1、1水轮机的空蚀机理与举措摘要：经过几十年的探索研究，空蚀机理已渐渐被人们所认知，但是仍不能从根本上避免这种现象的发生。随着水电事业的发展，研究水轮机的空蚀机理及抗空蚀举措仍有重大的意义。本文就最新的研究理论及当前的水力机械设计水平，简单介绍水轮机的空蚀机理与一些抗空蚀的举措。 Abstract： After several decades of exploration and research， cavitation erosion mechanism has gradually been recognized by people， but people still can not funda
2、mentally avoid the occurrence of this phenomenon. With the development of the hydropower industry， it is still of great significance to study the cavitation erosion mechanism and the cavitation erosion resistance of the water turbine. In this paper， based on the latest research theory and the curren
3、t level of hydraulic machinery design， a brief introduction of the cavitation erosion mechanism of water turbine and some anti-cavitation measures are put forward. 关键词：水轮机；空蚀机理；抗空蚀措施 Key words： water turbine；cavitation erosion mechanism；anti-cavitation measures 2中图分类号：TV734.1 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（
4、2016）18-0094-03 0 引言 大约在 20 世纪初，人们发现轮船的高速金属螺旋桨在很短的时间内就被破坏，后来发现水轮机中的转轮叶片也遭受了类似的破坏，至此，空化现象开始引起人们的注意。水轮机的空蚀现象是水流在能量转换过程中产生的一种特殊现象。而对于当前的水动技术水平来讲，空蚀现象不能避免，只能将其破坏程度适当降低，而空蚀产生的问题是极其严重的，如：检修周期大大缩短，检修时间长，检修费用较高，机械效率降低、经济损失较高等一系列较为严重的问题，经过近 50 年的研究，虽然取得了很大的进展，但并未从根本上解决问题，所以，改善空蚀性能仍是水力机械设计及运行人员的首要任务。 1 空化与空蚀现
5、象 我们首先要区分一个概念，即“汽化”与“空化” ，汽化是液体的一种物理属性。当液体在一定压力下使温度升高时，会发生汽化；当液体在一定温度下降低其周围环境压力时，液体也会发生汽化。这两种不同条件下形成的液体汽化在概念上是不一样的，前者称为沸腾，而后者那样的条件产生的现象才称之为空化。 空化现象发生在压力下降到某一临界值的流动区域中，当液体温度一定时，降低液体周围压力到某一临界压力，液体会汽化或者溶解于液体中的空气发育形成空穴，如液体温度为 20时，降低周围环境压力到0.24mH2O，液体就会发生空化，在空穴中，主要存在着液体的蒸汽及从3液体中析出的汽体（直径约为 10-510-4mm） ，当这
