水轮机空化讲稿

第四章水轮机空化和空蚀CavitationandErosion没有空化与空蚀的叶片空蚀后的叶片水轮机的四大问题1、动能指标：流量、处理、转速2、效率3、空化性能(及泥沙磨蚀）4、稳定性（振动、压力脉动）空化是水轮机领域最难解决的问题水轮机空化与空蚀研究的意义水轮机的空化与空蚀是水轮机运行中一种常见的现象,它对水轮机的运行质量有很大影响,同时严重影响水轮机的安全与寿命.有人称空化与空蚀是水轮机的“癌症”，因此,了解空化与空蚀的机理,防止空化和空蚀的发生,减轻空化的危害有重要的意义.第一讲水轮机的空化机理1、水轮机的空化现象2、水流空化的机理3、空蚀的机制4、水轮机中的空化类型1、水轮机的空化现象空化是水轮机流道内部发生的一种物理现象，空化的发生，引起内部流态的变化，但它可以引起水轮机外特性的变化，通过外特性的特征，可以判断水轮机是否发生空化，并预示内部空化的程度。就象一个人得了某种疾病，他会表现出一系列的异常特征一样。所以研究外特性是作为诊断疾病的重要手段之一。1）空化现象的发现1894年英国驱逐舰(Daring号）试航中，设计航速50km/h，但当航速达到45km/h时，无论怎样增加螺旋桨推进器的转速，航速却不能再提高了。经过认真观察分析，发现了推进器的翼面发生了“空穴(Cavity)”，是它妨碍了推进器的正常工作。当时，把这种现象命名为（Cavitation），即空化。后来，在许多液体高速流动的场合都发现了空化现象，水轮机、水泵、闸门等流场中都会受到空化的影响。100多年来，人们对空化现象进行了不断的研究，逐渐揭示了空化的机理。并为空化的防治提供了有效的措施。2）、水轮机的空化现象四大征：1）噪声：闷雷样低频噪声；（听）2）振动：机组振动明显加剧；（感）3）能量指标降低：水轮机效率（出力）下降或功率摆动；(测）４)过流表面损伤：麻坑、蜂窝状。（看）2、水流空化的机理2.1）空化的定义2.2）水流空化的机理2.3）空蚀的破坏机制2.4）流体中低压的成因2、1液体空化的定义空化是液体中发生的一种物理现象。当流动或静止的流体内部压力降低到一定限度时，液体因不能抵抗拉引力而发生破坏，形成空泡或空穴，这就是空化。空泡或空穴在流体压力升高处会重新凝聚消失，即空泡的溃灭。在空化区，空泡在不断产生又不断溃灭过程中，会产生高频、高压的微观水击，对过流表面形成损伤，这就是空化破坏，称为空蚀。空化与沸腾的异同相同点：液体的汽化不同点：沸腾：液体在常压高温条件下的汽化。1ata,100oC空化：液体在常温低压条件下的汽化。0.0024ata,20oC沸腾空化2、2水流空化的机理水流发生空化的原因：内因+外因内因：水中含有导致空化发生的空化核；外因：流体局部压力的降低。流感发生的原因：内因+外因内因：流感病毒的存在；外因：外部环境的作用：气候不正常。空化核：水中以各种形式存在的微小气泡。（1）水的抗空化能力分析水能够承受多大的抗拉力是水抗破坏能力的表征，即水抗空化能力的表征。而水的抗拉力的大小不取决于水本身，而取决于水中所含气泡的抗拉力。以水中一个单独的球形空泡为模型，可以从理论上分析出水的抗拉力大小。当空泡在低压状态下因受拉应力产生破坏时，被认为是空化的发生。1）球形空泡的抗拉力假定水中有一半径R的球形空泡，内部压力Pi，外部压力Po,当空泡壁上作用的内外压差与表明张力相等时，空泡处于平衡状态。pip02πRτбπR2(pi-p0)R空泡平衡的条件：πR2(pi-p0)=2πRτΔp=(pi-p0)=R2平衡方程：Rppoi2空泡收缩空泡膨胀；;2:2RpRp空气与水蒸气空化空泡的模型Rppoi2Rpppogv2)(gvippp当空泡内部包含空气和水蒸汽时，则空泡内部的压力Pi为空气分压Pv与水蒸气压力Pg的之和，即：水蒸汽压力即当时温度下的汽化压力，为常数。