水輪機(jī)的空化與空蝕

摘 要：空化與空蝕現(xiàn)象在水輪機(jī)中非常常見，會造成水輪機(jī)的葉片磨蝕損壞，導(dǎo)致水輪機(jī)的性能與經(jīng)濟(jì)效益下降，改善空化與空蝕現(xiàn)象需要制造工藝水平的提升與設(shè)計的改善，超空化水輪機(jī)的空化、空蝕大大降低，但是它的實(shí)用化仍舊有很長的路要走。

關(guān)鍵詞：空化；空蝕；原理；種類；危害；降低空蝕的措施；超空化

水輪機(jī)中存在的空化、空蝕現(xiàn)象會對水輪機(jī)的性能產(chǎn)生不利的影響，因此在設(shè)計運(yùn)行時要盡可能地避免，并將空化、空蝕對水輪機(jī)的性能的不利影響降到最低。空化現(xiàn)象指的是水輪機(jī)流道中局部壓力降至臨界壓力時，水中氣核慢慢成長為氣泡，氣泡將液體中的蒸氣和溶液中析出的氣體包裹起來。當(dāng)進(jìn)入壓力較低的區(qū)域時，氣泡則會逐漸長大，當(dāng)氣泡隨水流運(yùn)動到壓力較高的區(qū)域時，在高壓的作用下會迅速凝縮潰滅。因此，空化是指氣泡從集聚、流動、分裂到潰滅的這一過程。空化現(xiàn)象不僅發(fā)生在液體內(nèi)部，也會出現(xiàn)在固體邊界上?？瘴g指的是由于空泡的潰滅所引發(fā)的過流表面金屬材料的損壞?？张菰跐绲倪^程中伴隨著機(jī)械、電化、熱力、化學(xué)等過程的作用?？栈?、空蝕會導(dǎo)致水輪機(jī)的性能下降，水輪機(jī)的過流部件表面會遭到損壞，甚至?xí)菇饘俨牧系木植堪l(fā)生脫落。

發(fā)生空蝕的主要原因是空泡潰滅所產(chǎn)生的機(jī)械作用，包括沖擊波模式和射流模式兩種。通過對空蝕現(xiàn)象的觀察，我們會發(fā)現(xiàn)空蝕在邊界上分布并不均勻，而是集中在某些位置。當(dāng)?shù)谝粋€蝕坑形成后，在一定的條件下，它的發(fā)展速度要比其它的地方快，蝕坑越來越大、越來越深，最后將導(dǎo)致材料破碎而被水沖走。除此之外，也可以用熱力學(xué)和電化作用來解釋空蝕現(xiàn)象。空蝕產(chǎn)生的原因十分復(fù)雜，它在多重作用下發(fā)生，并且與化學(xué)腐蝕、泥沙磨損等相互促進(jìn)，使得材料被進(jìn)一步破壞。

水輪機(jī)按空化與空蝕發(fā)生的部位不同可以分為翼型空蝕、間隙空蝕、局部空蝕和空腔空蝕。翼型空蝕是反擊式水輪機(jī)的主要空蝕類型，在葉片的不同部位都有可能會出現(xiàn)空蝕區(qū)，轉(zhuǎn)輪型號及運(yùn)行工況都會影響到空蝕區(qū)的發(fā)展。間隙空蝕指的是當(dāng)水流通過狹小通道或間隙時局部流速會升高，導(dǎo)致壓力下降而產(chǎn)生空蝕，間隙空蝕在轉(zhuǎn)漿式水輪機(jī)中最為突出，發(fā)生區(qū)域多在轉(zhuǎn)輪葉片外緣與轉(zhuǎn)輪室之間以及葉片根部與轉(zhuǎn)輪體之間的間隙附近。局部空化產(chǎn)生的主要原因是過流面上局部地方的一些不規(guī)則的凹凸引起了旋渦，漩渦中心的壓力下降到氣化壓力所產(chǎn)生的?？涨豢栈c上述三種空化有著明顯的差異并且為反擊式水輪機(jī)所特有，它通常在轉(zhuǎn)輪下方的空腔區(qū)域發(fā)生。當(dāng)反擊式水輪機(jī)處于非設(shè)計工況下運(yùn)行時，轉(zhuǎn)輪出口水流在圓周方向存在著一定的速度分量，在該圓周速度分量的作用下，在轉(zhuǎn)輪后會形成渦帶，渦帶中心有著很大的負(fù)壓，這種渦帶在尾水管中旋轉(zhuǎn)的頻率一般低于水輪機(jī)轉(zhuǎn)速，并周期性地與尾水管邊壁發(fā)生碰撞，造成振動和噪音。甚至?xí)l(fā)共振現(xiàn)象，導(dǎo)致機(jī)組或廠房發(fā)生振動并造成機(jī)組出力的嚴(yán)重波動，嚴(yán)重威脅著機(jī)組的運(yùn)行安全。

在水力機(jī)械的設(shè)計和運(yùn)行中，空化和空蝕所產(chǎn)生的嚴(yán)重危害已經(jīng)引起了工程技術(shù)界的普遍關(guān)注?？栈?、空蝕會引發(fā)一系列的不良現(xiàn)象，會導(dǎo)致水輪機(jī)過流部件表面損壞，水輪機(jī)在運(yùn)行過程中，轉(zhuǎn)輪以及一些過流部件的局部表面上，金屬表面會失去光澤并變?yōu)榘祷疑?，逐漸產(chǎn)生深度一般為1到2mm的麻點(diǎn)狀針狀孔，隨著時間的推移進(jìn)一步發(fā)展成為海綿狀（即蜂窩狀），此時金屬表面的破壞已十分嚴(yán)重，再進(jìn)一步發(fā)展金屬就會產(chǎn)生局部的脫落，甚至穿孔。這樣會引起能量參數(shù)下降，尤其是當(dāng)空化、空蝕發(fā)展到干擾正常水流流動時，會加大能量損失，使得效率和出力發(fā)生大幅度的下降?？栈?、空蝕問題已然阻礙了水利機(jī)械的進(jìn)一步發(fā)展。近代水輪機(jī)主要是采用不斷提高比轉(zhuǎn)速的措施來減小轉(zhuǎn)輪的尺寸并降低制造成本，同時提高單機(jī)容量，這些趨勢都將會使得水輪機(jī)的空化、空蝕持續(xù)惡化。

