空化与空蚀研究
空化与空蚀研究
s 陈大融
摩擦学国家重点实验室(清华大学),北京100084
收稿日期:2010-11-1 修回日期:2010-11-27
本文作者:陈大融,教授,ch endr @m ai.l ts i nghua .edu .cn 。
摘 要 空化是一种自然现象,从认识/滴水穿石0起,人们就将注意力集中在源于空化的各种损伤过程上。由于对空泡生成、坍缩、溃灭,直至形成微激波、微射流的机理尚不清楚,历经百余年的研究,仍然没有形成有效解决空蚀损伤、空蚀噪声等问题的关键技术。另一方面,空泡坍缩、溃灭过程所形成的极端物理、化学、力学环境、空泡内部物质的特殊物理化学状态及其转化过程,可为寻找自然界深层次规律的科学研究提供新的途径,形成的关键技术将为国民经济与国家安全的发展做出巨大贡献,并将最终造福于人类。
关键词:空化 空蚀 微激波 微射流 声化学 超声医学 中子聚变
中图分类号:TP601 文献标识码:A 文章编号:1009-2412(2010)06-0003-05DO I :10.3969/.j issn .1009-2412.2010.06.001
空化(cav itation)是指液体内局部压强降低到饱和蒸气压之下时,液体内部或液固交界面上出现的蒸气或气体空泡形成、发展、坍缩和溃灭的过程。 空蚀是指空泡坍缩形成微激波与微射流,攻击壁面形成损伤的过程。空蚀过程在水轮机领域称为气蚀、在螺旋桨领域称为剥蚀、在汽轮机领域称为水蚀、在水力机械领域称为冲蚀,所描述的都是相同的物理和力学过程。
对空化现象的认识和研究可追溯到19世纪。有记载的是B esant 在1839年、Reyno l ds 在1873年就已经开始在实验室对空化现象进行研究。1902年在英国Cobra 号驱逐舰螺旋桨上首次发现空蚀损伤,接着在水工建筑物和水力机械上也发现了同样的现
象。英国皇家海军委任Lord Rayle i gh 着手进行研究,1917年Rayle i gh 提出了较为系统的空化理论,建立了描述自由空泡运动的方程。在此基础上,P lesset 进一步研究,得到了著名的Ray leigh -P less et 方程,形成了空泡动力学的基础。随着高速机械的发展,涉及微射流损伤的领域也越来越多,例如水电、火电、核电、运输、采矿、化工和医学等与介质高速流动相关的领域。由于空蚀发生机理至今尚不明确,在这些领域微射流损伤均属于难以解决的关键科学技术问题[1]。
一、空蚀损伤的危害性
1.水轮机与汽轮机空蚀损伤
据文献报道[2],中国已建成的很多水电站的水轮机空蚀破坏非常严重,导致效率下降、出力减少、振动加剧,不仅威胁水电站的安全运行,也严重威胁电网的安全运行。汽轮机也存在同样的问题,无论国产还是进口的大型汽轮机,末级叶片型线下部出汽边均易发生冲蚀损伤,成为效率下降并影响大型机组安全运行的普遍问题[3]。我国水电机组每年由于空蚀损伤造成的发电量损失超过1280亿度[2],火电机组由于冲蚀损伤造成的发电量损失超过2430亿度[3],两者每年的发电量损失大约相当于5个三峡电站全年的发电量,直接经济损失超过1500亿元人民币。
国内外对水轮机与汽轮机叶片损伤机制已经进行了数十年的研究,从最初的疲劳机制[4]发展为冲击损伤机制[5],在损伤过程中还伴随着腐蚀现象的发生。学术界与工程界提出了许多抑制空蚀损伤发生与发展的方法,主要为提高硬度、加工硬化率和弹性以及加陶瓷涂层等,但在实验中收效甚微,至今尚无工程应用。哈尔滨电机厂在固定水头和功率的条件下,研究了防止气蚀发生的新型叶面型值,已经应用于三峡电站。
2.大型高速轴承空蚀损伤
高速透平机械轴承、内燃机轴承、轧钢机轴承和
风力发电机轴承等都面临严重空蚀损伤的问题,其表现为轴承表面呈点状脱落,使得磨损加速、噪声增大、使用寿命下降。英国著名摩擦学专家Do w son[6]等人1979年发表论文描述了大型高速轴承空蚀损伤的严重性,并提出了主要研究内容。此后,相关学者在这一领域进行了探索研究,发表了千余篇论文,但至今尚未获得有效的解决方法。
3.液压机械、流体泵的空化与空蚀损伤
液压系统的空蚀损伤主要发生在工程机械的大型液压系统、船舶舵机、汽车刹车系统中。在液压系统中,通过油液介质传递动力的基础是油液为非压缩性流体,一旦空化产生会使得压缩率大幅度增加,产生控制失灵以及工作机构间歇运动等现象。同时还会使油温升高、油液加速氧化、润滑性能下降等问题,将严重危害系统的工作可靠性。油液中微气泡的存在以及空化发生还会引起缸体壁面损伤,会造成系统振动和噪声增加,容积效率降低等一系列问题。
4.螺旋桨与水工建筑空蚀
螺旋桨空蚀损伤的典型实例是法国/戴高乐号0核动力航空母舰,该舰造价达800亿法郎,航速27节,功率84000马力,1999年1月开始海上试验,发现螺旋桨空蚀噪声巨大,达到影响水兵睡眠的程度; 2000年11月初发现4台螺旋浆均遭遇严重空蚀,其中3台已无法继续运行;2002年3月换上新螺旋浆重新下水,但不久又发生桨叶断裂事故。螺旋桨空蚀损伤现象普遍存在于各类舰艇,同时巨大的空蚀噪声也严重影响舰艇(特别是潜艇)航行的隐蔽性。潜艇航速每增加1节,噪声增加2dB,为降低噪声对航行隐蔽性的影响,潜艇往往仅以3节左右的速度航行(设计航速27节,临界航速19节),大大降低了威慑力。
水工建筑的空蚀现象十分严重。1935年在巴拿马地峡恰格采斯河上的M adden坝输水道进口发现严重空蚀损伤后,在美国鲍尔德水利枢纽东岸泄洪隧洞、前苏联的布郝塔尔明大坝与布拉茨克水电站溢流坝面也都发现了严重的空蚀现象。有报道称,我国刘家峡水电站右岸泄洪隧洞、盐锅峡水电站溢流坝下流挑坎等都不同程度地发生了空蚀破坏。
二、空蚀发生机理研究
虽然对空蚀发生机理目前还没有给出一个令人信服的解释,但对空蚀损伤是由于微空泡坍缩、溃灭,形成微激波与微射流攻击壁面的过程有了基本的共识。由于微射流发生是由空泡溃灭造成的,问题涉及流体力学、热力学、材料学、物理、化学以及摩擦学和制造科学等众多学科的知识,从单一学科的角度出发,难以发现系统的内在规律。因此,到目前为止仍然没有形成有效抑制微射流损伤发生的关键技术。
微射流损伤过程是一个复杂过程,抑制微射流损伤发生的关键技术的形成将依赖于对损伤过程的系统认识,研究难度在于对一些物理过程仍然不清楚,例如:1微空泡压缩与溃灭发生在亚微秒/纳秒时间内,如何对瞬态物理过程进行精确测量和模拟;o针对微射流攻击壁面的高速动力学过程,如何进行材料损伤过程的单因素实验;?如何描述空泡溃灭瞬间能量聚集程度、释放过程及微尺度耗散机制;?如何理解多尺度条件下的液/固、气/固、气/液、气/汽等相界面行为、界面状态及转化以及界面传质过程等;?如何确定微射流损伤过程与电化学、高温氧化、空位簇氧化膜腐蚀等过程同时并存、互相影响的规律;?如何描述微射流损伤过程与材料表层物理特性变化,以及材料表层电子结构变化之间的关系等。抑制微射流损伤发生在国内外均被认为属于难以解决的科学技术问题,形成综合理论和行之有效的关键技术具有相当的挑战性。
1.微射流发生的力学过程
经过多年的研究,已经发现:1空蚀损伤过程必须有微颗粒参与;o微射流与损伤发生过程主要是力学过程。因此,对微空泡与微颗粒在近壁面的运动规律以及如何控制微空泡/微颗粒在近壁面的运动轨迹是首先需要研究的内容。但是,处于液体介质中的微颗粒在趋近壁面时受到多种力的影响,需要对产生这些力的原因以及相互之间的关系作深入的分析,才有可能获得对微颗粒运动轨迹实现控制的理论与方法。研究表明,影响液体介质中微颗粒的力的产生,与空泡能量聚集/耗散、表面形貌对近壁面流场的影响、材料物理特性与腐蚀对双电层等众多因素的影响密切相关,由于涉及跨尺度与跨学科的问题,其中部分影响因素目前还无法直接从计算与实验获得。
2.空泡溃灭与微射流发生过程中的能量聚集与耗散机制
2000年德国Stuttgart大学B r uno教授用400ps 快门速度的高速条纹摄像机对单个坍缩气泡发射的
光与激波的动力学进行了研究,捕获了水中微气泡坍缩的时间分辨图像,发现在坍缩和同时发生的光发射后不久,激波的运动速度达到4000m/s,计算出气泡附近的压强达到6Gpa。Putter m an和Barber的研究表明,空泡坍缩速度超过声速,在微激波最小半径处的加速度高达1011g[7,8]。研究表明,几乎每次坍缩都伴有闪光,光子的产生表明在内爆气泡中必然出现极高的压力与温度,并以微射流和微激波的形式耗散[9]。
对空泡坍缩过程的研究提供了微米级微空泡溃灭后形成微激波与微射流,进而攻击固体壁面,形成毫米/亚毫米级空蚀坑的证据。但是,对微空泡内能量来自何处仍然不清楚,主要问题为:1空泡内部温度、压力急剧上升的原因是什么?在高温、高压下形成射流时液体以何种结构和约束可以使其在液体中成束并对壁面造成损伤?o如何判定微空泡被急剧压缩到最小半径时的能量聚集程度,以及如何构成基本的数学物理模型??空泡溃灭时内部物质是否已经处于等离子态,空泡内物质是否参与了射流的形成?[10,11]?如何分析空泡内高密度能量的传播过程导致微空泡凹陷的原因,以及如何确定微射流形成与能量输运及耗散之间的关系??如何确定微射流发展过程中卷吸周围液体及向周围扩散的能量耗散过程,如何建立微射流在介质中的能量耗散规律等。