6、些混合形成的气泡（直径大约在 0.12mm 以下）随着水流进入压力更低的区域时，就会发育成更大的汽泡，而一旦气泡进入压力高于此时温度的临界压力时，汽泡便会瞬间溃灭。这个过程称为空化。 空化只发生在液体内部也可以发生在固体边界，空化的作用是极其复杂的，我们将空化的直接后果称之为空蚀，空蚀只发生在固体边界。通常我们所说的汽蚀包括空化和空蚀两个过程。 2 空蚀的作用 水的汽化对空蚀的形成有着极大的影响，在一定的温度下，水开始汽化的临界压力称为汽化压力，而水的汽化压力是随着温度的变化而变化的，如图 1。 由图 1 可以得知，在某一温度下，当水的周围环境压力降低到汽化压力值时，水就开始汽化。水在转轮中是
7、不断流动的，如果在某一个地方流速突然加快，由水力学的能量方程 我们可以知道，当水流的速度突然加快，必然引起该处的压力降低，若此时的周围环境压力值低于此时温度下的汽化压力，水便开始汽化，进而引起空蚀现象。 空蚀的作用也是非常复杂的，就目前的研究，我们认为空蚀对金属材料的表面的破坏作用有机械、化学、电化作用。以机械作用为主。 2.1 机械作用 水流在水轮机流道中发生局部压力降低，当低于该温度下水的汽化压力时，水开始汽化，形成气泡，同时原本溶于水中的气体也开始聚集、4释放出来，这样，在水中就出现了大量由水蒸汽和空气混合形成的气泡。这些气泡随着水流进入压力高于汽化压力的区域时，就会瞬间溃灭，在这瞬间，
8、产生巨大的冲击力（约为几十甚至几百的大汽压） ，在这个冲击力的作用下，原来气泡中的气体全部溶于水中，并与一小股水流一起急剧收缩成聚能高压“水核” ，水核迅速膨胀冲击周围水体，一直传递到过流部件的金属表面，从而对过流部件表面的材料造成破坏，这种作用是伴随着气泡的产生与溃灭不断作用的，也就是说这种破坏是不间断的。 2.2 化学作用 由于水中含有大量氯离子、溶解氧、硫化氢、二氧化硫等化学物质，当汽泡溃灭时，释放了大量热能，产生的极大的冲击压力，在这种高温高压的条件下，这些化学离子便会与过流部件的金属材料发生氧化还原反应。 2Fe+3Cl2=2FeCl3 4Fe+3O2=2Fe2O3 等一系列的化学作
9、用极大程度地加剧并加快了机械作用对过流部件的损坏。 2.3 电化作用 气泡溃灭的瞬间，产生了局部高温，据实验测定，在气泡凝结时，局部瞬时高温可达 300。这样会使局部受热材料与周围材料形成较大的局部温差，形成热电偶，材料中有电流通过，引起热电效应，产生电化腐蚀，破坏金属材料的表面层。 在这里，笔者将汽蚀破坏程度划分为初步腐蚀（破坏深度 12mm） 、较严重腐蚀（破坏深度三至几十毫米） 、极严重腐蚀（彻底穿透）如图52。 3 空蚀的类型 水在水轮机过道中的流动是极其复杂的，空化现象可以出现在不同部位及在不同条件下形成空化初生。根据汽蚀发生的条件和部位的不同，可将汽蚀分为以下四种： 3.1 翼型空
10、化和空蚀 这种汽蚀类型与叶片翼型断面的几何形状有密切的关系，是反击式水轮机的主要的汽蚀形态。该类型汽蚀是水流绕叶片流动引起的压力降低而产生的，叶片背面往往为负压（低于大气压的压力称为负压） ，其压力分布如图 3。 从图 3 中我们可以得知，当叶片背面的压力低于当前温度下的汽化压力 Pv 时，水就会开始汽化并形成局部真空，产生空化与空蚀现象。经多年的研究发现翼型空化与空蚀与水轮机的运行工况有关，当水轮机在非最优工况下运行时，就会诱发翼型空化与空蚀。 3.2 间隙空化和空蚀 当水流经过较为狭小的通道或者是间隙时，水流速度会突然变化，这会引发局部压力降低，当压力降低到当前温度的汽化压力时，就会出现空
