水利機(jī)械內(nèi)空化、空泡和空腔的深入分析,水利水電論文

水利機(jī)械內(nèi)空化、空泡和空腔的深入分析,水利水電論文水力機(jī)械的空化、空蝕和穩(wěn)定運(yùn)行問題歷來是水力機(jī)械行業(yè)共同關(guān)注的基本問題。經(jīng)過近百年來的研究探尋求索，十分是不銹鋼等抗空蝕材料的大量采用，空蝕對水力機(jī)械的危害程度已有所減輕，水力因素導(dǎo)致的水力機(jī)械運(yùn)行不穩(wěn)定也得到一定扼制。但是，當(dāng)空化發(fā)生后，水中摻雜了空化氣泡〔下面簡稱空泡〕或空化空腔〔下面簡稱空腔〕，水流變成了氣液兩相流，使原來的單相流特性產(chǎn)生了很大的變化。過去有很多概念和認(rèn)識是建立在單相流基礎(chǔ)上的，關(guān)于空化和壓力脈動、壓力脈動和空蝕等之間的關(guān)系及空泡和空腔在華而不實(shí)的作用等不是很清楚，甚至有部分錯(cuò)誤的認(rèn)識和理解，給深切進(jìn)入研究和解決水力穩(wěn)定性等問題帶來一定影響。本文擬從對空化、空泡和空腔的深切進(jìn)入分析入手，解析它們對兩相流條件下穩(wěn)定性等帶來的危害，以進(jìn)一步理清它們之間的互相關(guān)系。1空化、空泡和空腔一般的氣泡內(nèi)部壓力大多高于或接近于大氣壓，通常在水力機(jī)械模型試驗(yàn)時(shí)看到的游離氣泡和部分附著在流道外表的氣泡多屬于該類氣泡?？张輨t是指水體空化后產(chǎn)生的氣泡，且空泡內(nèi)的壓力通常都低于空化壓力?？张輰儆跉馀荩煌谝话銡馀?，二者最大、最本質(zhì)的區(qū)別在于內(nèi)部壓力能否低于空化壓力。當(dāng)然，空泡內(nèi)的主要成分是水蒸汽，氮?dú)?、氧氣等空氣中主要成份較少；而水中的游離氣泡則不同，其主要成分是空氣。高壓氣泡在水中的存在方式由其壓力屬性決定，只能存在于其合適的壓力區(qū)。當(dāng)其附著于葉片等流道外表時(shí)，可能隨壓力變化而改變尺寸大小，反而不易被裹夾進(jìn)水流；只要當(dāng)壓力降低到負(fù)壓甚至汽化壓力之后，這些氣泡才更容易被吸走，這也是空化試驗(yàn)前先抽真空并保持一段時(shí)間的原因之一。那些游離于水中的高壓氣泡也不例外，其只能存在于高壓區(qū)，即便偶然被水流裹夾進(jìn)低壓區(qū)，一旦失去裹夾力的限制，其自然會漂移至高壓區(qū)，這也是通常稱其為游離氣泡的原因。很多水電站試圖用補(bǔ)氣的方式消除壓力脈動沒有成功，大多是由于補(bǔ)氣位置選擇不當(dāng)，補(bǔ)氣點(diǎn)壓力高，補(bǔ)入的高壓空氣和游離氣泡一樣向高壓區(qū)漂移，大部分空氣沒有進(jìn)入低壓空腔，因而起不到降低壓力脈動作用。即便是補(bǔ)入尾水管渦帶中心的空氣，也難以避免其向錐管外側(cè)擴(kuò)散〔如此圖1所示〕。當(dāng)然，也不能完全排除有部分游離氣泡留在了空化區(qū)，但其壓力勢必相應(yīng)降低到該區(qū)域生存壓力，以適應(yīng)在該壓力區(qū)的存在需求?？栈瘶?gòu)成的低壓空泡和常規(guī)高壓氣泡的另一重要區(qū)別是低壓空泡的可潰滅特性。當(dāng)空泡遭到高壓沖擊時(shí)，其能夠快速潰滅。即便空泡不能完全的消于無型，但其或被擊穿潰滅，或被壓縮復(fù)原為液態(tài)水和微小的氣核，都可能因本身的潰滅而使靠近的固體邊壁產(chǎn)生空蝕。而高壓氣泡則不同，其不可能潰滅，只能被壓縮導(dǎo)致壓力進(jìn)一步升高，即便被周圍空泡潰滅的沖擊射流擊碎為更小氣泡，高壓空氣也會對沖擊射流起到緩沖作用，減輕空蝕?？涨皇强张莸木奂?，區(qū)別于空泡的單體，有團(tuán)體屬性。根據(jù)空腔危害水力機(jī)械穩(wěn)定性理論，空腔的體積聚集到一定程度后，具備了放大壓力脈動的能力，其主要危害對象已從材料〔指對材料的空蝕〕轉(zhuǎn)為對穩(wěn)定性的影響，產(chǎn)生的主要危害是加劇壓力脈動和振動等不穩(wěn)定現(xiàn)象及其引起的相應(yīng)毀壞。