3.材料微射流损伤与腐蚀共同作用的机制
材料微射流损伤与腐蚀几乎同时发生。因此,早期的研究将这一过程归纳为电化学损伤,即损伤是由电化学腐蚀引起的[12],认为其原因是空化过程促进了电极-介质界面附近区域离子和分子的传输,以及离子与金属表面的电子交换过程[13]。但是,正电子湮没实验表明[14],在微射流损伤发生过程中必定伴随着腐蚀作用,并相互影响,加剧空蚀损伤的发展,电化学腐蚀只是造成空蚀损伤的原因之一。
空蚀与腐蚀之间的相互影响为综合考虑材料表层物理特性、双电层特性与电化学腐蚀过程的关联性提供了新的途径,获得了合金与液体界面的双电层性质决定液体中离子的吸附过程与合金与液体界面的电化学腐蚀过程[15],以及双电层的结构及吸附性能取决于合金的化学组成与合金表面晶体结构的结论[16]。研究者对表面电子特性进行了深入的研究,提出了表面电子态密度分布与双电层特性以及界面腐蚀之间的关联性[17,18],使界面效应在空蚀与腐蚀过程中的作用进一步明朗化。
但是,目前的研究对一些关键问题仍然没有给出合理的解释。例如,如何描述微射流所诱发的特殊物理化学环境条件以及由此引起的损伤行为;材料/溶液界面双电层的异构、活性自由基的特性和竞争吸附行为对微射流流体传质过程等瞬态局部化学环境的影响及其腐蚀行为与机制;瞬态局部溶液化学环境与瞬态局部高压场叠加对材料微射流损伤的交互作用和耦合作用机制等。需要针对空泡溃灭过程中形成的特殊瞬态局部化学环境,在产生液相等离子体并由溶液分子或原子离解释放活性自由基研究基础上,深入研究空泡溃灭过程对材料表面的双电层结构、电子跃迁能力、表面费米能级改变带来的影响。
4.材料表层物理特性对微射流损伤的影响
对空化现象与空蚀过程研究的目的之一是要形成抑制空蚀损伤发生与发展的关键技术,这就会涉及空蚀发生过程中合金材料的微观缺陷发展及电子结构变化。目前此领域的研究甚少,对合金材料研究的关注点也主要集中在材料力学性能上。
材料表层微观缺陷与合金力学性能密切相关[19],微观电子结构是构成合金物理性能的基础。较长时间的空蚀实验证明,合金材料的正电子S参数值随空蚀实验时间增长,材料空位缺陷不断外移,表明试样体内的空位缺陷随着空蚀时间增长,表层空位缺陷在深度方向上呈梯度增长,解释了空蚀损伤随时间越演越烈的原因。
通过电子能量损失谱分析发现,在空蚀发生的过程中,合金的体电子密度nb逐渐减小;而非单空位缺陷处的电子密度nd急剧减小,由于在空蚀过程中单空位缺陷处几乎不产生空蚀损坏,因此体电子密度的减少主要是由于非单空位缺陷电子密度的急剧下降造成的,其原因在于空蚀过程中合金材料3d 电子数发生了变化。
三、与空化和空蚀相关的研究领域
微空泡坍缩、溃灭过程是一个涉及力学、热力学、物理、化学等众多学科的自然现象,虽然许多规律目前还不为人知,但利用其产生的特殊效应可以形成有效的关键技术,并发展为新的研究领域。
1.声化学
声化学是指在声波作用下,加速化学反应或者
启动新的化学反应通道的新的交叉学科。声化学反应的主动力来自声空化所产生的微空泡坍缩、溃灭时形成的高温、高压、微激波、微射流等极端物理条件。在声化学领域,一般认为微空泡溃灭提供的反应温度大于5000K,提供的压力大于2.03@108P a。在声化学领域,目前关心的核心问题是:声空化理论、声致发光和自由基的产生,这些问题原则上属于物理学和物理化学的研究范畴。
超声化学一般可分为有机合成、超声降解、超声催化3个分支。在有机合成领域主要进行空化条件下的均相、液/液多相、非金属的有机固/液反应、有金属参与的多相反应研究,其反应速度比常态下要高几个数量级。在超声降解领域主要利用超声空化效应所带来的高温高压条件,使几乎任何污染物完全氧化降解,具有不使污染物富集,不受有机物种类和品种的限制,以及低功耗、高效率、没有二次污染等优点。在超声催化领域,超声独特的能量导入效应能够加快某些化学反应的速度,提高化学反应效率。
2.超声医学
医学超声学涉及了从诊断到外科手术的极为广泛的临床应用范围。其中治疗超声是以低频高能量的形式作用于人体,通过微空泡坍缩与溃灭,使人体组织发生某种有利于疾病治疗或身体康复的变化,主要技术为高强度聚焦超声(H I FU)治疗。
高强度聚焦超声治疗已经在许多领域成功应用。例如,已成功应用于前列腺癌以及骨、胰腺、盆腔、肝、乳腺、软组织、肾等肿瘤的治疗,疗效明显;在眼科主要用于治疗青光眼和白内障;在妇科用于治疗子宫肌瘤等。
作为物理治疗手段之一,高强度聚焦超声治疗技术正得到工程界和医学界的关注,如果在物理机理以及与生物效应的耦合研究方面能获得突破性进展,完善治疗设备关键技术,可使我国在H I FU设备制造、临床应用方面步入世界前列。
3.常温中子聚变
解决能源与排放问题的重要途径之一是发展可控核聚变,其中一个分支是常温中子聚变。2002年美国橡树岭国家实验室的物理学家T eleyarkhan[20]以氘代丙酮为介质,由脉冲中子发生器产生微空泡,通过超声波换能器注入能量,当微空泡膨胀至1mm后坍缩。T e leyar khan认为,他们检测到了2.45M e V的中子,并发现溶液中产生了额外的氚,认定发生了中子聚变,并在Scie nce发表了论文。T e leyarkhan本人未能重复这个实验,虽然他在2004年[21]和2006年[22]继续发表论文,解释实验的可靠性,但是这项实验结果至今没有被学术界认可。多数科学家认为,目前微空泡内的能量聚集程度距满足量子隧穿,实现中子聚变大约还相差1)2个数量级。
常温中子聚变研究采用的是高温等离子体的热核聚变模式,普遍认为只要出现和维持一定温度以上的高温等离子体状态,就可以满足量子隧穿所需条件,产生聚变并释放高产额的中子。在微空泡内部产生超高温的局部条件,有可能形成高温等离子体,Suslick与Stri ngha m的研究为这一推测提供了依据。Suslick的研究明确了在溃灭瞬间,微空泡内部物质已经形成了等离子态[23]。Stri ngha m明确提出了空化聚变的概念,认为界面物质在自我加速过程中,拉动其内部的部分等离子体共同形成了等离子体射流[24]。射流的组成中既包含离子,也包括电子。由于射流中物质的高速同相运动,将导致在界面射流形状的中心产生一个真空的核,其外围是高密度的等离子体。这样,在微空泡溃灭瞬间构成射流的初始几何形状时,实际上已经处于磁约束的高温等离子条件。
按照耗散结构理论,发生熵减过程的自组织现象系统必须是开放的,即必须从系统外有能量输入,同时在系统内必须存在远离平衡态的非线性相互作用,并产生涨落触发。对于一个动态体系触发其涨落,将推动系统发生质的变化而跃到新的稳定有序的耗散结构状态。因此,如果能够进一步集中导致空泡坍缩的能量,通过双电层电荷密集加速微空泡趋近壁面运动,使空泡所受压力与表面张力之间呈非线性关系,则有希望达到提高微空泡内温度与压强,并稳定获得具有一定产额中子的目的。
四、关于空化与空蚀研究的建议
空化与空蚀描述的是空泡产生、坍缩、溃灭,直至形成微激波、微射流的瞬态过程,目前的研究还无法直接观察这一变化过程,也无法测定空泡溃灭时产生的高温、高压,以及空泡内部的物质变化,只能从溃灭后对微区环境造成的影响来推断空泡溃灭时的物理量变化,这给研究空化与空蚀现象带来了很大的困难,需要发展高速、微观、瞬时、动态测量技术。
空化与空蚀过程涉及力学、热力学、物理、化学
和材料科学等众多学科,有很强的关联性与耦合性,从单一视角出发无法全面了解演变规律,难以获得解决问题的关键技术。正如仅从材料及表面力学性能出发,无法获得抑制空蚀损伤的关键技术一样。为此,需要组织多学科研究队伍,从基础研究层面深入研究相关规律之间的耦合性,就空泡产生、坍缩、溃灭,形成微激波、微射流的过程,以及与此过程相关参数之间的关系给出明确的解释。
常温中子聚变等研究与空泡坍缩与溃灭过程密切相关,也与多种物质结构相关的界面科学、非线性科学问题密切相关,描绘了一个极其诱人的研究前景,相关基础理论与关键技术的获得,将为科学技术与国民经济的发展以及国家安全做出重大贡献。
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K eyw ords:cavitation;cavitation er osion;m icr owave; m icr o je;t s onic che m istry;ultrasound i n m edic i ne; neutr on f usi on reaction
文丘里管中空化流场的数值模拟.
