第三章 水轮机空化与空蚀第一节 空化与空蚀的机理一、水轮机空蚀与磨损情况简介 在我国已投产的电站中，相当一部分电站由于空蚀磨损破坏，导致机组效率下降、出力减小、振动加剧，不仅威胁水电站的安全运行，而且严重威胁电网的安全运行。 2三门峡水电厂三门峡水电厂三门峡水电厂三门峡水电厂机组在泥沙磨损和空蚀的联合作用下，水轮机过流部件严重破坏，水轮机运行15000小时必须扩修，其中4# 机运行2年过流部件严重损坏，效率下降 8.7%。3 黄河上游的刘家峡水刘家峡水刘家峡水刘家峡水电站电站电站电站由于空蚀磨损破坏，不仅转轮上出现大面积破坏深坑，活动导叶关闭不严无法停机，有时被迫安排两台机组进行扩大型大修。 4百龙滩水电站百龙滩水电站百龙滩水电站百龙滩水电站安装6台灯泡式贯流机组，初期运行时，由于机组在低水头及满负荷运行时，吸出高度不满足气蚀要求，导致机组产生振动和噪声，引起出力摆动。宝珠寺水电站宝珠寺水电站宝珠寺水电站宝珠寺水电站由于机组运行工况较差，转轮上冠靠叶片背面根部发生较严重的空蚀破坏，尾水管锥管里衬上在4个补气管根部 (顺水流旋转方向斜向下约45o处)气蚀严重，面积达600mm700 mm，最严重的已气蚀穿孔。5 五强溪水电厂五强溪水电厂五强溪水电厂五强溪水电厂5号机组由于经常处于高负荷和低负荷的交替运行状态，仅运行8000小时，就发现转轮上冠、泄水锥出现大面积的空蚀破坏.6葛洲坝水电厂首台机葛洲坝水电厂首台机组运行两个汛期就发组运行两个汛期就发现明显的空蚀磨损破现明显的空蚀磨损破坏，叶片变薄，坏，叶片变薄，17#17#机机20mm20mm厚的叶片出水厚的叶片出水边磨蚀速度达边磨蚀速度达3.5 3.5 mm/10000h, 15#mm/10000h, 15#机叶机叶片进水边头部磨蚀速片进水边头部磨蚀速度为度为4.3mm/10000h4.3mm/10000h。7 据据19981998年底不完全统计，我国水电总装机年底不完全统计，我国水电总装机容量容量63006300万万KWKW，约有约有1/31/3以上的水电装机容量以上的水电装机容量（包括大、中、小水电站）的水轮机过流部件（包括大、中、小水电站）的水轮机过流部件都遭受不同程度的空蚀磨损破坏，以致水轮机都遭受不同程度的空蚀磨损破坏，以致水轮机出力不足，寿命缩短，效率下降，运行可靠性出力不足，寿命缩短，效率下降，运行可靠性差，每年因发电损失和部件检修或更换费用高差，每年因发电损失和部件检修或更换费用高达几十亿元。达几十亿元。 8二、水轮机空蚀破坏机理空化与空蚀现象水轮机空蚀破坏机理91、空化与空蚀现象（1）空化现象液态水空化初生气泡发育气泡溃灭压力下降压力下降压力升高 空化过程可以发生在液体内部，也可以发生在固体边界上。10（2）空蚀破坏现象 空蚀是指由于气泡的溃灭，引起水轮机过流表面的材料损坏。空蚀是空化的直接后果，空蚀只发生在固体边界上。空蚀过程大致分成四个阶段：空蚀初生，空蚀成空蚀初生，空蚀成长期长期 ，空蚀稳定期，空蚀衰减期，空蚀稳定期，空蚀衰减期。 11（3）空蚀破坏的形态“蜂窝状”或“海绵状”沿水流的法向方向发展破坏面呈银灰色伴随空泡的破裂噪音，产生压力振动单个空蚀坑的外形与“月球环形坑”相似，即蚀坑的边缘凸起 。宏观形态12空蚀破坏的形态13微观形态 材料晶粒沿晶格破碎剥落，空蚀破坏处金相组织稀松，硬度变低、表面凹凸，在经千倍级放大可发现蜂窝或海绵孔中存有大量晶粒颗粒，破坏面布满空蚀针孔、蚀坑和裂纹。14152、水轮机空蚀破坏机理（1）空化气泡的分类空泡类型特 征游移型液体中移动的孤立的瞬态空泡或空泡群，空泡随液体运动固定型初生后附着在固体边壁上的空腔，相对稳定漩涡型转轮叶片出口、绕流体尾部呈螺旋形的空泡振动型由于液体中高强度、高频率的压力脉动而产生的空化16 空泡初生后除固定空化、振动空化外空泡会随液体产生运移，而空化区必然是低压区，与溃灭往往不在同一部位。 对于水轮机，空化区往往出现在流道表面发生突变及压力最低的地方，空蚀区将出现在空化区的下游处。 17（2）空蚀破坏机理分析机械作用化学腐蚀 电化学作用 微射流理论压力冲击理论冲击波理论 18A、微射流理论空蚀是由于气泡不对称溃灭产生高压高速微射流，微射流作用于材料表面，使表面产生破坏。 附在壁面上的半球形空泡附在壁面上的半球形空泡 空泡移入空泡移入压压力梯度区力梯度区 空泡靠近壁面的空泡靠近壁面的溃灭溃灭 19B、压力冲击理论 压力冲击理论认为材料剥蚀是空泡溃灭时产生巨大压力冲击的作用结果，如果不考虑空泡溃灭回弹、可压缩性和其他内外因素，认为空泡溃灭时具有的动能全部转换为压能。可压缩液体中含气型空泡溃灭时压力计算值可压缩液体中含气型空泡溃灭时压力计算值 20C、冲击波理论 冲击波理论认为气泡溃灭时产生冲击波，空蚀是冲击波作用于表面产生的机械破坏。离开壁面的空泡溃灭产生冲击波，壁面附近的空泡产生超射流的结构，估计超射流速度约为音速的2倍。 21D、电化学腐蚀作用 一种解释认为空泡初生中产生高电位，认为空蚀是由于电流通过材料而发生的电化学腐蚀。 另一种解释认为在空泡溃灭时产生的这种高温高压作用下，金属晶粒可形成热电偶，冷热端存在电位差，从而对金属表面产生电解作用，形成电化学腐蚀。 22空蚀类型特 点翼型空蚀多数情况下位于叶片背面下部片出水边位置间隙空蚀发生于叶片外缘于转轮室之间叶片根部与转论体之间的间隙附近局部空蚀由于局部流态变化而造成，如固定螺丝、台阶、凹陷，混流式上冠减压孔空腔空化反击式水轮机在非设计工况形成的涡带（2）空蚀破坏类型23（3）空腔空化的机理 反击式水轮机所特有的一种旋涡空化。对于反击式水轮机，在非设计工况运行时，转轮出口水流存在一定的圆周速度分量，在其作用下，在转轮后产生涡带，涡带中心形成很大的负压，这种涡带一般以低于水轮机转速的速度在尾水管中旋转，造成尾水管中流场发生周期性的变化，并引起机组的振动和噪音。24