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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。
泥沙磨损对水轮机的影响以及防御措施摘要：水轮机在工作时，如果通过其内的水流含有大量的泥砂，则坚硬的泥砂颗粒将撞击和磨损过流部件的表面，从而使机件发生疲劳甚至损坏，这种现象称为水轮机的磨损。
水轮机磨损会产生严重的后果，轻时需检修处理，重时需要更换零部件甚至更换转轮。
本文通过对泥沙磨损、影响因素、防御措施等方面进行分析，提出了解决措施。
通过这些措施来提高水轮机的工作效率和使用寿命，具有实用价值和经济价值。
关键词：泥沙磨损影响磨措施1前言: 近些年来，国内外曾对泥砂磨损的机制、各种金属与非金属抗磨材料的抗磨稳定性、防止水轮机泥沙磨损的各种技术措施等进行了大量的实验室和现场的试验研究，取得了很多的成果。
我国黄河上的一些水电站也积累了诸如转轮的补焊修复，转轮叶片抗泥砂磨损的非金属材料复涂等方面的成功经验。
但是，水轮机泥砂磨损领域存在的问题仍很大，有待进一步的研究。
特别是要根除泥砂磨损给水轮机运行带来的严重危害，必须从水库和水电站沉砂设备的合理设计和运用，改善在含砂水流中工作的水轮机抗磨性能，研制抗泥砂磨损稳定性高的金属与非金属材料等方面入手，采取综合技术措施才能达到这一目的。
2.1 影响泥沙磨损的因素2.1.1砂粒破度，形状，尺寸，含砂量等。
（砂成分：石英，长石，花岗石硬度↑；形状：棱角形，尖角形，圆形等。
粒径>0.25mm不允许通过水轮机，建议0.05或0.05~0.1mm）2.1.2材料的抗磨性能（如金属表面渗碳，涂料，环氧金刚砂，抗磨橡胶等）。
2.1.3水流状态（水流速度及冲击方向）。
一般认为磨损量与流速成三次方关系2.2.1主要的抗磨措施防止泥砂对水轮机的磨损需要采取多方面的措施方能奏效。
一方面减少水轮机的泥砂数量，另一方面采用合适的机型、合理的运行方式以及抗磨材料，综合起来可分为如下几个方面：2.2.2.结构设计上改善水流流态在结构设计上尽量使过流表面平滑，没有凹凸不平，窄缝等造成局部旋涡产生。
缅甸瑞丽江水电站泥沙磨损对水轮机设备的影响及防止泥沙磨损及空蚀措施报告中国水电顾问集团公司昆明水电勘测设计研究院2005.121. 前言1.1 电站概况瑞丽江水电站位于缅甸北部掸邦境内紧邻中缅边境的瑞丽江干流上。
电站距缅甸南坎、曼德勒的公路距离分别约为63km、539km。
电站至中国境内的瑞丽、昆明的公路里程分别为94km、893km。
工程采用引水式开发，坝高47m，库容2683×104m3,引水隧洞长约5km，厂房为地面厂房，装机4×100MW。
主要水工建筑物包括：首部枢纽、引水系统和厂区枢纽。
工程主要目的为发电。
计划2007年5月首台机组发电。
1.2 电站自然条件(1)气温多年平均气温20.1℃最高气温36.0℃最低气温 1.2℃(2)相对湿度年平均相对湿度79%月平均最大湿度87%(3)泥沙特性多年平均含沙量0.76 kg/m3 悬移质粒径组硬矿物含量表(5)电站多年平均发电量3022×106 kW〃h(6)年利用小时数7555 h(7)电站保证出力172.8 MW 1.3 电站参数(1)水库调节特性：日调节(2)上游水位水库校核洪水位（p=0.05%）734.17 m水库正常蓄水位725.00 m水库死水位713.00 m(3)下游尾水位最高尾水位(p=0.2%) 400.80 m设计尾水位395.50 m(4)电站水头最大水头330.10 m电能加权平均水头305.01 m额定水头299.00 m最小水头299.00 m(5)电站径流量多年平均流量365m3/s(6)水轮机主要参数水轮机型号HLA351a－LJ－280转轮进口公称直径D1 2800.0 mm水轮机额定功率102.0 MW额定转速428.6 r/min额定流量~37.62m3/s飞逸转速〈680.0r/min吸出高度~ -8.55m水轮机轴向水推力: 正常工况〈l50.0 t过渡工况〈190.0 t水轮机机坑直径4000.0mm水轮机进口球阀直径1800.0mm2. 