第２３卷第１０期 计算机与应用化李 Ｖ０１．２３．Ｎｏ．１０２００６年１０月２８日 ＣｏｍｐｕｔｅｒｓａｎｄＡｐｐｌｉｅｄＣｈｅｍｉ８ｔｒ＿ｙ ０ｃｔｏｂｅｒ．２００６ 文丘里管中空化流场的数值模拟 王智勇，张晓冬，杨会中 （大连理工大学化工学院，辽宁，大连，１１６０１２） 摘要：基于ＦＬＵＥＮＴ软件，采用标准☆嚼模型和空化泡动力学模型，对三种不同几何形状的文丘里管内空化流场进行数值模拟，计算了文丘里管内空化区的空化数、压力分布和汽含率分布，研究了操作条件、文丘里管的结构形式对空化效果的影响。结果表明，理论计算的空化区汽含率分布与实验拍摄的空化云雾区图像有较好的吻合性；水力空化装置的操作条件，以及文丘里管的结构形式对空化效果有着明显的影响。 关键词：水力空化；文丘里管；流场；数值模拟；汽含率分布中圈分类号：ＴＶ １３ｌ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００ｌ＿４１６０（２００６）１０－９３９．９４２ ＮｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｃａｖｉｔａｔｉｏｎｎＯｗ６ｅｌｄｉｎｔｈｅｖｅｎｔｕｒｉ
ＷａｎｇＺｈｉｙｏｎｇ，Ｚｈａｎｇ×ｉａＯｄｏｎｇａｎｄＹａｎｇＨｕｉｚｈｏｎｇ （ＳｃｈｏｏＩｏｆＣｈｅｍｉｃａＩＥｎｇｉｎｅｅｒ．ｎｇ，Ｄａ¨ａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏＩｏｇｙ，ＤａＩｉａｎ，１１６０１２，Ｌｉａｏｎｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａ８ｅｄ仰ｔｈｅｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｎｕｉｄ ｄｙｎ砌ｉｃｓｓｏｈａｒｅ ＦＬＵＥＮＴ，ｔｈｅ ｃ盯ｉｔａｔｉｏｎｎｏｗｆｉｅｌｄ８ｉｎｖｅｎｔｕｒｉｔｕｂｅ８ｗｉｔｈｄｉ虢ｒｅｎｔ ｇｅｏ－ ｍｅｔｒｉｃａｌ ｆｏ珊ｗｅｒｅ ｓｉｍｕｌ砒ｅｄａｄｏｐｔｉｎｇｔｌｌｅｓｔａｎｄａｒｄ矗?Ｆｅｐｓｉｌｏｎｍｏｄｅｌａｎｄｃａｖｉｔａｔｉｏｎｂｕｂｂｌｅｄｙｎａｍｉｃｓ．Ｔｈｅｃａｖｉｔａｔｉｏｎｎｕｍｂｅｒ，ｔｈｅｄｉ８－ ｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｐ托ｓｓｕ陀ａｎｄｔｌｌｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｖａｐｏｒｂｕｂｂｌｅｆｈｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｃａｖｉｔａｔｉｏｎａｒｅ鹊ｉｎｔｈｅｖｅｎｔｕｒｉ８ｗｅ陀ｃｏｍｐｕｔｅｄ．Ｔｈｅｉｎｎｕｅｎｃｅｏｆ ｏｐｅｍｔｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓａｎｄｔｈｅｓｔｎｌｃｔｕｒｅｏｆｖｅｎｔｕｒｉｔｕｂｅｓ
水力机械课程要点及复习思考题
水力机械课程要点及复 习思考题 Document number【980KGB-6898YT-769T8CB-246UT-18GG08】
水力机械课程复习思考题 绪论部分： 1、为什么说水力发电的可调节性比较好? 2、根据你对水电和火点的认识，试讨论各自的特点和水电的优势? 3、和其他发电形式相比水力发电有那些特点? 5、在什么情况下可以说水力发电具有可逆性? 6、什么是水电站年利用小时 7、什么是水电站的装机容量? 8、什么是水电站总投资 13、抽水蓄能水电站特点是什么 14、试论述修建水力发电工程对生态的影响 15、抽水蓄能水电站在电力系统中起什么作用 16、从分布和开发利用的情况来看，我国的水力资源特点有哪些 17、水轮发电机组工作的灵活性主要表现在哪些方面? 第一章水轮机概述 1、说出ZD600—LH—600中各字母和数字的含义 2、说出HL240—LJ—550中各字母和数字的含义 3、说出ZZ560—LH—1130中各字母和数字的含义 4、分析在实际应用中通过调整水轮机的那些工作参数才能有效调节水轮机的出力? 调整其他工作参数为什么不现实? 5、什么是水轮机的工作水头? 6、按水流通过水轮机的过流顺序说出反击式水轮机的主要过流部件并简述其功用. 7、反击式水轮机和冲击式水轮的分类原则是什么? 8、举出几个常用水轮机的名称. 9、导水机构的主要作用是什么? 10、尾水管的主要功用是什么? 11、反击式水轮机和冲击式水轮机的分类特点是什么其主要类型各有哪些 12、在选择水轮机时，水电站的水头范围和水轮机的水头范围如何协调 13、水轮机的主要过流部件有哪些其主要功用是什么 14、根据N=γHQη分析改变水轮机出力调整哪个参数比较合适 15、水轮机的最大水头和最小水头受什么因素限制? 16、反击式水轮机和冲击式水轮机在工作时水流和转轮相互作用有什么不同? 17、反击式水轮机的主要过流部件有那些?其主要功用是什么? 18、在水轮机选择时如何考虑水电站水头范围和水轮机水头范围的协调问题? 19、常用的反击式水轮机有哪几种?至少说出两种机型的过流特征 20、水电站的最大、最小毛水头通常该如何确定? 21、在选择水轮机时,水轮机的水头范围和水电站的水头范围是个什么样的关系? 22、混流式水轮机的标称直径指的是转轮那个部位的直径 23、轴流式水轮机的标称直径指的是转轮那个部位的直径 24、对于不同类型的电站，设计水头的大致范围如何确定? 25、飞逸转速是指什么而言
水轮机组空化空蚀在线监测系统简介
1.空化机理 “气核理论”——液体中存在着微笑的汽泡（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，这些核子迅速膨胀形成气泡，从而导致空化发生。 空化过程——空化是一种物理变化过程，涉及汽泡的产生、生长、破裂、反弹的全过程；在水温不变的条件下，当液体内部压力降低到某一限度时，即该温度下液体的汽化压力时，液体本体将发生破坏，在局部以气核为中心形成汽泡，这些汽泡随着液体向前流动，至某高压处时，汽泡周围的高压液体压缩汽泡，使汽泡急剧缩小以致破裂。 空化机理——在水轮机中，当水流过过流部件时，由于绕流叶片局部脱落、水流急剧拐弯等原因，在相应的部位都会引起流速过大而使压力降低。如果压力降低到该温度下的汽化压力时，一方面由于水的汽化产生了水蒸气的汽泡；另一方面水中溶解的一部分空气也会随着压力降低而被释放出来，这样就形成了水蒸气和空气混合的膨胀空泡。这些膨胀的空泡如果被带到高压区，空泡中的水蒸气会凝结成水珠，体积突然缩小，于是周围的高压水流质点就高速的向汽泡中心冲击，产生巨大的微观水锤压力（有时可以达到几百个大气压）。在微观水锤的作用下，空泡中的空气被压缩（或者直接溃灭破裂为数个小气泡），直到空泡的大气弹性压力大于水锤压力时，才停止压缩，紧接着空泡由于反作用力而瞬间膨胀，又会发育成新的空泡。 2.空蚀机理 空蚀是一种微观、瞬时、随机、多相、缓慢而连续的复杂现象，由多种因素共同造成，主要是空泡溃灭时产生巨大压力冲击的结果。 空蚀机理——包括：机械破坏、热力学损坏、电化学损坏。 机械破坏：空化过程中，空泡形成和压缩（或溃灭）的过程，每秒近千万次。发生在固体边壁附近空泡溃灭，会形成指向边壁的高速射水流。此外，空化过程中北压缩的空泡反向膨胀时，会产生冲击波，反向膨胀越大冲击波越强，这也是是边壁产生塑性变形的一种作用力。长期连续的机械冲击作用便会导致金属剥蚀。 热力学损坏：当高速运动的空泡受压后，空泡迅速被压缩而辐射出大量的热量，产生高温，以使金属融化，造成损坏。 电化学损坏：空泡溃灭的冲击力是金属表面形成热电偶，致使金属电解，使金属材料受到侵蚀。