11、化和空蚀现象，这样的汽蚀情况称为间隙空化与空蚀。间隙空化与空蚀主要与间隙的宽度有关。 3.3 空腔空化和空蚀1 空腔空蚀是由于反击式水轮机在非最优工况运行时转轮出口水流存在一定的圆周速度分量，在该圆周速度分量的作用下，在转轮后产生涡6带，涡带中心形成很大的负压，这种涡带一般低于水轮机转速频率在尾水管中旋转，造成尾水管中的流速场和压力场也发生周期性变化，并将引起机组的振动和噪音，严重时将引起硬性不稳定及在尾水管壁处引起空蚀。 3.4 局部空化和空蚀 局部空化与空蚀的产生主要是因为制造工艺的不够精准造成的，制造和加工时形成表面不平整、砂眼、汽孔等缺陷，当水流经过时，会引起水流的突然变化，引起局部压
12、力减小，进而产生汽蚀现象。 4 防止空化与空蚀的措施 空化与空蚀产生的后果是非常严重的，一方面会破坏水轮机过流部件，使水轮机的维修周期缩短，维修时间变长，增加经济成本，严重影响电力生产。另一方面如果空化与空蚀较严重时，会使机组产生强烈的震动、噪音等，导致机组不能稳定高效地运行，降低水轮机的出力和效率。经过几十年的研究，取得了较为显著的进展，但并未从根本上解决问题。目前，主要从水轮机的结构、材料、运行等方面去改善水轮机的空蚀性能。 4.1 改善水轮机的水力设计 对于上述的四种空蚀类型来讲，根据产生的条件，追本溯源，从产生的条件着手，来控制那些条件，进而改善空蚀性能。 4.1.1 针对翼型空化与空
13、蚀 就翼型空化和空蚀而言，我们可以从两个途径来改善空蚀性能，一种是使叶片背部的最低压力分布在叶片出口处，从而使气泡的溃灭发生7在叶片以外的区域；另外一种是改变转轮的叶片设计，一般的转轮叶片背面产生空化与空蚀时，最低压力区会形成大量的气泡，气泡区的长度小于叶片的长度，空蚀多发生在叶片背面的中后部，如果我们改变叶片的设计，使得气泡区的长度长于叶片的长度，这样就可以使气泡的溃灭发生在叶片尾部之后，从而避免空蚀。 除此之外，翼型稠密度的增加有助于改善空蚀性能。已经研究出能较好降低空化系数的襟翼结构，并应用于混流式水轮机。 4.1.2 对于间隙空化和空蚀 为了减小间隙空蚀的损坏，应尽量采用小而均匀的间隙
14、，一般来说，间隙越小越好。为了改善轴流式水轮机的空蚀性能，在叶片端部背面装设防蚀片，将缝隙出口漩涡送到远离叶片的下游，从而有利于减小叶片背面的空蚀。 4.1.3 对于空腔空化和空蚀2 经大量的实验表明，改进尾水管及转轮上冠的设计能有效减轻空腔空化和空蚀，主要改进的是加长尾水管的直锥管部分和加大扩散角，因为这样有利于提高转轮下部椎管上方的压力，以削弱涡带的形成。此外，可以加长转轮的泄水锥，这样对于控制转轮下部尾水管进口的流速也起到重要作用，能显著的影响涡带在尾水管内的形成以及压力脉动。 4.2 采用抗蚀材料 材料直接影响着水轮机的抗蚀性能，材料起着最直接作用，由于目前还没有完全了解不同材料的空蚀
15、性能，所以无法全面且具体地指出某一种材料是否具有非常好的抗蚀性能，但经大量的试验及研究成果得知，8抗蚀材料应具有韧性强、硬度高、抗拉力强、疲劳极限高、应变硬化好、晶格细、可焊性好等特性。在最近修建的水电站均采用全不锈钢材料。 4.3 改进加工工艺水平 加工工艺水平决定了转轮的性能是否优良，我国水轮机破坏严重的重要的原因之一就是加工工艺不够精湛，因此要改进加工工艺水平，尽量使原型与模型水轮机相似。可以采用数控铣床加工系统，不仅能够保证翼型的正确性，还可以提高叶片表面光洁度。同时，良好的热处理工艺对空蚀性能也有一定影响。 4.4 改善运行条件 水轮机的空化与空蚀与运行工况有很大的关系，当水轮机在最