问题的提出2.1 瑞丽江水电站水轮发电机组的特点：a). 机组运行水头高瑞丽江水电站最大运行水头为330.10m，最小水头也达到299.00m，电站属高水头混流式水电站。
水轮机空蚀与磨损作业指导书一、概述水轮机是一种将水能转化为机械能的装置，常用于发电厂和水利工程。
然而，由于长期运行和使用不当等原因，水轮机可能会出现空蚀和磨损问题。
本作业指导书旨在帮助操作人员了解水轮机空蚀和磨损的原因以及如何进行预防和修复。
二、空蚀问题1. 空蚀现象空蚀指在水轮机叶片表面形成气泡或水蒸汽，并带有高速冲击力的问题。
空蚀的存在会导致叶片表面损坏，降低水轮机的效率。
2. 空蚀原因（1）水质问题：水中含有气体或溶解的气体浓度过高时，易产生空蚀。
（2）进口水速度过高：当进口水速度过高时，会产生负压，导致空蚀。
（3）叶片表面粗糙度：叶片表面粗糙度过大，容易形成气泡，造成空蚀。
3. 空蚀预防措施（1）改善水质：定期对进水管道进行清洗和维护，确保水质符合要求。
（2）控制进口水速度：根据水轮机的设计要求，合理控制进口水速度，避免产生负压。
（3）提高叶片表面光洁度：定期对叶片进行清洗和磨光，降低表面粗糙度。
三、磨损问题1. 磨损现象磨损是指水轮机叶片表面与水流或颗粒物接触时，由于摩擦而导致叶片表面的磨损。
长期磨损会导致叶片减薄、变形和失效。
2. 磨损原因（1）颗粒物侵蚀：水中悬浮的颗粒物会对叶片表面产生冲击和磨损。
（2）水流速度过高：水流速度过高会增加叶片表面与水流之间的摩擦力，导致磨损。
（3）叶片材料不合适：选择合适的叶片材料可以降低磨损程度。
3. 磨损预防措施（1）过滤水质：安装合适的过滤器，过滤掉水中的颗粒物，减少对叶片的冲击。
（2）控制水流速度：根据水轮机的设计要求，合理控制水流速度，避免过高速度引起的磨损。
（3）选择合适的叶片材料：根据水轮机的使用环境和水质情况，选择适合的叶片材料，提高其耐磨性能。
四、维护和修复1. 定期检查：定期对水轮机进行检查，发现空蚀和磨损问题及时处理。
2. 清洗叶片：定期清洗叶片表面，去除附着的沉积物和颗粒，减少磨损和空蚀的发生。
3. 磨光叶片：定期对叶片进行磨光处理，提高叶片表面的光洁度，减少磨损和空蚀的发生。
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
在叶片出水背面，叶片与下环、上冠连接的过渡表面等处，轴流式水轮机发生在叶片出水边背面；
（2）间隙空化和空蚀：一般发生在水轮机各过流部件的间隙处产生的气蚀。
通常在导叶间隙和止漏环间隙处，以及轴流式水轮机的叶片和转轮室间隙处，叶片转轴根部和转毂间隙处，在水斗式水轮机中，喷嘴和针阀间隙处；
（3）空腔空化和空蚀：一般发生在反击式水轮机低负荷或超负荷运行区域，水流流经工作转轮时不能满足无撞击入口及法向出口的条件，出口水流存在圆周速度分量，产生脱硫和旋流，从而引起低频或高频涡带，形成螺旋状或条索状空腔（空泡群），主要侵蚀尾水管壁及泄水锥的表面。
由于涡带产生压力脉动，造成机组强烈的噪音和剧烈震动；
（4）局部空化和空蚀：一般发生在过流表面不平滑的地方。
2、空化与空蚀对水力机械性能的影响
对性能产生影响，主要表现为四个方面：
（1）破坏过流表面
（2）机器能量特性发生变化
（3）引起振动和噪声