水力机械课程要点及复习思考题
水力机械课程要点及复习思考题 绪论：主要内容以及要了解和掌握要点： 1、能源的种类；和其他类型的能源相比，水电的特点；我国水 力资源的总量及水力 发电在国民经济中所占的地位；我国水力资源的分布情况、开发程度以及规划利用前景； 2、水力发电的生产流程以及和水电有关的主要技术参数和技术 指标； 水电站的基本类型；特点；主要建筑物及布置原则概述； 第一章水力机械概述：主要内容以及要了解和掌握要点： 1、水轮机的基本参数； 水轮机的各种水头（设计水头，工作水头，最大和最小水头）及其含义；搞清水轮机的水头和水电站的水头不是一个概念；在设计水电站时如何协调两者之间的关系 2、水轮机的主要类型及其构造； 水轮机分为反击式和冲击式两大类原则，每一大类又可以分为几种不同的类型； 常见和常用的水轮机类型都有那些各有什么特点；掌握常见水轮机如轴流式、混流式河水斗式水轮机的主要部件有那些，名称是什 么，功用是什么，这些主要部件各处在水轮机的什么位置； 3、水轮机的牌号极标称直径 水轮机牌和的意义，作用，水轮机牌号的常规表示方法；目前水轮机牌号的使用现状；提出水轮机标称直径的目的；不同类型的水轮机标称直径的标注方法和具体位置； 第二章水轮机的工作原理：主要内容以及要了解和掌握要点： 1、水流在反击式水轮机转轮中的运动； 水流在反击式水轮机转轮内运动的复杂性（恒定流和非恒定 流）；水流和转轮叶片 作用的原理；水流做功原理；对水流或流场的描述方法（解析，数值，速度三角形）； 速度三角形中各速度示量的含义； 2、水轮机的基本方程式
推导水轮机基本方程三条假定的目的与意义；控制体的选择与研究对象；力矩的轴 对称性，作用力和反作用力原理；水轮机基本方程的不同表现形式和物理意义； 3、水轮机的效率及最优工况 水轮机效率和能量损失的关系；水轮机能量损失的几种形式；不同损失产生的原因； 无撞击进口和法向出口及最优工况条件； 4、尾水管的工作原理 动力真空和静力真空；尾水管回收能量的方式与原理；尾水管的作用；尾水管回收能量的程度；尾水管的水力损失系数和动能恢复系数； 5、水轮机的空化与空蚀 水轮机空化与空蚀的研究历史；水流空化的机理；空化压力和空化温度的关系；水 轮机空蚀的机理；水轮机空蚀的破坏作用；水轮机空蚀的类型；水轮机空蚀的后果及表现形式；水轮机空蚀的预防或防护措施； 6、水轮机的空蚀系数、吸出高及安装高程 水轮机空蚀系数的来历；水轮机空蚀系数的意义；水轮机吸出高的来历；水轮机吸出高的确定；对不同水轮机吸出高的规定；对不同水轮机安装高程的规定与计算； 第三章水轮机的相似原理及特性曲线：主要内容以及要了解和掌握要点： 1、水轮机的相似原理概述 相似概念及研究水轮机相似的目的；水轮机的相似条件；不同相似条件所对应的含义；相似的局限性和近似性； 2、水轮机的相似率、单位参数和比转速 流量相似率的含义；转速相似率的含义；出力相似率的含义；导出水轮机单位参数的目的与作用；导出水轮机比转速的目的与意义； 3、水轮机的效率换算与单位参数修正 水轮机效率换算的目的与意义；水轮机效率换算的依据与经验 性；不同水轮机效率 换算公式的适用条件；水轮机效率换算后再修正的原因；水轮机单位参数的修正； 4、水轮机的主要综合特性曲线 水轮机模型试验的目的；水轮机主要特性曲线的作用；常见类型水轮机综合特性曲
水轮机的空化空蚀、泥沙磨损
水轮机的空化空蚀、泥沙磨损 第一节空化与空蚀 空化与空蚀是发生于液体作为介质的水力机械中的一种特有现象，而在固体和空气中一般不会发生空化和空蚀。（气蚀一词，来源于拉丁文，形成空穴之意，目前国内的译法很不统一，有气蚀、汽蚀、空蚀、空穴、空泡等各种译法） 一、空化现象 这是一种流体力学现象。把给定温度下，液体开始汽化的压力叫做临界压力。（在不同温度下，液体的临界压力是不同的）。 注意：当液体温度一定，而压力降低到相应的临界压力时，也会出现汽化现象，同时溶解于液体中的气体析出，形成空泡（空穴）。 通过水力机械流道中的液流，如果某个地方的流速增高，必然会引起此处的局部压力下降，当压力降低到当时液流下的临界压力时，这个低压区的液流就会开始汽化——出现空泡（汽泡），空泡随液流运动到较高压力区，由于P↑，汽泡中的蒸气要重新凝结成水，汽泡溃灭。因为体积突然收缩，汽泡原先占有的空间形成真空，于是周围的高压液流质点高速冲近来，将对过流表面产生非常大的瞬间脉冲压力（水锤压力）。同时，在压力增高时，原来从液流中分解出来的小汽泡，在水锤压力的作用下被急剧压缩，直到汽泡的弹性力大雨水锤压力时，汽泡将停止压缩而瞬间膨胀，所以对过流表面又形成另一种水锤压力。 空化：随着压力变化，液流中出现空泡状态（初生、发展、溃灭）及产生一系列物理化学变化称作空化（空穴）。 空蚀：指当空泡的溃灭过程发生于固壁表面，而使材料破坏，即由空化引起的材料破坏（侵蚀）。 二、空蚀机理 空蚀对过流部件造成的破坏，主要有四种理论：机械作用、电化作用、化学作用和微射流理论。 1、机械作用
在过流表面的某处，随着液流不断流过，空泡不断形成—溃灭—压缩和膨胀，将产生很高的冲击压力。通过高速摄影的圆盘实验观察到，汽泡凝结时间约万分之一秒，水锤压力可以达到几百个甚至几千个大气压，对边壁材料造成破坏。 （1）空泡在溃灭过程中产生冲击波，从空泡的中心向外放射时具有和大的冲击力，对材料产生破坏。 （2）大的空泡在溃灭过程中会变形，空泡分裂成若干个小空泡的过程中还会产生高速的微射流束，产生很强的冲击力。 在过流边壁的某一个地方，随着液流的不断流过，溃灭的空泡像尖刀一样反复锤打金属边壁（疲劳破坏），金属表面在反复打击下，金属晶格开始破坏—出现裂纹。当压力升高时，高压液流深进金属裂缝，压力突然下降时，缝隙中的液流又吹出来，循环下去造成金属破坏，最终成块脱落——剥蚀。 2、化学作用 当空泡被压缩时，由于体积突然缩小，温度要升高放出热量；同时水锤压力对金属表面的冲击也要产生局部高温。当空泡凝结时，局部温度可达到300°C 左右，所以在这种高温、高压作用下，又促使了空蚀对金属表面的氧化，这就是化学作用。 3、电化作用 气泡在高温高压作用下产生放电现象，这就是电化作用。因为金属表面被高压液流反复冲击的部位会产生很大热量，温度升高，形成热端，将会与邻近点的非冲击部位(冷端) 构成一个热电耦，在热电耦的回路中产生电势，使金属内部有电流通过，也产生电化腐蚀(电解作用)，致金属表面变暗变毛，加速机械破坏作用。 4、微射流理论 空泡在溃灭过程中还会产生高速的微射流束，产生很强的冲击力，对材料表面产生破坏作用。 三、空化与空蚀破坏类型及对性能的影响 1、空化与空蚀破坏类型 （1）翼型空化和空蚀：一般发生在转轮叶片上的气蚀。混流式水轮机发生
水轮机的空化与空蚀
