水輪機(jī)葉片空蝕與磨損破壞機(jī)理淺析

水輪機(jī)葉片空蝕與磨損破壞機(jī)理淺析

隨著長江上游梯子站的建設(shè)，從2003年6月到2010年9月，三個(gè)峽水庫的懸浮固體沉積物分別為15.682108m和4.117108m。由于庫中沙子不足，水庫中的沉積物體積為11.565108t。三峽水庫年處理沙量比預(yù)期值低60%，但三峽水庫年處理沙量達(dá)到?jīng)_砂平衡還有很長的時(shí)間。三峽水電站的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪最大直徑10407.8mm,高5.2m,重445t,是當(dāng)今世界最大的混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪。水流含沙量大,水流空蝕與泥沙磨損的聯(lián)合作用將會(huì)對水輪機(jī)過流部件產(chǎn)生磨蝕破壞,引起水輪機(jī)效率下降,產(chǎn)生振動(dòng)與噪聲,進(jìn)而影響電站的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。因此,掌握磨蝕破壞機(jī)理,認(rèn)識(shí)磨蝕破壞本質(zhì),對解決磨蝕問題具有重要意義。鑒此,本文分析了空蝕與磨損破壞機(jī)理,研究了湍流的擬序結(jié)構(gòu)對磨蝕的影響,并結(jié)合三峽水輪機(jī)真實(shí)磨蝕狀況,對水輪機(jī)葉片磨蝕機(jī)理進(jìn)行了淺析,旨在更準(zhǔn)確地預(yù)測大型水輪機(jī)葉片的磨蝕情況,盡可能減少因含沙水流磨蝕造成的損失。1空蝕和破壞機(jī)分析1.1發(fā)生空化沖擊目前,對空蝕破壞機(jī)理尚無統(tǒng)一認(rèn)識(shí),較為一致的看法是機(jī)械作用、化學(xué)作用和電化學(xué)作用三種破壞共同作用的結(jié)果。水流從低速區(qū)向高速區(qū)移動(dòng),水中溶解的氣體和附及裂隙挾帶的氣泡將會(huì)提前析出,使初生空化提前發(fā)生。當(dāng)水流在流過壓強(qiáng)為氣化壓強(qiáng)的低壓區(qū)時(shí),氣團(tuán)以極高的速度爆炸性的形成微小氣泡。這種爆炸為向內(nèi)式爆炸,破壞了流體的連續(xù)性,使平順的水沙二相流變?yōu)槲蓙y的水、沙、氣三相流。當(dāng)水流到達(dá)氣化壓強(qiáng)或比氣化壓強(qiáng)大的區(qū)域時(shí),氣泡將會(huì)被周圍的流體擠壓而潰滅。原氣泡內(nèi)的氣體均溶于水中,并與一小股水體一起急劇收縮形成聚能高壓水核,隨后水核迅速膨脹產(chǎn)生高溫高壓微射流,通過沖擊式空蝕和再次空泡潰滅沖蝕固壁。此外,水核瞬間膨脹并形成低壓區(qū)誘導(dǎo)第二次沖擊波的成長。迅速形成又迅速破滅的氣泡所產(chǎn)生的沖擊波壓力可達(dá)420MPa。1.2磨損破壞速率當(dāng)細(xì)沙顆粒粒徑小于0.5mm時(shí),其運(yùn)動(dòng)軌跡與流線基本一致。當(dāng)顆粒粒徑大于0.5mm時(shí),由于沙粒的比重較大,在變速運(yùn)動(dòng)的慣性作用力下,顆粒脫流,增強(qiáng)紊動(dòng)使過流部件汽蝕和磨損破壞更加嚴(yán)重。在高速含沙水流中,由于水流紊亂,泥沙反復(fù)沖擊試件引起彈塑性變形,使微團(tuán)達(dá)到疲勞強(qiáng)度而產(chǎn)生剝落的變形磨損,同時(shí)泥沙小角度切削形成微切削磨損。磨損機(jī)制是顯微切削、犁溝和軟基體的選擇磨損及硬質(zhì)點(diǎn)被挖出脫落、高速粒子沖擊使材料產(chǎn)生熔化。由此可知磨損破壞速率與含沙量、水流速度、葉片材質(zhì)及工藝有關(guān)。此外,由于天然河流中的泥沙多為長石、石英和花崗巖類沙粒,其硬度很高,一般大于各種水輪機(jī)金屬材料的硬度。