當(dāng)然，對于聚集在流道邊壁附近的空泡聚集群－空腔，假如其比擬薄，和邊壁間無水體間隔，也很容易發(fā)生空蝕。但若空腔體比擬厚，尤其是內(nèi)部壓力低，隨壓力變化空腔不至于整體潰滅，其對邊壁的空蝕反而可能因未潰滅空腔的緩沖作用而降低。空腔由空泡群組成，空泡和空泡之間仍然由空泡壁隔開，并沒有構(gòu)成為一無割斷的連通區(qū)域。而空泡壁的存在使空腔在水中具有可見的特性，給研究空腔的存在形態(tài)、產(chǎn)生影響及危害機(jī)理提供了良好觀測條件。除此之外，空腔內(nèi)空泡個(gè)體的存在使空泡的快速潰滅和生成非常容易，當(dāng)水體壓力脈動傳遞給空腔時(shí)，引起的空腔體積變化會比文獻(xiàn)[2]所分析的還要大，放大壓力脈動的作用也更大。其原因是，當(dāng)壓力降低時(shí)，空腔附近的水體可能因壓力低于空化壓力而空化構(gòu)成新空泡，使空腔體積更大；當(dāng)壓力增高時(shí)，空腔邊緣的空泡可能因壓力高于空化壓力而潰滅變回液態(tài)，使空腔體積比按比例收縮得更小，進(jìn)而使空腔體積產(chǎn)生更大的膨脹－收縮變形。也就是講，伴隨著壓力脈動的空腔膨脹－收縮變形在空腔邊界附近實(shí)際還存在空腔的產(chǎn)生－潰滅變化，二者的疊加使膨脹－收縮變形幅度進(jìn)一步加大。2水力機(jī)械內(nèi)的氣液兩相流2.1氣液兩相流和單相流的區(qū)別所謂氣液兩相流，是指有氣泡、氣泡群或氣體空腔參加的液態(tài)流體。就水力機(jī)械的氣液兩相流而言，其氣泡或氣泡群主要為空化氣泡－空泡，氣體空腔也多指空化空腔，氣相的空泡或空腔都具有低壓特性。就常規(guī)氣液兩相流而言，其和單相流的本質(zhì)區(qū)別在于氣相參加帶來的可壓縮性。而水力機(jī)械內(nèi)多見的兩相流中的氣相屬空化產(chǎn)生的水蒸汽，該兩相流和單純水體的單相流的最主要區(qū)別不僅僅是空泡或空腔具有可壓縮性，還在于其低壓特性。2.2水力機(jī)械氣液兩相流的本質(zhì)特性水力機(jī)械流道內(nèi)的氣液兩相流中的空泡和空腔，壓力通常都低于水的汽化壓力，這也是構(gòu)成其獨(dú)特性能的主要原因。正是由于空泡的低壓及可壓縮性，導(dǎo)致空泡在高壓下可潰滅，產(chǎn)生對流道邊壁材料的空蝕。同樣，由于空腔的低壓及可壓縮性，使空腔具備了可潰滅特性，在空腔較大的條件下會由于空腔的忽然潰滅而引起工況波動或水體震蕩，進(jìn)而產(chǎn)生強(qiáng)烈振動和不穩(wěn)定；也會使空腔具有高收縮比，附加在空腔上的較小壓力脈動即可能引起空腔體積的大幅度變化，而這一空腔的收縮－膨脹則可能進(jìn)一步擾亂水流，放大壓力脈動。3空腔和壓力脈動及穩(wěn)定性關(guān)系3.1空腔的體積及連續(xù)性散亂的小空腔接近于空泡團(tuán)，其對穩(wěn)定性的毀壞力遠(yuǎn)不如大空腔，即便這些小空腔的體積之和大于大空腔，它們對壓力脈動的放大作用也遠(yuǎn)小于一體化〔嚴(yán)密聯(lián)絡(luò)在一起的連續(xù)體〕的大空腔。究其原因，其關(guān)鍵因素是分散的小空泡群膨脹－收縮的頻率各不一樣，作用力方向不一致，無法構(gòu)成合力。例如，在模型試驗(yàn)時(shí)，有時(shí)確實(shí)會觀測到某些水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的尾水管渦帶比擬大，但其壓力脈動幅值并不大，遠(yuǎn)不像渦帶外形尺寸所表現(xiàn)的那么嚴(yán)重。仔細(xì)觀察會發(fā)現(xiàn)，這些渦帶比擬散碎，不夠?qū)?，大渦帶內(nèi)有散亂的小空腔〔如此圖2所示〕，中間夾雜著水體，其散亂、不連續(xù)的特點(diǎn)造成其無法構(gòu)成合力，放大壓力脈動的作用大大降低。3.2空腔毀壞力討論空化系數(shù)〔或凈正吸出高度NPSH〕和渦帶壓力脈動幅值?H之間的關(guān)系其實(shí)表現(xiàn)為渦帶空腔尺寸〔包括其偏心矩〕對壓力脈動的影響。