水轮机的空化与空蚀 空化与空蚀现象在水轮机中非常常见，会造成水轮机的叶片磨蚀损坏，导致水轮机的性能与经济效益下降，改善空化与空蚀现象需要制造工艺水平的提升与设计的改善，超空化水轮机的空化、空蚀大大降低，但是它的实用化仍旧有很长的路要走。 标签：空化；空蚀；原理；种类；危害；降低空蚀的措施；超空化 水轮机中存在的空化、空蚀现象会对水轮机的性能产生不利的影响，因此在设计运行时要尽可能地避免，并将空化、空蚀对水轮机的性能的不利影响降到最低。空化现象指的是水轮机流道中局部压力降至临界压力时，水中气核慢慢成长为气泡，气泡将液体中的蒸气和溶液中析出的气体包裹起来。当进入压力较低的区域时，气泡则会逐渐长大，当气泡随水流运动到压力较高的区域时，在高压的作用下会迅速凝缩溃灭。因此，空化是指气泡从集聚、流动、分裂到溃灭的这一过程。空化现象不仅发生在液体内部，也会出现在固体边界上。空蚀指的是由于空泡的溃灭所引发的过流表面金属材料的损坏。空泡在溃灭的过程中伴随着机械、电化、热力、化学等过程的作用。空化、空蚀会导致水轮机的性能下降，水轮机的过流部件表面会遭到损坏，甚至会使金属材料的局部发生脱落。 发生空蚀的主要原因是空泡溃灭所产生的机械作用，包括冲击波模式和射流模式两种。通过对空蚀现象的观察，我们会发现空蚀在边界上分布并不均匀，而是集中在某些位置。当第一个蚀坑形成后，在一定的条件下，它的发展速度要比其它的地方快，蚀坑越来越大、越来越深，最后将导致材料破碎而被水冲走。除此之外，也可以用热力学和电化作用来解释空蚀现象。空蚀产生的原因十分复杂，它在多重作用下发生，并且与化学腐蚀、泥沙磨损等相互促进，使得材料被进一步破坏。 水轮机按空化与空蚀发生的部位不同可以分为翼型空蚀、间隙空蚀、局部空蚀和空腔空蚀。翼型空蚀是反击式水轮机的主要空蚀类型，在叶片的不同部位都有可能会出现空蚀区，转轮型号及运行工况都会影响到空蚀区的发展。间隙空蚀指的是当水流通过狭小通道或间隙时局部流速会升高，导致压力下降而产生空蚀，间隙空蚀在转浆式水轮机中最为突出，发生区域多在转轮叶片外缘与转轮室之间以及叶片根部与转轮体之间的间隙附近。局部空化产生的主要原因是过流面上局部地方的一些不规则的凹凸引起了旋涡，漩涡中心的压力下降到气化压力所产生的。空腔空化与上述三种空化有着明显的差异并且为反击式水轮机所特有，它通常在转轮下方的空腔区域发生。当反击式水轮机处于非设计工况下运行时，转轮出口水流在圆周方向存在着一定的速度分量，在该圆周速度分量的作用下，在转轮后会形成涡带，涡带中心有着很大的负压，这种涡带在尾水管中旋转的频率一般低于水轮机转速，并周期性地与尾水管边壁发生碰撞，造成振动和噪音。甚至会引发共振现象，导致机组或厂房发生振动并造成机组出力的严重波动，严重威胁着机组的运行安全。
第四章水轮机的空化与空蚀(new)
第四章水轮机的空化与空蚀 本章教学要求： 1．了解空化、空蚀现象； 2．掌握水轮机空化与空蚀的类型； 3．掌握水轮机空化系数的意义和吸出高度的确定原则； 4．掌握水轮机抗空化的措施。 第一节水流的空化 一、水流的空化现象 水轮机的空化现象是水流在能量转换过程中产生的一种特殊现象。大约在本世纪初，发现轮船的高速金属螺旋桨在很短时间内就被破坏，后来在水轮机中也发生了转轮叶片遭受破坏的情况，空化现象就开始被人们发现和重视。 水轮机的工作介质是液体。液体的质点并不象固体那样围绕固定位置振动，而是质点的位置迁移较容易发生。在常温下，液体就显示了这种特性。液体质点从液体中离析的情况取决于该种液体的汽化特性。例如，水在一个标准大气力作用下，温度达到100℃时，发生沸腾汽化，而当周围环境压力降低到0.24mH2O时，空化现象即可发生。图4-1表示了水的汽化压力与温度关系曲线。 图4-1 水温与饱和气泡压力关系曲线 由于液体具有汽化特性，则当液体在恒压下加热，或在恒温下用静力或动力方法降低其周围环境压力，都能使液体达到汽化状态。但在研究空化和空蚀时，对于由这两个不同条件形成的液体汽化现象在概念上是不同的。任何一种液体在衡定压力下加热，当液体温度高于某一温度时，液体开始汽化，形成汽泡，这称为沸腾。当液体温度一定时，降低压力到某一临界压力时，液体也会汽化或溶解于液体中的空气发育形成空穴，这种现象称为空化。 我们以前通常所讲的气蚀现象，实际上包括了空化和空蚀两个过程。空化乃是在液体中形成空穴使液相流体的连续性遭到破坏，它发生在压力下降到某一临界值的流动区域中。在空穴中主要充满着液体的蒸汽以及从溶液中析出的气体。当这些空穴进入压力较低的区域时，就开始发育成长为较大的气泡，然后，气泡被流体带到压力高于临界值的区域，气泡就将溃灭，这个过程称为空化。空化过程可以发生在液体内部，也可以发生固定边界上。空蚀是指由于空泡的溃灭，引起过流表面的材料损坏。在空泡溃灭过程中伴随着机械、电化、热力、化学等过程的作用。空蚀是空化的直接后果，空蚀只发生在固体边界上。
水力机械基本知识
水力机械基本知识 （混流式、轴流式、可逆式及水泵） 一、水力机械简介 液体通过水力机械其本身能量获得增加的称为水力工作机（各类型泵）；液体通过水力机械其本身能量减少的称为水力原动机（各类型水轮机）；液体通过水力机械其本身能量既无增加又无减少的称为液力传动机。我们工作范围主要是各种水轮机、混流泵及水泵水轮机。 到目前为止我们国内水力发电机组常用机型有以下几种： 混流式水轮机：应用水头范围从四十多、五十米水头左右到五百米左右，五十米到三、四百米水头段，我们的水平已经和国外先进水平相近，具有同等的竞争实力，但是在四百多到五百米左右水头段我们现在还没有好的转轮，还有待于我们进一步努力，开发出高水平的转轮。 轴流式水轮机：应用水头从十几米到四十多米左右，我们水平和国外相比还有很大差距，现在我们正在努力，根据我们最近几年研究发现，差距形成的原因不在水力设计而是在模型试验，模型加工方面，我们的间隙要比国外大很多，这是我们效率低的主要原因，之所以间隙大是我们的静压轴成摆动大，另外我们试验台为水不能加压，做周六试验时空化系数小，转轮可能局部发生空化影响效率。 贯流式水轮机：应用水头从几米到十几米，我们到现在已经研制了一套装置正在进行试验，还要摸索、积累经验。 冲击式水轮机：应用水头在五百米以上，最高已经达到一千多米，我们现在虽然做过几次模型试验但还没有真正自己开发的转轮，没有进行自主研发。 可逆式水泵水轮机：我们现在接触的都是混流式水泵水轮机，应用水头在一百米以上，与冲击式水轮机相似，也是做过几次模型试验，虽然尝试过自主开发，但效果不理想，现在通过打捆招标有所进步，已经开始自行设计研究。 混流泵：只针对哈三电厂冷却泵进行过改造效果很好。 核电站循环泵：还没有开展工作 核潜艇循环泵：还没有开展工作
浅谈水轮机的空化和空蚀
技术报告——浅谈水轮机的空化和空蚀 水轮机在运行中存在四大问题：动能指标（流量、出力、转速）、效率、空化性能、稳定性。在上述问题中，空化、空蚀被喻为水轮机的“癌症”。所以在水电厂水轮机运行生产过程中空化、空蚀是一个必须注意和避免的问题，我们必须了解其物理性质，然后找到避免和处理的方法。 空化是一种液体现象，固体或气体都不会发生空化。当液体温度一定时，降低压力到某一临界压力时，液体也会汽化或溶解于液体中的空气发育成空穴，这种现象称为空化。沸腾也是一种汽化，但沸腾是液体在衡定压力下加热，液体温度高于某一温度时发生的汽化，与空化不同之处就在于沸腾主要是热能交换的过程，而空化可近似看作是一个冷过程。 空化包括了空穴的出生、发育和溃灭。当液体的压力降到某一临界值时，液体中便会产生空穴，这些空穴进入压力较低区域时，就开始发育成较大的气泡，气泡被流体带到高于压力临界值的区域时就会溃灭。在空化区，空泡的不断产生又不断溃灭过程中，将产生高频高压的微观水击，由于高频高压的水击直接作用于过流表面，形成机械破坏，长期反复作用形成疲劳破坏。同时空泡在溃灭时产生高温（可达到300—500摄氏度），与周围介质形成温差，产生温差电势，造成电化学腐蚀，而高温作用下产生氧，并增加其他有害气体的活性，产生腐蚀。由于以上几种因素的联合作用，加快了过流表面的腐蚀破坏，这就是空蚀。空蚀是空化的直接结果，空蚀只发生在固体表面。 由以上分析我们知道空化、空蚀的根本原因是水轮机自身产生的低压造成的。而液体在混流式机组过流管道中低压的形成主要有：