影響空蝕的因素很多，通常分為內(nèi)因和外因兩種，內(nèi)因主要是指材料的本質(zhì)屬性即硬度、塑性及材料的抗磨蝕性能；外因主要包括工件的表面粗糙度、流體的運(yùn)動速度、流體的溫度和流體中的氣體含量等?？栈欠恋K水力機(jī)械提高比轉(zhuǎn)速、提高單機(jī)容量、提高應(yīng)用水頭的重要原因之一。水輪機(jī)之所以尺寸大、轉(zhuǎn)速低，一方面受工作參數(shù)的限制，另一方面也受到空化的影響。為了使水力機(jī)械能夠在空化條件下運(yùn)行，并提高其工作能力，從20世紀(jì)50年代開始，國外就大力開展了水力機(jī)械超空化的理論和實(shí)驗(yàn)研究工作，其成果先后在高速船艇的螺旋推進(jìn)器、水翼船和高速泵中得到應(yīng)用。根據(jù)空蝕發(fā)生的機(jī)理，若汽泡或汽穴的崩潰過程不發(fā)生在固體壁面上，即汽穴區(qū)域的長度遠(yuǎn)大于翼型的弦長，此時雖然空化較強(qiáng)，但不會破壞繞流物體的壁面。汽泡崩潰過程完全發(fā)生在物體外部，即后面的水中，這種現(xiàn)象稱為超空化，也是超空化水力機(jī)械的基本工作原理。

超空化的水力機(jī)械轉(zhuǎn)輪葉片的翼型與普通的空氣動力翼型，無論是在形狀上還是在動力特性上都存在著很大的差別。普通的空氣動力翼型均為前半部較厚，尾部較薄的流線型翼型，翼型繞流產(chǎn)生的升力主要是靠翼型背面壓力降低來實(shí)現(xiàn)的。超空化翼型的最大厚度靠近翼型的尾部，而翼型的前半部分較薄，翼型繞流升力主要靠翼型正面壓力形成。當(dāng)工況發(fā)生變動時，翼型背面的壓力變化較小，而正面始終保持正壓。超空化翼型在超空化公況下繞流時，汽穴的長度同翼型弦長的比值應(yīng)大于3到4，至少不能小于1.5，否則汽穴的不穩(wěn)定工況將對翼型表面的繞流產(chǎn)生干擾。超空化的翼型種類很多，國外已研制出用于螺旋槳、水泵等水力機(jī)械的各種性能良好的超空化翼型。實(shí)驗(yàn)表明，超空化泵的性能大大優(yōu)于一般的水泵，即超空化泵已不再受空化的限制而能保持較高的運(yùn)行效率。

超空化的葉片式水力機(jī)械轉(zhuǎn)輪葉片需選用超空化的翼型，并以超空化的流體動力學(xué)理論為設(shè)計基礎(chǔ)，它的正常工作狀態(tài)就是空化工況。而要使超空化水輪機(jī)實(shí)用化，必須進(jìn)一步改善超空化翼型的動力性能，增大其升阻比，以便提高其超空化轉(zhuǎn)輪的效率。水輪機(jī)的效率指標(biāo)遠(yuǎn)比高速水泵的效率指標(biāo)要重要得多，使超空化水輪機(jī)實(shí)用化的關(guān)鍵就是提高其工作效率。超空化水輪機(jī)尾水管中的流動是汽水二相流，尾水管的效率不高。因此，要提高水輪機(jī)的整體效率，必須對超空化尾水管做專門的研究。為了改善空蝕，在設(shè)計水輪機(jī)時，首先要在滿足功率要求的前提下，保證具有較高的能量指標(biāo)，其次要保證具有令人滿意的空蝕性能。向汽蝕區(qū)域通入空氣可以降低空蝕破壞強(qiáng)度，在原型水輪機(jī)上曾經(jīng)觀察過通氣對降低空蝕破壞強(qiáng)度的效果。另外可以采用抗空蝕性能高的材料和保護(hù)層用于改善水輪機(jī)的空蝕性能。

要減輕水輪機(jī)的空化、空蝕現(xiàn)象，就必須同時從設(shè)計、制造、運(yùn)行等多個方面采取積極的措施，如型線的設(shè)計要合理，不斷提高冶煉鑄造和加工制造的工藝水平，對檢修質(zhì)量和安裝工藝進(jìn)行不斷提高，使機(jī)組在合理的工況下運(yùn)行等等。只有這樣才能減輕水輪機(jī)的空蝕與磨損，使檢修周期大大延長，使得機(jī)組的經(jīng)濟(jì)效益得到更好的發(fā)揮。

參考文獻(xiàn)

[1]王國剛，孫冬柏，張秀麗，等.空泡潰滅過程中力學(xué)損傷行為[J].北京科技大學(xué)學(xué)報，2007.

[2]武漢水利電力學(xué)院.水輪機(jī)（下冊）[M].北京：電力工業(yè)出版社，1980.

[3]華東水利學(xué)院.水輪機(jī)（下冊）[M].北京：電力工業(yè)出版社，1980.

作者簡介：李欣（1995-），女，漢族，安徽安慶人，武漢大學(xué)，在校大學(xué)生。