水轮机空化与空蚀问题研究_论文发表网__墨水学术,论文发表,发表

所属栏目：推荐论文发布时间：2011-02-25浏览量:203

副标题#e#摘要：水轮机空化是一个很普遍的现象,其对转轮叶片和过流部件会造成严重损坏,而且空蚀的严重程度已经成为一般水电厂大修周期的决定性因素。本文分析了水轮机空化与空蚀问题。
　　关键词：水力机械，水轮机，空化，空蚀
　　一、概述
　　从19世纪后期在螺旋桨叶片上发现空化现象以来，空化现象的理论及内涵已经有了很大的发展。随着科技的进步，涉及空化现象的领域也愈来愈多，例如高速鱼雷雷体、高速潜艇、水泵、水轮机、水工泄水建筑物甚至生物学和医学等。在水体温度一定时，降低压力到某一临界压力，则水体的连续性受到破坏，开始汽化而形成蒸气泡，同时溶解于水体中的空气也会发育成气泡，这种现象称为空化。
　　人们习惯把这种汽泡、气泡或者它们的混合物叫做空泡(也有叫空穴)。空化是液体特有的一种现象，与常见的沸腾相似但又不同，因它几乎没有热量交换，而沸腾则主要是一个热量交换的过程。为了与沸腾相区别，常把由于压强降低使水(或其它液体)汽化的过程称为“空化”。空化在水中形成的空洞称为“空穴”，球形空穴常称为空泡，较大的空穴称为空腔，带有空穴的水流称为空穴流。实际观察表明，有时空穴中大部分是气体而有时则大部分为蒸汽，因此又引进了气体空穴和蒸汽空穴二词以资区别。真正的空化是由于发生相变而引起的，空泡中主要含量应为蒸汽，也可能夹有少量未溶解的气体。而含有过饱和气体的液体在压力降低时，会有大量气体释放出来，也可在液体中产生气泡，但不存在着液一汽的相变，这种现象即是空气空化，或伪空化。
　　在低压区空化的液体携带着大量的空泡形成了“两相流”运动，因而破坏了液体宏观上的连续性。水流携带的空泡在流经下游压强较高的区域时，空泡将发生溃灭。因此空化现象包括空泡的发生、发育和溃灭，它是一个非恒定过程。由于空泡在溃灭时产生很大的瞬时压强，当溃灭发生在固体表面附近时，水流中不断溃灭的空泡所产生的高压强的反复作用，可破坏固体表面，这种现象称为“空蚀”。空蚀的机理是个十分复杂的问题，很可能是多种因素共同作用的结果。目前基本一致的看法是，空蚀是以空泡溃灭的机械作用为主(这其中又包括冲击压力波模式和微型射流模式两种观点)，热力学和电化作用为辅的一种特殊破坏方式。长期以来，空化现象被认为是一个不易解决的问题。其原因在于，到目前为止对空化的机理尚未研究得很清楚。随着我国国民经济建设的发展，各有关的科技部门均迫切要求对这一问题深入研究解决。
　　二、水轮机的空化与空蚀机理
　　人们对空蚀发生的内在机理进行了很多的研究，许多新的观点和论述不断被提出，其中最具代表性的是由柯乃普提出的“气核理论”。该理论认为液体中存在着微小的气泡(称为核子)，这些核子使液体的抗拉强度降低；当液体的压强低于汽化压强时，这些核子将迅速膨胀形成气泡，从而导致空蚀发生。
　　关于水体中是否存在气核问题，在过去很长一段时间曾使科学家感到困惑。因为水中存在稳定气核的事实与通常的物理概念有矛盾。这是因为，如果气核尺寸较大，那么，在浮力的作用下，气核将浮出水面而消失；如果气核尺寸很小，那么，气核内的压强必然相当大，因为根据气核内、外压强平衡的关系式，由于表面张力的作用，气核内的压强必然大于气核外的水体压强，在这一压强差的作用下，气核内的气体必然会向水体内渗透、溶解，其结果是气核内的气体不断减小，气核的尺寸也随之不断减小，表面张力的作用进一步加大，促使气泡加速溶解，直至消失。总之，水体中的气核若非浮出水面，必将被溶解而消失，不可能稳定地存在于水体中。而空泡产生又要以水体中存在核子(气核)为前提，这就是著名的“气核悖论”。
　　三、水轮机的空化及空蚀类型
　　（一）按空化的形态分：
　　(1)游移空化