1)、翼型绕流：当水流绕流水轮机翼型叶片时，叶片背面的压力往往为负压，当叶片背面压力降低到环境汽化压力以下时，将会出现空化区空蚀水轮机叶片，对水轮机叶片造成破坏，即翼型空蚀。 2）、狭小空隙：当水流流过混流式机组导叶上下断面、立面密封、迷宫环等狭小通道或间隙时，将会导致局部流速升高，压力降低，当压力降低到环境汽化压力以下时，同样会产生空化区，空蚀导叶、叶片等，即间隙空蚀。 3)、局部脱流：由于加工和铸造的缺陷形成水轮机表面不平整、沙眼、气孔等引起局部流态突然变化，形成低压，产生空化区，造成水轮机的局部破坏，即局部空蚀。 4）、漩涡中心：当混流式水轮机偏离设计工况运行时，在水轮机叶片出口处水流存在一定的圆周速度分量，在转轮后产生涡带。在涡带中心形成负压，产生空化区，由于该漩涡在尾水管中旋转，对尾水管进口边壁造成破坏，及空腔空蚀。 以上是造成混流式水轮机空化、空蚀的主要原因。由于空化、空蚀是水轮机的癌症，空蚀会使被空蚀部位产生麻点、麻坑，形成蜂窝状的侵蚀，威胁着水轮机的安全运行，我们必须对其高度重视，进行综合治理。 对于我厂来说，由于还未投产发电，水轮机还处于设计、铸造、加工中，在这一过程中，我们必须和设计单位沟通协调改善水轮机的设计，同时加强对水轮机铸造、加工的监督，使其尽量提高其加工精度、提高加工工艺，保证使加工后的转轮叶片与模型一致，同时也可以使用抗腐蚀材料。在施工过程中，监督施工单位对流道内的螺钉孔填平，把裸露的螺钉挫平，防止局部空蚀的发生。 水轮机的空化、空蚀不仅和设计、铸造、加工、施工有关系，同时和水轮机的运行条件有密切关系，这就要求我们运行人员在水轮机的运行生产工程中高度
浅谈在水力机械中磨蚀防护技术的应用 毕兹洋
浅谈在水力机械中磨蚀防护技术的应用毕兹洋 发表时间：2018-04-08T11:02:05.677Z 来源：《建筑科技》2018年第1期作者：毕兹洋[导读] 可以在很大程度上提升水力机械过河流部件的耐磨性能，起到延长设备的使用寿命、降低维护成本的作用，具备非常好的应用价值。 毕兹洋 湖北省浠水县水电工程处湖北省浠水县 438200 摘要：我国河流的泥沙含量是比较多的，河流上的水力机械容易受到磨蚀发生破坏，可以采用磨蚀防护技术来提升机械的耐磨性能。通过采用聚氨酯复合树脂砂浆等技术，能够起到较好的防护效果，可以在很大程度上提升水力机械过河流部件的耐磨性能，起到延长设备的使用寿命、降低维护成本的作用，具备非常好的应用价值。 关键词：水利机械；模式防护；应用 我国的河流泥沙含量较大，水轮机等水利机械受到泥沙磨蚀的影响，对其使用寿命以及工作效率都造成了非常大的影响。水轮机的转轮、固定导叶以及座环等部件往往会因为大面积的腐蚀出现破坏，主要的破坏形式为针孔、麻点以及海绵等。过流部件的表面发生破坏之后，机械设备的运行效率会大幅度降低，甚至会出现水力损失加大，振动加剧的情况，对其的检修频率也会加大，停机维修的时间也会延长，这对于发电设备的运行造成了严重的影响，同时也影响到了发电站的安全运行。目前阶段，在我国已经运行的水电站中，许多机组因为受到磨蚀而进行频繁的检修，维修的费用大幅增加，工作的效率降低，机组的使用寿命也大幅缩短，造成了大量的能源以及材料浪费的情况。在已经运行的水电站中，水轮机的叶片是很容易发生损伤的，约百分之二十到百分之二十五的叶片遭受不同程度的泥沙磨蚀。水轮机磨蚀而出现的能源损失是很大的，检修费以及设备更新费更是非常多的。许多水电站的汛期不得不采用弃水保机的形式来降低水电站的磨损，这也降低了水电站的经济效益，造成了大量的资源浪费，因此，对水力机械设备而言，磨蚀防护技术的应用是必要的。本文对聚氨酯复合树脂砂浆技术以及钢塑复合聚氨酯技术的应用进行了详细的分析，通过这些磨蚀防护技术的应用，可以在很大程度上提升机组的使用寿命，降低维修的成本，提升发电的效益。 1磨蚀防护技术 1.1聚氨酯复合树脂砂浆技术 对于水力机械设备而言，因为我国河流的泥沙含量较多，所以设备组件会在不同程度上受到磨蚀的破坏，若是转轮叶片发生磨蚀之后，正面以及背面都会出现较为严重的磨损，尤其是下部靠出水片的部位，更是会出现非常严重的磨损。水轮机活动导叶的磨蚀情况也是常见的，密封面的磨蚀会加剧密封处的汽蚀，甚至会出现恶性循环的情况，使得机组停止的时间延长，甚至会影响设备的稳定运行。聚氨酯复合树脂砂浆是一种由弹性环氧树脂以及固化剂等材料组合而成的，具备良好的抗磨蚀性能，这种涂层的综合性能是比较好的，可以对机械部件进行良好的磨蚀保护，可以提升其抗磨蚀性能，同时也可以在很大程度上克服环氧金刚砂涂层在水机应用过程中出现的抗汽蚀性较差的缺点，这种技术在转轮叶片等部位中有着较为广泛的应用，可以起到良好的防护效果。 1.2改性聚氨酯涂层技术 1. 2.1浇注聚氨酯弹性体涂层 水轮机转轮叶片的背面是强汽蚀区域，通常情况下，会采用耐磨焊条以及超音速喷涂的方式进行磨蚀的防护以及修复工作。叶片经过反复补焊之后，金属材质的内部结构会发生变化，使得其强度变差，耐磨性能会大幅降低。超音喷涂技术所形成的涂层具备非常好的粘接强度，耐磨损性能相对比较好，但是抗汽蚀性能却比较差，叶片背面的强汽蚀区容易剥离，聚氨酯作为目前抗汽蚀性能最好的材料，涂层的抗汽蚀性能远高于不锈钢。这种涂层浇注结束之后就会成型，通过强力粘结剂以及机械连接的方式，可以有效提升防护面的结合力，不容易发生剥离以及撕裂的现象。这种涂层的厚度一般在2到5毫米之间，使用的寿命是比较高的。这种技术适用于水机磨蚀破坏的强汽蚀区域，例如水轮机以及转轮叶片背面等多个部位。 1.2.2高弹性聚氨酯漆 对于水工闸门以及水轮机导叶等容易受到水流冲刷的部分，是容易发生磨蚀破坏的。对此，必须要采用磨蚀防护技术提升其抗磨蚀性，才能有效降低对其的养护维修费用。一般情况下，对于上述部件，会采用高弹性聚氨漆进行防护，这种材料喷涂即可成型，主要的基料为高抗磨蚀聚氨酯，可以将其分为底漆以及面漆两种。底漆作为防锈涂料，面漆则可作为不锈钢鳞片阻水材料。与普通的防腐油漆相比，这种耐磨漆具备较好的抗磨性能，涂层漆膜的弹性比较高，抗冲击能力也是比较强的。漆膜耐磨蚀能力也是非常强的，抗老化能力很高。该技术适用于水工闸门、水轮机蜗壳、导叶等部位的磨蚀防护。 1.2.3高速火焰喷涂 高速火焰喷涂是一种比较新型的抗磨蚀技术，具有较大的研发价值。高速火焰喷涂，主要是利用碳化钨涂层增强水力机械的抗磨蚀能力。碳化钨涂层，具有密度高、硬度强等特点，能够有效的抵抗沙石的摩擦。高速火焰喷涂技术，主要是将涂层与母材进行融合，提高材料的强度与硬度。高速火焰喷涂的涂层较薄，对于叶片的线形影响程度较小，不会影响水力机械的使用性能。高速火焰喷涂，同样具有一定的局限性，对于空蚀的防御能力较弱，并且施工成本较高。高速火焰喷涂，目前还处于研发阶段，仅在大型机组方面使用，未来会不断进行更新。 2钢塑复合聚氨酯产品 2.1钢塑复合聚氨酯导叶密封板 水电站的活动导叶大多都是采用刚性密封的形式，但是长时间运行之后，密封面会受到磨损，若是磨损继续加剧，甚至会出现汽蚀的情况，造成恶性循环，使得导叶立面密封磨蚀变得更严重。磨蚀会使得导叶漏水量大幅增大，甚至会使机组停机时间延长。另外，若是导叶漏水较大，机组出现潜动的情况，这对于机组设备运行的安全性以及稳定性会造成严重的影响，同时也会影响设备的发电效率。钢塑复合聚氨酯导叶密封板采用矩形板桩结构，刚性面与弹性面相结合，具备一定的互补作用，可以有效抑制漏水的情况。这样一来，不但可以有效解决密封装置的磨损现象，也可以提升导叶的密封性，并且提升机组的发电效率。 2.2钢塑复合聚氨酯抗磨板