2邊壁區(qū)的特性由于層流邊界層中各層間無質(zhì)量交換,質(zhì)點(diǎn)沿流線運(yùn)動(dòng)且不會(huì)撞擊固壁,所以材料表面的蜂窩狀或魚鱗狀磨蝕一定發(fā)生于湍流邊界層處。湍流邊界層由面壁向處依次可分為粘性底層、過渡層(緩沖區(qū))、對數(shù)律層、尾流律區(qū)、粘性頂層及外部勢流。在靠近邊壁區(qū),有可能存在U形環(huán)或馬蹄形渦流。馬蹄形渦流的尖端曲率最大,縱向與垂向速度均很大,具有很強(qiáng)的剪切效應(yīng)。受水流的擾動(dòng),馬蹄形渦流將沿水流方向慢慢拉成U形環(huán)渦流。之后,一股低動(dòng)量的水托起環(huán)的兩翼進(jìn)入緩沖區(qū),減速并再次形成新的低速條和漩渦。當(dāng)渦流速度剖面振蕩相當(dāng)嚴(yán)重時(shí),流動(dòng)不穩(wěn)定性流場發(fā)生振蕩并產(chǎn)生強(qiáng)烈的展向渦,最終強(qiáng)烈的振蕩將條帶打碎產(chǎn)生極大的脈沖,稱為猝發(fā)現(xiàn)象。低動(dòng)量的水體離開邊壁后所留下的空間將由周圍的水填補(bǔ),其中一部分來自高速水流。這樣就形成了低速帶舉升紊動(dòng),高速流深入掃蕩。且底流挾帶懸沙對邊壁的掃蕩磨損角度為5°~15°。3葉片研磨部位與機(jī)理分析3.1彈塑性變形材料彈性條件的確定具有一定質(zhì)量的泥沙顆粒沖擊材料表面時(shí),材料在接觸處先形成彈性變形,而在接觸面中心最大應(yīng)力位置處開始進(jìn)入塑性流變狀態(tài),并伴隨顆粒動(dòng)能的損耗,塑性變形區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大,直到沙粒動(dòng)能全部轉(zhuǎn)化為材料彈塑性變形的彈性勢能,沙粒停止運(yùn)動(dòng)為止。之后材料表面的彈性變形部分將恢復(fù),而塑性變形部分將保留。若速度足夠大,則顆粒將刺入水輪機(jī)葉片;亦或經(jīng)多次垂直碰撞,停留于邊界層。利用水力學(xué)相關(guān)知識(shí)得出,三峽水輪機(jī)在最優(yōu)工況下邊界層厚0.07m,足以滿足細(xì)顆粒以游離或絮凝形式存在于邊界層或過渡層,有保護(hù)水輪機(jī)的作用。據(jù)多年觀測,三峽水電站過水輪機(jī)泥沙顆粒遠(yuǎn)小于0.5mm,加之空蝕時(shí)間間隔長和連界層的保護(hù)作用,正面大部分區(qū)域完整,僅存在零星小凹坑(圖1中畫圈的區(qū)域)。3.2空氣中的條紋氣蝕破壞是相對清水而言,泥沙磨蝕是相對水中泥沙的破壞而言。磨蝕是指在氣蝕與泥沙磨損的聯(lián)合作用下對水輪機(jī)部件的破壞作用。80%的湍流能量產(chǎn)生和耗散于近壁區(qū),主要表現(xiàn)形式為磨蝕、猝發(fā)、紊動(dòng)、潰滅。紊動(dòng)猝發(fā)形成的沖擊波并伴隨著微射流,其對壁面的沖擊速度達(dá)100~400m/s,沖擊范圍為1~25μm,壓強(qiáng)達(dá)100~1000MPa。氣泡潰滅后即將在周圍形成空氣非常稀薄的真空區(qū)域,周圍相對壓強(qiáng)高的水流質(zhì)點(diǎn)便以極大的速度向真空地帶沖擊,水流質(zhì)點(diǎn)互相劇烈撞擊,局部壓力急劇升高,可達(dá)幾十個(gè)甚至幾百個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。對波紋的成因,通常認(rèn)為是高速含沙水流中沙粒以小沖角度撞擊表面的結(jié)果,形成波紋狀或魚鱗狀的磨損,見圖2(a)。另外,許多材料的疲勞極限在水中較在空氣中小很多。如鑄鐵在水中的疲勞僅為空氣中的1/2。同時(shí),模擬試驗(yàn)研究表明,在相同工況下含沙水流空蝕強(qiáng)度是清水空蝕強(qiáng)度的4~6倍。