng)域中的重要研究課題。

2/5/20231西華大學(xué)宋文武教授本章準(zhǔn)備討論4個(gè)方面的問(wèn)題：1、空化與空蝕機(jī)理2、水力機(jī)械的空化參數(shù)3、水力機(jī)械的泥沙磨損4、水力機(jī)械的水力振動(dòng)2/5/20232西華大學(xué)宋文武教授第一節(jié)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(kāi)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）。

2/5/20233西華大學(xué)宋文武教授通過(guò)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(kāi)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(lái)，將對(duì)過(guò)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(lái)從液流中分解出來(lái)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膨脹，所以對(duì)過(guò)流表面又形成另一種水錘壓力。2/5/20234西華大學(xué)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(xué)變化稱作空化（空穴）?？瘴g：指當(dāng)空泡的潰滅過(guò)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）。

2/5/20235西華大學(xué)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(lái)分）：

①、游動(dòng)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(qiáng)烈擾動(dòng)而形成）。④、振動(dòng)型空泡。

2/5/20236西華大學(xué)宋文武教授二、空蝕機(jī)理

空蝕對(duì)過(guò)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(guò)流表面的某處，隨著液流不斷流過(guò)，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(guò)高速攝影的圓盤實(shí)驗(yàn)觀察到，汽泡凝結(jié)時(shí)間約萬(wàn)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。

2/5/20237西華大學(xué)宋文武教授1°空泡在潰滅過(guò)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(guò)程中會(huì)變形，空泡分裂成若干個(gè)小空泡的過(guò)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(guò)流邊壁的某一個(gè)地方，隨著液流的不斷流過(guò)，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(kāi)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(lái)，循環(huán)下去造成金屬破壞，最終成塊脫落——?jiǎng)兾g。

2/5/20238西華大學(xué)宋文武教授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300°C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)榻饘俦砻姹桓邏阂毫鞣磸?fù)沖擊的部位會(huì)產(chǎn)生很大熱量，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(shì)，使金屬內(nèi)部有電流通過(guò)，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。2/5/20239西華大學(xué)宋文武教授4）微射流理論

空泡在潰滅過(guò)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2/5/202310西華大學(xué)宋文武教授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(guò)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2/5/202311西華大學(xué)宋文武教授第二節(jié)

水力機(jī)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(cè)、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(lái)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。2/5/202312西華大學(xué)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(jī)）或進(jìn)水邊（泵）的地方，我們?cè)O(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/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(jī)：=稱電站空化系數(shù)2/5/202313西華大學(xué)宋文武教授水力機(jī)械的空化系數(shù)=，，，

2/5/202314西華大學(xué)宋文武教授—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)槭菬o(wú)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

2/5/202315西華大學(xué)宋文武教授第三節(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(guò)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(wèn)題。

2/5/202316西華大學(xué)宋文武教授一、泥沙磨損的定義水力機(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(guò)流表面，而將造成材料的微體積剝落，這一過(guò)程稱為泥沙磨損。

二、泥沙磨損的危害磨損過(guò)流部件ηv↓，η↓，p↓，引起機(jī)組振動(dòng)。2/5/202317西華大學(xué)宋文武教授舉例說(shuō)明：1、白金電站（ZL）：因過(guò)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(yú)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)主要磨損部件為轉(zhuǎn)輪及轉(zhuǎn)輪室。2/5/202318西華大學(xué)宋文武教授4、河南某電站水輪機(jī)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(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(guò)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(kāi)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。2/5/202319西華大學(xué)宋文武教授三、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(wèn)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(guò)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。

2/5/202320西華大學(xué)宋文武教授另外，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(guò)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。

2/5/202321西華大學(xué)宋文武教授

泥沙對(duì)過(guò)流表面的磨損過(guò)程，相當(dāng)于變形磨損和微切削磨損的復(fù)合作用。

2/5/202322西華大學(xué)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(diǎn)（真孔狀）→海綿狀（表面十分疏松），魚(yú)鱗坑→孔洞、溝槽、裂紋等。破壞表面無(wú)金屬光澤。泥沙磨損破壞特征：泥沙磨損破壞是無(wú)潛伏期的，具有擦痕→溝槽→魚(yú)鱗坑的破壞特征，破壞表面呈金屬光澤。2/5/202323西華大學(xué)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(zhǎng)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(guò)水輪機(jī)，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(rèn)為磨損量與流速成三次方關(guān)系。2/5/202324西華大學(xué)宋文武教授五、主要的抗磨措施1.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(guò)流表面平滑，沒(méi)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(xué)宋文武教授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(lái)加強(qiáng)過(guò)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=300~1700m）和HL（H=30~700m）中選擇時(shí)：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(dǎo)葉，而且HL的磨損對(duì)η↓影響比水斗式小，壽命長(zhǎng)，但檢修較難，從減少磨損觀點(diǎn)應(yīng)選HL。2/5/202326西華大學(xué)宋文武教授機(jī)型：低水頭ZL和HL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)：（1）多泥沙電站Hs允應(yīng)取小一點(diǎn)。（2）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。2/5/202327西華大學(xué)宋文武教授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(lái)避免發(fā)生導(dǎo)葉的間隙泄漏。2/5/202328西華大學(xué)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(lái)減少過(guò)機(jī)泥沙。

2/5/202329西華大學(xué)宋文武教授

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(lái)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(wèn)題目前已作為一項(xiàng)重要的科研課題。第四節(jié)水力機(jī)械的水力振動(dòng)2/5/202330西華大學(xué)宋文武教授引起水輪發(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。

2/5/202331西華大學(xué)宋文武教授一、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)

2/5/202332西華大學(xué)宋文武教授(a)（b）(c)(d)(e)(f)2/5/202333西華大學(xué)宋文武教授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?。粚?duì)運(yùn)行無(wú)擾動(dòng)。e)（75-85）％N：無(wú)渦帶，沒(méi)有水壓脈動(dòng)，運(yùn)行穩(wěn)定。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。

2/5/202334西華大學(xué)宋文武教授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)2/5/202335西華大學(xué)宋文武教授二、