故空泡平衡方程可写为假定空泡的膨胀或压缩均为等温过程，则有平衡方程：RRRRppppvv2))(2(3000（教材4—9式）空泡的抗拉力与空泡半径关系:水的表面张力σ=7.4×10-2N/m=0.074g/cmΔp=)/(074.0222cmgRR空泡半径0.014mm0.0014mm0.00014mm2×10-8mmΔp0.1MPa10mH201MPa100mH2010MPa1000mH20740MPa74000mH20水的抗拉强度取决于水中气泡的大小，纯净水中不含气泡时，抗拉强度极大，几乎是不可能被破坏的，自然界的水中含有大量不同尺寸的气泡，抗拉强度很小，很容易被破坏．当空泡的半径只有一个水分子大小时（2×10-8mm），空泡的抗拉力为7400kg/cm2.2）水的抗拉力的实验结果1）Reynolds:1878年测得：4.8kg/cm2;2)Meyer:1911年测得：34kg/cm2;3)Briggs:1950年测得：250kg/cm2;4)Harvey:1947年测得：200~1000kg/cm2ωBriggs试验装置:纯净水结论：纯洁的水或水中所含气泡的直径极小时，水具有很大的抗拉力。但是，自然界的水很容易发生空化，说明其抗拉力很低（1kg/cm2)，原因是自然界的水不纯洁，含有大量诱发空化的因素，这就是“空化核”。２.3空化核学说（R.T.Knapp)液体中含有以不同形式存在的微小气泡,这些微小气泡在低压环境中会发育为较大的空泡或空穴,导致空化的发生,称之为空化核.空化核有三种基本形式。游离微气泡固体颗粒附着微气泡固体边壁裂隙中的微气泡2.4空化发生的过程——空泡的一生空化核—空化空泡初生—空泡发育—空泡溃灭空化核阶段：气泡半径很小，水中保持稳定，不析出，不溶解。空化空泡初生阶段：压力降到临界值，空泡尺寸达到临界值。空泡发育阶段：泡内压力保持一定值，空泡直径不断增大，直至最大。空泡溃灭阶段：进入高压区，空泡受压缩尺寸迅速减小，直至完全溃灭。PoRmaxPv临界点t初生发育溃灭最大点汽化压力方程4-9方程4-10与方程4-11蒸汽泡模型方程4-14压力下降区压力上升区空泡临界状态的平衡方程-求临界压力与半径)()322)(1,1114334,10422(2332)2094(12))(2(0302010)0002030000300RfRRfpRpfRpRRRppppRRppRRRRRRRppdRdpRRRRppppcrcrcrvcrcrcrvcrcrcrvvv与（即界半径曲线，的空泡的临界压力与临可求初始半径与方程）利用方程曲线；得的关系，与外部压力可求空泡半径利用方程的空泡）当初始半径式）（教材方程：即临界压力带入原平衡方程求出把式）（教材方程得：求出（态的空泡平衡方程：为条件，可求出临界状空泡直径迅速增大。以压，力保持临界压力或蒸汽汽的支配，特点是：压空泡的膨胀与收缩受蒸水蒸汽为主，状态时，空泡内变为以界状态之前，达到临界此式只适用于空泡的临式）教材方程空泡的发生发育与空泡初始直径的关系初始直径越大的空化核，空化初生的临界压力越高。—水中含空化核的尺寸越大越容易发生空化。Ro=0.1×10-5mRo=0.5×10-5mRo=1.0×10-5mRo=1.5×10-5mPv0临界半径轨迹P012345678910R(10-5m)PcrPcrRcrRo教材图4-2与图4-32.5蒸汽空泡模型——压力降到水的汽化压力时空化发生的原因水蒸汽pV空泡内以蒸汽为主题，内部压力为液体汽化压力，环境压力降到汽化压力时，空泡迅速膨胀．空化初生阶段，空泡内以空气为主、水蒸汽为辅。临界点后，空泡周围的水处理“沸腾”状态，泡内蒸汽迅速增加，空泡体积迅速增大，变为以蒸汽为主。这是发育阶段空泡内保持水的汽化压力和空泡体积迅速增大的原因。水沸腾区３．