（4）使机组检修频繁
四、水轮机抗空化的措施
1、改善水轮机的水力设计
理论计算表明，空化系数明显的受翼型厚度及最大厚度位置的影响，翼型越厚，空化系数越大，所以，在满足强度和刚度要求的条件下，叶片要尽量薄；
翼删稠密度的增加，可改善其空化和空蚀性能，降低空化系数；
为了减小间隙空化的有害影响，尽可能采用小而均匀的间隙，我国采用的间隙标准为千分之一转轮直径；
加长尾水管的直锥管部分和加大扩散角，可以提高转轮下部锥管上方的压力，以削弱涡带的形成，此外，加长转轮泄水锥可以控制转轮下部尾水管进口的流速，并影响涡带在尾水管内的形成以及压力脉动。
所以，改进尾水管及转轮上冠的设计能有效减轻空腔空化。
2、提高加工工艺，采用抗蚀材料
采用数控铣床联入计算机的自动加工系统，严格控制加工精度；
采用优良抗蚀材料或增加材料的抗蚀性来提高转轮抗蚀性能，抗蚀材料应具有韧性强、硬度高、抗拉力强、疲劳极限高、应变硬化好、晶格细、好的可焊性等综合性能。
3、改善运行条件并采用适当的运行措施
（1）非设计工况运行与空腔空化：当水轮机在低负荷下运行时，随着流量的减少，相对速度也减小，绝对速度变化，出口水流中就有圆周速度的分量，形成转轮出口处与转轮旋转方向一致的旋转运动；反之，当负荷大于最优工况的出力时，形成转轮出口处与转轮旋转方向相反的旋转运动。
实测证实：水轮机压力脉动最大值发生在半负荷区。
（2）空蚀强度随运行时间的变化关系：空蚀深度的增加随运行时间按幂函数规律增加。
空蚀初期发展缓慢，在空蚀加剧期，空蚀量随发电时间而急剧增加，一般应在空蚀加剧期来临之前进行大修。
转轮在补焊后有必要进行热处理以消除焊接应力。
（3）运行水头对空蚀的影响：运行水头较高的水轮机受到的空蚀强度较大，对于同一水轮机来说，偏离额定水头越远，空化和空蚀的强度越大。
（4）运行吸出高度对空蚀的影响：当其他运行条件相同时，水轮机实际的吸出高度越小，其空化和空蚀程度越轻。
（4）补气对空蚀的影响：目前通常采用的主轴中心孔自然补气和尾水管补气等对改善翼型空化和空蚀效果不大，而对改善空腔空化的作用较为显著能有效降低尾水管内的压力脉动和机组振动。
第二节水力机械的泥沙磨损
一、泥沙磨损的定义
水力机械的工作水流中，具有一定对内的坚硬沙粒冲撞过流表面，而将造成材料的微体积剥落，这一过程称为泥沙磨损。
二、泥沙磨损的危害
磨损过流部件ηv↓，η↓，p↓，引起机组振动
三、泥沙磨损机理
水力机械的泥沙磨损是一个很复杂的问题，一般认为是由于机械和化学作用的结果，当然主要是由于机械的作用。
当水流中的泥沙冲撞过流表面瞬间，可能产生高温高压，那么在高温高压作用下，因为水中含有气体，就很易使金属表面氧化，使金属表面的保护膜被破坏——产生局部腐蚀。
再加上泥沙不断冲击金属表面，就更加速金属保护层的破坏。
另外，由于坚硬的泥沙硬度一般高于金属材料的硬度，而且砂粒形状各异，有尖锐的菱角形圆形等，都以很高的速度处境在材料表面上。
当尖角砂粒以平行材料的表面移动，使接触点产生横向塑性流动，切下一定数量的微体积材料，这相当于微切削过程。
在垂直冲击下，尖角砂粒同材料接触时，尖角会转动，这也存在微切削效果，但切削能力不如小冲角。
圆形砂粒垂直冲击在材料表面会产生反复的塑性变形形成凹坑。
这些塑性降低，脆性增加的堆积物将重新受压移位。
同时在合适的砂粒冲角下,易被直接剪断——属变形磨损。
泥沙对过流表面的磨损过程，相当于变形磨损和微切削磨损的复合作用。
气蚀破坏特征：
气蚀破坏是有潜伏期的，金属变色（表面灰暗）→麻点（真孔状）→海绵状（表面十分疏松），鱼鳞坑→孔洞、沟槽、裂纹等。
破坏表面无金属光泽。
泥沙磨损破坏特征：
泥沙磨损破坏是无潜伏期的，具有擦痕→沟槽→鱼鳞坑的破坏特征，破坏表面呈金属光泽。