轴流式水轮机空化
轴流式水轮机关于 声发射、振动、噪声、和空化结构之间关系的调查研究 这个研究的目的是解释关于空化现象不同的声学信号和视觉图像之间的关系。以只有两个叶片的轴流式水轮机（模型机）在空化条件下运行，进行测量声发射、振动、和噪声的试验。由于模型机只有两个叶片，大部分附加边缘影响被取消，可得出结论认为这就是空化本身记录信号的来源。结果表明，空化的程度和从传感器上记录的数据之间的关系是有趣的。当空泡数量减少时，从测量元件上记录的振幅首次出现增大，经过一个极大值，再经过一个极小值，最后又重复上升。空化空蚀现象也可从视觉上进行显像观测。从测量结果上推断出声音的发射、振动、噪声和空泡结构的构成、大小、类型之间有不同的相互关系。对于这种现象，从物理方面得到的解释是处于半经验主义的，由于空化空蚀的出现使水轮机的叶片产生噪声和振动。 1.序言 用空泡、水泡的形成与聚合来描述的空化空蚀现象频繁发生在水力机械上。它引起振动，增加流动损失，改变水流形态，加剧磨损，影响光热（冷光）以及产生噪声和声发射。 目前鉴别水力机械空化空蚀最常用的方法是基于对效率下降的监测。必须注意的是空化通常是在关键点之前开始产生的，即在水轮机模型试验效率下降1%时。通常人们认为空化开始时压力是不稳定的，随着实际的流动而变化，而且与水力机械表面的粗糙度有关。其他技术，像振动分析、水听器观测和高频声发射技术的应用，近几年来在监测旋转机械方面得到了很大发展。应用在这些技术上的典型频域分析范围是5KHz—1MHz。在另一方面，在进行模型试验时，空化现象的直观性成为空化研究的重要方面。那个有趣的趋势，当空泡的数量减少时，测量信号首先上升，经过一个极大值，再经过一个极小值，最后又重复上升，实际上是众所周知的。它是由研究离心式泵空化噪音和振动的Pearsall首次提出的。在导流泵上进行试验也得到相似的趋势。然而，到目前为止仍没有完整系统的解释。 这篇文章讨论的是在只有两个叶片的轴流式水轮机上测量声发射、振动和噪音。与
水力机械空化空蚀问题的研究进展
水力机械空化空蚀问题的研究进展 发表时间：2018-11-11T10:38:04.390Z 来源：《基层建设》2018年第28期作者：张铎继[导读] 摘要：根据水力学能量方程可知，水轮机的空蚀是由于流经水轮机的水流，因某些因素的影响，导致水流在某些部位的流速突然增快，而引起该部位的压力出现局部降低的现象。 广西宏源水利电力勘察设计有限公司广西南宁 530001 摘要：根据水力学能量方程可知，水轮机的空蚀是由于流经水轮机的水流，因某些因素的影响，导致水流在某些部位的流速突然增快，而引起该部位的压力出现局部降低的现象。当水流流速增长较快，快到足以使该处的压力降低到该水温下的汽化压力时，在此低压区域的水便开始发生汽化，空蚀也就随之而产生。 关键词：水轮机空蚀；危害；原因；措施前言：水轮机空蚀的危害在水轮机运行过程中，对其运行极为不利的影响因素是空化和空蚀的存在，其影响主要表现在以下几方面：（1）会对水轮机的导叶、转轮室、转轮、上下止漏环及尾水管等过流部件产生破坏力。（2）由于水流的能量转换规律和正常运行规律受到空化和空蚀的破坏作用，使得水流的漏损和水力损失显著增加，最终导致水轮机的出力和效率降低。（3）使机组检修的复杂性和难度增大了，检修周期随之缩短。由于空化和空蚀的存在，不仅会对金属部件产生疲劳破坏，还会引发水力振动、压力脉动和空蚀噪音等。导致机组在检修时，不可避免的要耗用大量的钢材和辅材，还使得检修的工期也相应延长了，极大的影响了机组运行的效率和经济性。（4）当空化和空蚀较严重时，可使得机组的噪音、负荷波动及振动的程度均加剧，甚至会导致机组无法稳定、安全地运行。可见，空蚀对机组带来的破坏力是多方面的，同时它又是水轮机运行过程中不可避免的一种现象。对于任何选取优良抗空蚀材料而制成，且设计优良的水轮机，在实际运行中，由于运行环境的改变仍不可避免地会发生空蚀现象。空蚀问题讫今为止仍然是一个世界性的难题，这就提醒我们在机组运行的过程中，对这个问题要引起足够的重视。并应设法采取积极有效的措施去削弱或消除空蚀的影响，以提高水轮机过流部件抗空蚀破坏的能力，这不仅可延长检修的周期，还有助于机组使用寿命的延长。对提高机组的安全、稳定运行具有极重要的现实意义。 1 水轮机空蚀的成因 1.1 空化现象 当通过水轮机的水流在某些区域的流速突然增快，必然会导致相应区域的水流压力出现局部的降低。一旦该水流速度增速到足以使得该处的压力下降，并降低到接近该水温下的汽化压力时，此区域的部分水流便开始发生汽化现象。使得原来溶于水中的气体开始逐步析出，并形成了破坏水流连续性的气泡。当这些气泡随着水流的流动进入到低压区时，就会不断地发育为较大的气泡，当其流经压力高于汽化压力临界值的高压区时，气泡在压力的作用下便迅速发生溃灭，空化现象就发生了。空化包括了气泡的形成、发育、溃灭的全过程。究其发生的根本原因，内因是由于水流内部本身存在微米级以下的小气泡，即“空化核”的存在，当水流内部的压力发生降低时，则形成了诱发空化发生的外因。 1.2 空蚀的产生 当气泡在水流中形成、长大，并在过流表面附近不断溃灭的过程中，一般会伴随着机械、电化、热力、化学等过程的产生，过流表面会反复地遭受到巨大冲击压力的作用，从而引起其构成材料的疲劳、破损，甚至表面剥蚀，称之为空蚀现象。空蚀是空化的直接后果，它在过流表面产生的蚀点、麻坑，会演化为蜂窝状的剥蚀破坏。之后会逐步发展，致使局部的金属出现穿孔、脱落现象。更严重的是空蚀所引起的气蚀噪音和水力振动等现象，极大地威胁到了水轮机的安全、稳定运行。但是由于在水轮机运行中，其水流运动状况极为复杂，空蚀现象不可避免的存在着。为保证机组能够正常运行，设法改善或提高水轮机抗空蚀的性能，将其影响控制在可接受的范围，已成为运行中的重要任务。 2 水轮机空蚀破坏的类型 一般将水轮机中的空蚀，根据破坏发生的部位不同，划分为四种主要类型：翼型空蚀、间隙空蚀、局部空蚀和空腔空蚀。 2.1 翼型空蚀 由于水流沿叶片绕流而引起压力降低所产生的，往往在其叶片背面形成负压。故翼型空蚀不仅与叶片翼型断面的几何形状密切相关，还与机组的运行工况有关，当水轮机处于非最优工况时，极易诱发或加剧翼型空蚀的发生。 2.2 间隙空蚀 局部水流的流速因其通过间隙或狭小通道时，而突然升高，致使该处的压力发生局部降低，当其值降低到接近该水温下的汽化压力时，所产生的一种空蚀现象。间隙气蚀主要与间隙的宽度有关。 2.3 局部空蚀 局部空蚀主要是由于结构、制造工艺不够精准等原因所引起的局部水流流态的突然变化，造成局部压力的降低，而产生的一种空蚀现象。 2.4 空腔空蚀 水轮机在最优工况运行时，出口水流的绝对速度中不会存在圆周速度分量。而当其运行于非设计工况时，转轮出口处的绝对速度中，则会出现较大的圆周速度分量，该速度分量会使得水流在尾水管中或转轮出口处产生旋转，所形成的涡带称之为真空涡带。一旦涡带中心的负压低于该水温下的汽化压力时，空化现象便发生了。当该涡带周期性地旋转并碰撞、扫射尾水管管壁时，便在该处产生了空腔空蚀。显然，空腔空蚀与机组的运行工况密切相关。 3 水轮机抗空蚀的措施 只有不稳定的空化，才会引起空蚀，但并非所有空化都会对材料造成损坏。空蚀的机理不仅与材料的损坏程度相关，还与其所受到的冲击强度有关。目前，空蚀的机理虽然已逐渐为人们所认知，但是水轮机空蚀问题却仍未能从根本上得以解决。因此，为了减轻和消除空蚀的后果，根据空蚀的成因，可知防止气泡的产生是减少空蚀的有效措施。为此，首先从结构上，应使在液体中运动的表面具有良好的流线型，避免在局部区域因为出现涡流，而产生气泡。其次，应当设法减少液体流动中的扰动和液体中的含气量，将有助于抑制气泡的形成。还可通过选择抗空蚀能力、抗腐蚀能力强的材料来减轻空蚀的破坏程度。 3.1 提高水轮机的水力设计水平