　#p#副标题#e#　这是由液体中移动的孤立的瞬态空泡或空泡群组成的空化现象。这些空泡在液体中最低压力区初生后，在发育成长及高压区缩小溃灭的整个过程中都随着水流游移，故称游移空化。这种空化现象从每秒数万次的高速摄影机的摄影图中可以看到，空泡初生于靠近边壁的最低压力处或其下游，空泡初生后，在低压区发育生长，到高压区后缩小、溃灭。随后，由于空泡中含有空气，以及周围压力存在脉动现象，空泡再次生长和溃灭。再生、灭次数决定于空泡内的空气含量及周围压力状况。在其生、灭的整个过程空泡随水流游移。游移空化常生于体形曲率很小，且未发生水流分离的边壁附近的低压区，也会出现于移动的旋涡空化的涡心和固定空化的紊动剪切层中。游移空泡在边壁表面溃灭时，可造成空蚀的破坏。
　　(2)固定空化
　　固定空化一词是指空化初生后发展的状态，那时水流从潜体或过流通道的固体边界脱离，形成附着在边界上的空腔或空穴。在水流分离的条件下，如果压力降低到临界压力以下，则在回流区生长的空泡将不断累积，直到回流区全部被空泡充满为止。肉眼看来这个空化相对于边壁可以说是固定的，因此称为固定空化。又由于它产生于水流分离区，因此也称为分离空化。固定空化的空腔长度随压力场而变，即随着压力降低，空腔长度增大。如果空腔增长至主流尾端完全脱离边壁(或绕流体)的状态，这称为超空化。通常超空化的空泡在远离边壁的水中溃灭，因此只造成水流能量损失，而不会造成边壁表面的空蚀。游离的瞬态空化和固定空化有一共同特点，那就是为了释放空化区上游端内部积累的张力而形成了一些空腔。
　　(3)旋涡空化
　　这在船舶工程中十分常见。这是由液流受到强烈扰动而产生的漩涡所形成的，多发生在水力机械的进出口边和绕流物体的尾部。这种空化形态多呈螺旋型。当足够强的剪切梯度出现在某一区域内，形成旋涡时，其涡心的绝对压力降低至该液体的临界压力，那时就会形成这样的空化。与游移空化相比，旋涡空化的寿命可能很长，因为旋涡一旦形成，液体内的角动量也会延长空穴的寿命。此外，旋涡空化可能是固定的，亦可能是游移的，如尾流中的旋涡空化就是不稳定的和多变的。
　　(4)振动空化
　　液体中固体边界的机械振动将激发相邻液体产生压力脉动，当振动幅值足够大时，就使液体发生空化。这种空化的特点是产生空泡的液体是静止的，它对材料有较大的破坏作用。
　　在叶片式水力机械中，主要是前三种空化造成材料的破坏、影响机械的工作性能。第四种类型的空化则广泛出现在活塞式机器的水冷壁等部位，例如水冷内燃机和活塞式压缩机等。
　　（二）根据空蚀发生的条件部位，水轮机的空蚀一般分为四种基本类型：
　　(1)翼型空蚀
　　水流绕流翼型时，翼型叶片表面形成压力差而使转轮旋转做功。通常叶片正面是正压力，背面是负压力，虽然叶片背面这种负压是转轮作功所必须的，但当负压降低到汽化压力时，会导致空化区的出现，为空蚀的产生又创造了条件。这种空蚀是反击式水轮机普遍具有的空蚀现象，它主要是由于转轮叶片翼型设计、制造不符合要求造成的，当然，运行工况不良也会引起翼型空蚀。
　　(2)间隙空蚀
　　它是水流通过狭小通道或间隙时，引起局部流速升高，造成压力下降，当压力下降到一定程度而产生空化所造成的空蚀。一般在导叶下端面处、导叶关闭时导叶与导叶之间的立面间隙处、转轮止漏装置间隙处和转桨式机组桨叶外缘与转轮室之间，桨叶根部与转轮体之间间隙处也易产生这种间隙空蚀。
　　(3)局部空蚀
　　它主要是由于铸造和加工缺陷形成表面砂眼、气孔等引起的局部流态变化而造成的。不同机型发生的部位不同，如；转桨式机组转轮室的连接不平滑处或局部凹陷处的后方；在凹入或突出的固定螺丝处；混流式机组的转轮上冠减压孔的后面。#p#副标题#e#
　　(4)空腔空蚀
　　它是反击式水轮机所特有的一种空蚀，且尤以混流式机组最为突出。它是由于反击式水轮机在非设计工况（如低水头、低负荷工况）运行时，转轮出口水流存在一定的圆周速度分量，使水流绕流叶片时发生脱流，在转轮出口每个叶片处都形成一个漩涡(或叫大涡带)。其漩涡中心形成很大的负压，一般以低于水轮机转速频率在尾水管中旋转，周期性地扫射在尾水管管壁上，在尾水管进口端边壁处形成的空蚀。同时，这种周期性的旋转会造成尾水管中流速场和压力场周期性的变化，进而引起机组的振动和噪音。
　　以上四种空蚀中，对水轮机运行危害最大的是翼型空蚀。如何有效地监测到翼型空蚀的发生和发展过程，是我们对水轮机运行状态监测的一个重点。
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