《水轮机空化讲稿ppt课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《水轮机空化讲稿ppt课件.ppt（47页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、第四章 水轮机空化和空蚀 Cavitation and Erosion,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
2、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（Cavi
3、tation），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）)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
4、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
5、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。,空泡平衡的条件：R2(pi-p0)=2 R p=(pi-p0)=,平衡方程：,空气与水蒸气空化空泡的模型,当空泡
6、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：,（教材49式）,空泡的抗拉力与空泡半径关系:水的表面张力=7.410-2N/m=0.074g/cmp=,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（210-8mm），空泡的抗拉力为7400kg/cm2.,2）水的抗拉力的实验结果1）Reynolds:18
7、78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：2001000kg/cm2,Briggs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”。,.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
8、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。,Po,Rmax,Pv,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,空泡的发生发育与空泡初始直
9、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。,Pcr,Pcr,Rcr,Ro,教材图4-2与图4-3,2.5 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,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，
10、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。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.,）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,空泡溃灭的的基本方程（教材4-124-13式）,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。,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。,空
11、泡溃灭过程曲线,0.91468,空蚀的破坏机制,）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）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）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）联合作用：几种因素联合作用，加快侵蚀,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,水轮机的空化与空蚀,空化的类型与空蚀部位,空蚀的特征麻坑与蜂窝状侵蚀,麻点麻坑蜂窝状,水轮机空化的类型与部位,汽化压力,（）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
12、不同。,翼型空化,（）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,()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
13、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)水轮机空化的内因是水中含有不同形式存在的“空化核”微气泡；空化发生时，空泡的主体是水蒸气，因此流体内压力降到
14、水的汽化压力时便发生空化。外因是流体中低压的形成。2）空化经历初生发育溃灭过程，空泡溃灭时产生微射流与冲击波，对过流表面形成破坏。空化的破坏机制有：机械破坏作用、电化学侵蚀、化学侵蚀与各因素的联合作用。3）水轮机的空化类型有翼型空化、间隙空化、局部空化与空腔空化。各有不同的发生部位。4）水流中泥沙含量大时，水流容易空化，同时发生泥沙磨损，二者联合作用时对水轮机的破坏作用大幅度增强。5）尾水管补气可以防止空腔空化形成的压力脉动，减轻机组振动。6）水轮机表面防护对于防治水轮机磨蚀有显著效果。7）设计、加工精良的转轮可以防止和减轻水轮机磨蚀。,空化夜话,说是空话，实是气话，-空化的实质是液体低压状态的汽化。全因为那气人的孩子。-空化发生的内因是水中有空化核子。长期受气，疲劳成疾，-水轮机长期遭受气蚀，发生疲劳破坏。钢筋铁骨也会被活活气死-坚硬的钢铁部件也会被气蚀破坏。本来处境艰难，-水轮机工作在高负荷低压的残酷环境，又遭沙暴袭击，-又常受到泥沙磨蚀的侵害，为了生存要防护自己。-为了保护水轮机必须采取表面防护措施。站得高了太危险，-水轮机装的抬高以发生空化，还是在低处安全。-把水轮机安装低些比较安全。,