高速水力学中的五个问题
高速水力学 一．高速水力学的科学问题如下： 1水流脉动与水工建筑物的振动：人们发现水流在运动中有脉动现象。研究脉动的基础应是紊流理论，近年来借助随机理论推动了这个课题的发展。 2空化与空蚀：空化与空蚀最早是在航海界发现的，由于与水流运动接触的固壁上都可能有空化与空蚀，所以这个课题的研究人力多，领域广，成果也多。 3泄水建筑物的消能防冲：我国的水利水电建设工程主要是两大类，一类是高水头、大流量，窄峡河谷的大中型工程，另一类是面广量大的中小型工程。两类工程中都有不同的高速水力学问题，特别是消能防冲问题在两类工程中普遍的存在着。近年来我国已突破了传统的底、面、挑三种消能方式，而大量的采用了落水点前后错开，挑坎高程不同的大差动泄洪，各种异形挑坎，窄缝挑坎等收缩式的新型消能工还有掺气分流墩，宽尾墩等辅助消能工及其多者结合的综合消能措施，解决了我国许多布置复杂，地形地质条件不利的工程的消能与防冲问题。 4泄水建筑物紊流边界层的研究：我国对泄水建筑物紊流边界层的研究，在国际上可以说是领先的，但我国过去的研究是以实验为主的，理论方面的深度还不够，特别是在紊流理论与边界层理论方面。近年来由于测试技术提高及计算机的应用，这方面的情况有所改观，边界层的数值计算有较大的发展。紊流边界层是基本理论，因此亦是高速水力学的研究课题之一。 5泄洪雾化问题：由于泄洪水流与空气边界相互作用形成雾化水流。 二．重点讨论空化与空蚀 1.空蚀破坏机理 固体壁面产生空蚀破坏的机理有机械作用、化学腐蚀作用、电化学作用等,其中较公认的是机械作用为主。 (1)机械作用。机械作用理论研究者认为,过流壁面产生空蚀破坏是由于空泡溃灭时产生微射流和冲击波的强大冲击作用所致，通过计算和实测得出,游移型空泡溃灭时,近壁处微射流速度可达70～180m/s(有人认为可高达600m/s),在物体表面产生的冲击压力可高达140～170MPa(有的计算高达58.2GPa),微射流直径约为2～3μm,表面受到微射流冲击次数约为100～1000次/(s·cm2),冲击脉冲作用时间每次只有几微秒.这样高的冲击作用将直接破坏物体表面而形成蚀坑,较小冲击力的反复作用则引起物体表面疲劳破坏。 (2)化学腐蚀作用。一般说来,化学腐蚀作用常与机械空蚀作用互相促进,空蚀加速腐蚀,腐蚀也加速空蚀,二者联合作用造成固壁更严重的破坏。 (3)电化学作用。在空泡溃灭时的高温高压作用下,金属晶粒中形成热电偶,冷热端间存在电位差,对金属表面产生电解作用,造成电化学腐蚀。 2.水轮机抗空化和空蚀措施 一般来说，水轮机内完全避免发生空化和空蚀现象是不可能的，这是因为合理地确定水轮机的吸出高度，只解决了翼型空蚀问题，并没有解决空腔空蚀和间隙空蚀的问题。另外，按照完全避免发生空蚀的条件来决定吸出高度也不合适，如果真这样做，将导致电站开挖量的急剧增加，使得经济上很不合理。最后就空蚀系数本身来说，因为影响它的因素
水力机械课程要点及复习思考题
水力机械课程复习思考题 绪论部分： 1、为什么说水力发电的可调节性比较好? 2、根据你对水电和火点的认识，试讨论各自的特点和水电的优势? 3、和其他发电形式相比水力发电有那些特点? 5、在什么情况下可以说水力发电具有可逆性? 6、什么是水电站年利用小时？ 7、什么是水电站的装机容量? 8、什么是水电站总投资？ 13、抽水蓄能水电站特点是什么？ 14、试论述修建水力发电工程对生态的影响 15、抽水蓄能水电站在电力系统中起什么作用 16、从分布和开发利用的情况来看，我国的水力资源特点有哪些？ 17、水轮发电机组工作的灵活性主要表现在哪些方面? 第一章水轮机概述 1、说出ZD600—LH—600中各字母和数字的含义 2、说出HL240—LJ—550中各字母和数字的含义 3、说出ZZ560—LH—1130中各字母和数字的含义 4、分析在实际应用中通过调整水轮机的那些工作参数才能有效调节水轮机的出力? 调整其他工作参数为什么不现实? 5、什么是水轮机的工作水头? 6、按水流通过水轮机的过流顺序说出反击式水轮机的主要过流部件并简述其功用. 7、反击式水轮机和冲击式水轮的分类原则是什么? 8、举出几个常用水轮机的名称. 9、导水机构的主要作用是什么? 10、尾水管的主要功用是什么? 11、反击式水轮机和冲击式水轮机的分类特点是什么？其主要类型各有哪些？ 12、在选择水轮机时，水电站的水头范围和水轮机的水头范围如何协调？ 13、水轮机的主要过流部件有哪些？其主要功用是什么？ 14、根据N=γHQη分析改变水轮机出力调整哪个参数比较合适？ 15、水轮机的最大水头和最小水头受什么因素限制? 16、反击式水轮机和冲击式水轮机在工作时水流和转轮相互作用有什么不同? 17、反击式水轮机的主要过流部件有那些?其主要功用是什么? 18、在水轮机选择时如何考虑水电站水头范围和水轮机水头范围的协调问题? 19、常用的反击式水轮机有哪几种?至少说出两种机型的过流特征 20、水电站的最大、最小毛水头通常该如何确定? 21、在选择水轮机时,水轮机的水头范围和水电站的水头范围是个什么样的关系? 22、混流式水轮机的标称直径指的是转轮那个部位的直径？ 23、轴流式水轮机的标称直径指的是转轮那个部位的直径？ 24、对于不同类型的电站，设计水头的大致范围如何确定? 25、飞逸转速是指什么而言？
水利机械空化
第七章水力机械的空蚀破坏
§7-1 水力机械的空化现象简介 一、水力机械中的空化形态 水力机械中可能存在的空化：游移空化，固定空化，漩涡空化。 导流面来流方向突然发生变化，易出现固定型空化；导流面来流方向逐渐变化，且冲角较小则可能出现游移空化； 叶轮出口边（转轮进口边）、叶轮与固定件之间的间隙处，由于压力的急剧变化，常出现漩涡空化。 偏离最优工况的水轮机尾水管中常出现漩涡空化。 在固定空化出现的同时，在固定空泡的表面也伴随有游移空泡产生。
二、水力机械中空化现象的分类 通常不按空化的基本形态分类，而按空化发生的部位分类，分成四类： 翼型空化，间隙空化，空隙空化，局部空化。 1、翼型空化——叶片式水力机械普遍存在的一种空化现象（1）翼型空化与翼型几何形状有关 图7-1：反击式水轮机叶片 空化一般发生在叶片的背面：Ⅰ区和Ⅲ区； Δβ<0时，空化将发生在Ⅱ区。 图7-1 翼型空化部位示意图
翼型空化与翼型几何形状的关系： 图7-2：对称翼型压力分布 压力分布情况：A 、B 两个低压区；空化：可能在四个部位出现空化区。 当系统p 下降时，首先在A 点发生空化；p 进一步降低，空泡长度延伸；有可能B 点尚未出现空化前，A 点空泡下游端已到达B 点。若p 再进一步下降，空泡长度会有较大的增长。 图7-2 对称翼型的压 力分布 翼型特征： 头部为半圆形； 尾部的断面逐渐变尖
图7-3： 将图7-2翼型头部稍加修改：用一个二倍柱径的尖拱代替圆头，见图7-3。 低压点仍为二个（A 、B 点），但A 点已向下游移动，负压绝对值减小。 当p 下降到一定值时，空泡将包围整个翼型，只在头部有限区域存在正压区。 结论：翼型空化可以靠改变翼型的几何形状加以改变。 图7-3 尖拱二维柱体的 压力分布