空蚀的破坏机制：空化进入高压区时，空泡会因为受压及泡中的蒸汽凝结而迅速收缩，直至消失，称为空泡的溃灭。空泡溃灭有两种基本方式。溃灭过程中，会发生空蚀破坏。３．１空泡的溃灭与冲击压的形成1)高速射流与微水击空泡在百分之一至千分之一秒时间内溃灭，形成高速射流与微水击，射流速度100m/s以上，冲击压数千ata.２）空泡回弹产生冲击波初生发育最大溃灭反弹溃灭数次反复发育溃灭反弹溃灭反弹溃灭空泡溃灭的的基本方程（教材4-12~4-13式）时所需时间。收缩溃灭）从初始半径利用此式可求空泡完全溃灭所需时间；函数求积分，可得：应用的关系。与时间空泡半径得：；则再考虑的关系。中壁面速度与对应半径该式可求空泡压缩过程式；教材即：：从中求出：对运动微分方程积分得考虑空泡半径；式中：动的微分方程；空泡压缩时空泡壁面运0(;915.0])/(1[()/(32]1)[(32/,/134]1)[(32);1(32)23(232)(;;::)(230002130230021300213003300222232323220200RRpRttRdRRRRRptdttRRpdRVdRdtdtdRVRRpRVRRpRRRRRRRRRRRRRRdtddtRdaRdtdRVRRRtpRRRRRRR空泡溃灭的速度与时间理论研究与试验表面，达到最大值经的空泡进入高压区，会在极短的时间内溃灭，因此而产生强大的冲击压。但溃灭的时间与速度均与空泡的初始半径Ro有关。球形空泡溃灭速度与时间的理论式如下。溃灭结束时间）(91468.0/91468.0])/(1[()/(32]1)[(3202130230030210RoptPRtdRRRRRptRRPVRR一个7mm的气泡会在0.0007S时间内溃灭，空泡壁的速度达数百米/秒。Ropt/0RR1.00.80.60.40.20.000.20.40.60.81.0空泡溃灭过程曲线0.91468３．２空蚀的破坏机制１）机械破坏作用：强大的冲击压直接作用于过流表面，形成机械破坏，并长期反复作用形成疲劳破坏．２）电化学作用：空泡溃灭产生高温，与周围形成温差，产生温差电势，形成电化腐蚀．３）化学作用：高温作用下水产生氧，并增加其它有害气体活性，产生腐蚀．４）联合作用：几种因素联合作用，加快侵蚀．４．流体中低压的形成翼型绕流狭小间隙局部脱流环境压力降低旋涡中心高频振动５．水轮机的空化与空蚀空化的类型与空蚀部位５．１空蚀的特征＿麻坑与蜂窝状侵蚀麻点麻坑蜂窝状５．２水轮机空化的类型与部位汽化压力（１）翼型空化：翼型绕流时叶片局部低压形成的空化,多发生在叶片背面.冲角不同，空化部位不同。翼型空化（２）间隙空化水流流过狭小间隙时流速增大压力降低形成的空化.多发生在轴流式叶片端部和背面外缘间隙空化的常发生部位(３)局部空化:局部脱流形成的空化,水轮机叶片吊物孔或泄水孔周围容易发生.叶片吊物孔周围(4)空腔空化发生在水轮机尾水管中,发生的条件是非设计工况,转轮出口水流具有较大的环量时.空腔涡带：发生在尾水管中6．水轮机的泥沙磨蚀当水流中泥沙含量较大时,会对水轮机产生磨损.同时,大量泥沙携带大量的“空化核”,使空化容易发生.空化侵蚀与泥沙磨损同时发生时,两者的破坏作用,称为磨蚀,对水轮机过流部件的破坏作用很强.是单独空化和单独磨损的许多倍.1)泥沙磨损的特征:鱼鳞坑或沟槽,带金属光泽2)典型磨损（带金属光泽）3)空化与磨损联合作用:金属变色,叶片如锯齿严重磨蚀叶片,千窗百孔,面目全非7．水轮机磨蚀蚀的防护采用金属、非金属抗磨材料进行过流部件的表面防护，可以减轻水轮机的空化破坏与泥沙磨损。常用的材料有环氧金刚砂涂层、碳化钨喷涂、聚氨脂涂层、不锈钢堆焊层。1)用环氧金刚砂作表面保护2)为叶片穿上坚韧防护衣（聚氨脂橡胶）3)用纳米高硬度碳化钨粉末喷涂保护叶片4)设计、加工精良的水轮机有良好的抗磨蚀性能7.水轮机空化与磨蚀的总结1)水轮机空