16、优工况附近运行时，不会发生严重的空化与空蚀。因此，需要合理拟定水电站的运行方式，尽量不让机组在低负荷和超负荷下长期运行。此外，应健全检修制度，对水轮机机组进行定时检修。 目前，我国最常用的是利用空化系数来衡量水轮机空蚀性能好坏。水轮机研究工作的重点之一，就是在能狗提高水轮机能量指标的同时，也改善水轮机的空化性能。但是，水轮机的能量性能与空化性能常常是相?隆攵运?电站空化系数 P 的选择，存在有两种不同的观点：一种是选取较小的值，这样可以减小电站基建时的投资，空蚀性能虽不好，可是只要使用较好的材料、精细的结构，在后期的维修费用也不会太高；另一种是选取较大的水电站空化系数值，前期的投资虽较大，但较
17、好的改善了空蚀性能，提高了机组的运行稳定性，降低了后期的维修费用。选取怎样的空化系数值要视水电站具体情况而定。 5 国内改善空9蚀性能实例 近年来，我国水电发展迅速，新建起的水电站结合以往的经验，采取直接而有效的措施抵制和防止水轮机空化与空蚀，从选材、设计、制造、装置均采用最先进的水力设计理念和技术，尽量降低空蚀的破坏。 5.1 向家坝水电站 向家坝水电站是中国第三大水电站，是金沙江水电基地的最后一级水电站。就转轮叶片叶型而言，向家坝转轮未采用传统的、常规的正倾角水轮机叶片，而是使用进水边前倾的负倾角叶片（又称 X 形叶片） ，这种叶片可减少叶片进水边背面的脱流，对工况的变化有更好的适应性。经
18、 CFD 分析和模型试验表明，负倾角叶片正、背面压力分布均匀，下环进水边无局部低压，即负倾角叶片转轮的水力稳定性、抗空蚀能力均优于传统的正倾角叶片3。目前，X 形叶片转轮已在国内的大朝山、棉花滩及三峡电站均已使用。向家坝的转轮结构，分辨转轮有很多的缺陷，加工周期长，加工质量难以保证，并结合三峡电站转轮整体运输的经验，向家坝水电站也采用整体转轮。转轮的使用材料，向家坝水电站采用全不锈钢材料，可以很好的提高水轮机的空蚀性能。 5.2 碗米坡水电站 碗米坡水电站位于湖南省保靖县内，是酉水梯级开发的第四个水电站。碗米坡水电站转轮在设计工艺及材料选用上进行了改良，转轮采用铸焊结构，整体运输。叶片材料为
19、06 Cr15Ni4CuMo，上冠与下冠材料为08 Cr15Ni4CuMo，转轮材料能在常温下补焊并不需要做焊接后的热处理4。 10转轮叶片采用用模压成型、数控加工的方法，这种加工方法使材料的晶体组织更加紧致，减少了表面不平整、砂眼、气孔等加工缺陷，今儿可以减少局部空化和空蚀的可能。 5.3 宝兴水电站 宝兴水电站采用带长短 X 形叶片的转轮，这种转轮共有 30 片叶片，15 片长叶片，15 片短叶片，短叶片夹在两片长叶片之间，短叶片的长度是长叶片长度的 2/3，而传统的转轮一般是 17 片叶片，X 形叶片具有较好的抗空蚀性能，同时这种长短转轮叶片的设计也具有很多的优点，如：增大了进口区域叶栅
20、稠密度，水流绕流叶片时节距变狭窄，使水流更加均匀，减小了压力脉动；使叶片受压面积增加，但降低了单位面积所受的压力，如此，叶片正面和背面的压力差便减小，降低了发生空蚀的可能。 随着水力学理论的不断完善，水力机械设计水平的不断提升，CDF 技术在水轮机设计方面的成熟运用，抗空蚀材料的不断研发，设备制造工艺的不断进步。不久的将来，水轮机的空化与空蚀问题一定会得以解决。参考文献： 1史宝平，程文，檀晓龙.二滩水电站水轮机空蚀情况与修复J.四川：四川水利水电，2014（02）. 2郑源，陈德新.水轮机M.北京：中国水利水电出版社，2011：64-65. 3全国水利水电水力机械信息网，水能动力工程新技术M.北京：