仔細(xì)分析渦帶壓力脈動和凈正吸出高度之間的關(guān)系曲線〔見圖3〕能夠發(fā)現(xiàn)，壓力脈動幅值在一定范圍內(nèi)隨NPSH〔NPSH=H，H為水頭〕的降低而增加，但增加到其最高值后，壓力脈動幅值會逐步降低。根據(jù)觀察和分析，原因可能來自于兩個(gè)方面。其一，壓力脈動測量點(diǎn)的壓力最低時(shí)已低于汽化壓力，而絕對汽化壓力已接近于零壓力，無法繼續(xù)降低，測量的壓力脈動曲線出現(xiàn)所謂的削波現(xiàn)象，其下部波形谷底區(qū)域被削平，接近于平底，幅值自然就降低了。另外一個(gè)可能的原因是渦帶發(fā)展到一定程度后，幾乎充滿整個(gè)尾水管直錐段，渦帶偏心矩變小，空腔變散，壓力脈動幅值降低。但是，絕不能據(jù)此確認(rèn)此時(shí)的壓力脈動幅值降低會帶來穩(wěn)定性變好。所謂的削波現(xiàn)象會導(dǎo)致空腔直接作用于尾水管邊壁，作用面積增加，作用力非常大，噪音也非常大，振動不但不會隨壓力脈動幅值的降低而降低，反而有可能增加，毀壞力會更大。由于低壓作用面積增大后更容易加大尾水管、轉(zhuǎn)輪、頂蓋等過流部件的局部彈性變形，進(jìn)而加強(qiáng)機(jī)組或廠房振動。4壓力脈動和空蝕的關(guān)系以上主要闡述了空化及其構(gòu)成的空腔對壓力脈動的影響，更多地關(guān)注于空化空腔對水力機(jī)械運(yùn)行穩(wěn)定性的危害。實(shí)際上，壓力脈動對空化和空蝕也是有影響的，不僅強(qiáng)烈的高頻振動或壓力脈動可能會導(dǎo)致空化發(fā)生，而且劇烈的壓力脈動可以能會導(dǎo)致空蝕的發(fā)生或加強(qiáng)空蝕強(qiáng)度，成為空蝕的幫兇。假定水力機(jī)械運(yùn)行時(shí)沒有壓力脈動，同一個(gè)空間位置在不同時(shí)刻的壓力是恒定的，空化產(chǎn)生的氣泡只要流動到壓力大于汽化壓力的區(qū)域才可能因氣泡破裂而產(chǎn)生對流道邊壁材料的空蝕。對于一般的水輪機(jī)翼型空化而言，低壓區(qū)多位于轉(zhuǎn)輪葉片出水邊反面，而且該低壓區(qū)最低壓力通常出如今出水邊附近。因而，在壓力穩(wěn)定的條件下，空泡不會在葉片外表潰滅，只可能在離開葉片〔或貼近出水邊的一條細(xì)帶〕后因壓力上升到汽化壓力以上而破裂，產(chǎn)生所謂的超空化或出水邊細(xì)帶狀空蝕，不會對葉片造成較大面積的空蝕。但假如有較強(qiáng)壓力脈動存在，足以使壓力由低于汽化壓力的空泡產(chǎn)生狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦哂谄瘔毫Φ目张轁鐮顟B(tài)，就可能在空化區(qū)的邊界部分〔壓力稍高部分〕或整個(gè)空化區(qū)產(chǎn)生空蝕。另外一種狀況是，假如沒有壓力脈動發(fā)生，低壓區(qū)最低壓力高于空化壓力，不會產(chǎn)生空化，當(dāng)然也無空蝕可言。但如有壓力脈動發(fā)生，其低壓谷值有可能把低壓區(qū)壓力降低到汽化壓力下面產(chǎn)生空化，而高壓峰值又可能把空泡群壓力提高到汽化壓力以上使空泡潰滅產(chǎn)生空蝕。強(qiáng)壓力脈動還有可能增加空蝕毀壞的強(qiáng)度，其高壓波峰對空泡群的附加力和沖擊速度可能加大對流道邊壁空泡的沖擊力，加強(qiáng)空蝕。因而，當(dāng)壓力脈動幅值較大時(shí)，有必要增大空化安全系數(shù)，以防止因強(qiáng)壓力脈動而導(dǎo)致附加的空蝕毀壞?！緢D略】5結(jié)論①空泡、空腔內(nèi)壓力低于汽化壓力，而游離氣泡內(nèi)的壓力通常在大氣壓附近。水輪機(jī)中常規(guī)的尾水管渦帶應(yīng)由空泡群或空腔構(gòu)成，而非游離氣泡。②水力機(jī)械氣液兩相流中的空腔由空泡群組成。空泡以個(gè)體存在，其空泡壁使空腔具有可見性，空泡個(gè)體的快速潰滅