其原因在于正面出水邊顆粒相速度最高,與液相和固相的相對速度加大,將會(huì)導(dǎo)致水流紊動(dòng)加劇、脈動(dòng)壓強(qiáng)的頻率變小、幅度變大,為含沙水流磨蝕出水邊創(chuàng)造了有利條件,最終導(dǎo)致出水邊形成蜂窩狀的空蝕破壞和泥沙磨損形成的大凹坑破壞,見圖2(b)。3.3高溫含沙水流力學(xué)成分動(dòng)態(tài)特性,含沙層顆粒自做磨損試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn),試驗(yàn)時(shí)間超過17h后,材料的失重率隨時(shí)間明顯加快,對防止和減輕水輪機(jī)泥沙磨蝕,當(dāng)泥沙含量小于5kg/m3時(shí),相對流速v<38m/s較為合適。但根據(jù)相關(guān)資料,宜昌站歷年最大泥沙含量為10.5kg/m3,年平均含沙量小于1kg/m3。且三峽水電站過水輪機(jī)水流速度40~50m/s。當(dāng)流速大于25m/s后,磨蝕量增大,這一變化與含沙量無關(guān)。顆粒受高速水流承載運(yùn)動(dòng)和猝發(fā)現(xiàn)象或空化形成的沖擊波的連續(xù)作用,使固件表面產(chǎn)生彈塑性變形。此時(shí),高速含沙水流以平行于固件運(yùn)動(dòng),在微變形區(qū)產(chǎn)生的剪應(yīng)力、空泡潰滅后形成的反沖擊波、塑性變形恢復(fù)后的殘余拉應(yīng)力等共同作用形成零星的凹坑。氣蝕和沖擊部位局部溫度約達(dá)300℃。此外,由于正背面壓差的存在,在水輪機(jī)運(yùn)行中,大顆粒易從正面反彈易沖蝕負(fù)壓區(qū)。除了高速含沙水流對固壁的撞擊外,水分子以氫鍵連接形式的肢解及泥沙顆粒間以分子力連接形成的絮團(tuán)破碎,均伴隨局部高溫、高壓、發(fā)光、發(fā)電和電化化學(xué)腐蝕等現(xiàn)象的發(fā)生。每年汛期機(jī)組運(yùn)行時(shí),其運(yùn)行水頭小于額定水頭80.6m時(shí),機(jī)械出現(xiàn)不規(guī)則振蕩,導(dǎo)致水流偏離原流線并與固壁形成間隙,加快了水輪機(jī)的磨蝕。同時(shí),在非最優(yōu)工況下,隨導(dǎo)葉開度減少,正背面的壓差增大,間隙流動(dòng)的速度增大,泄漏量的增大,在壓力面產(chǎn)生分離線,在吸力面產(chǎn)生再附線,使導(dǎo)葉下游區(qū)產(chǎn)生二次流。此外,葉片的正面含沙水流流向自身葉片的背面,導(dǎo)致出水邊局部流速升高和壓力降低而產(chǎn)生間隙氣蝕,負(fù)壓面出水邊在磨損和空蝕的共同作用下發(fā)生了明顯磨蝕,見圖3。3.4機(jī)組工作導(dǎo)葉的空蝕在負(fù)壓區(qū)形成的漩渦,含沙高速水流每次猝發(fā)現(xiàn)象必然造成一次掃蕩底流挾帶懸沙對邊壁5°~15°的小角度。最初,此微切削導(dǎo)致金相層位移不等而形成的裂縫肉眼很難分辨。據(jù)三峽金屬結(jié)構(gòu)檢測中心分別對三峽左岸電站#11、#4機(jī)組活動(dòng)導(dǎo)葉進(jìn)行了現(xiàn)場金相抽查,發(fā)現(xiàn)導(dǎo)葉的空蝕是由于表面材質(zhì)缺陷所致。粒徑極小的泥沙顆粒由于分子間作用力與固壁、泥沙吸附在一起,停留于近壁層流層,減輕了大部分區(qū)域受含沙水流的磨蝕。此外,大顆粒脫離葉輪工作面而移動(dòng),其運(yùn)動(dòng)軌跡隨粒徑的變大,向葉輪背面移動(dòng)。在負(fù)荷增加時(shí),正負(fù)壓面的壓差增大,使水流從正壓面到背面的附加流動(dòng)增加,致使含沙水流對出水邊及背面的磨蝕。另外,在水輪機(jī)運(yùn)行中,大顆粒經(jīng)正面沖撞,反彈沖擊負(fù)壓區(qū)。負(fù)壓面大部區(qū)域非常平滑,僅出現(xiàn)少量大坑,見圖4。在坑穴四周的發(fā)藍(lán)跡象,是由于某種空