水轮机叶片空蚀与磨损破坏机理浅析

水轮机叶片空蚀与磨损破坏机理浅析

随着长江上游梯子站的建设，从2003年6月到2010年9月，三个峡水库的悬浮固体沉积物分别为15.682108m和4.117108m。由于库中沙子不足，水库中的沉积物体积为11.565108t。三峡水库年处理沙量比预期值低60%，但三峡水库年处理沙量达到冲砂平衡还有很长的时间。三峡水电站的水轮机转轮最大直径10407.8mm,高5.2m,重445t,是当今世界最大的混流式水轮机转轮。水流含沙量大,水流空蚀与泥沙磨损的联合作用将会对水轮机过流部件产生磨蚀破坏,引起水轮机效率下降,产生振动与噪声,进而影响电站的安全经济运行。因此,掌握磨蚀破坏机理,认识磨蚀破坏本质,对解决磨蚀问题具有重要意义。鉴此,本文分析了空蚀与磨损破坏机理,研究了湍流的拟序结构对磨蚀的影响,并结合三峡水轮机真实磨蚀状况,对水轮机叶片磨蚀机理进行了浅析,旨在更准确地预测大型水轮机叶片的磨蚀情况,尽可能减少因含沙水流磨蚀造成的损失。1空蚀和破坏机分析1.1发生空化冲击目前,对空蚀破坏机理尚无统一认识,较为一致的看法是机械作用、化学作用和电化学作用三种破坏共同作用的结果。水流从低速区向高速区移动,水中溶解的气体和附及裂隙挟带的气泡将会提前析出,使初生空化提前发生。当水流在流过压强为气化压强的低压区时,气团以极高的速度爆炸性的形成微小气泡。这种爆炸为向内式爆炸,破坏了流体的连续性,使平顺的水沙二相流变为紊乱的水、沙、气三相流。当水流到达气化压强或比气化压强大的区域时,气泡将会被周围的流体挤压而溃灭。原气泡内的气体均溶于水中,并与一小股水体一起急剧收缩形成聚能高压水核,随后水核迅速膨胀产生高温高压微射流,通过冲击式空蚀和再次空泡溃灭冲蚀固壁。此外,水核瞬间膨胀并形成低压区诱导第二次冲击波的成长。迅速形成又迅速破灭的气泡所产生的冲击波压力可达420MPa。1.2磨损破坏速率当细沙颗粒粒径小于0.5mm时,其运动轨迹与流线基本一致。当颗粒粒径大于0.5mm时,由于沙粒的比重较大,在变速运动的惯性作用力下,颗粒脱流,增强紊动使过流部件汽蚀和磨损破坏更加严重。在高速含沙水流中,由于水流紊乱,泥沙反复冲击试件引起弹塑性变形,使微团达到疲劳强度而产生剥落的变形磨损,同时泥沙小角度切削形成微切削磨损。磨损机制是显微切削、犁沟和软基体的选择磨损及硬质点被挖出脱落、高速粒子冲击使材料产生熔化。由此可知磨损破坏速率与含沙量、水流速度、叶片材质及工艺有关。此外,由于天然河流中的泥沙多为长石、石英和花岗岩类沙粒,其硬度很高,一般大于各种水轮机金属材料的硬度。2边壁区的特性由于层流边界层中各层间无质量交换,质点沿流线运动且不会撞击固壁,所以材料表面的蜂窝状或鱼鳞状磨蚀一定发生于湍流边界层处。湍流边界层由面壁向处依次可分为粘性底层、过渡层(缓冲区)、对数律层、尾流律区、粘性顶层及外部势流。在靠近边壁区,有可能存在U形环或马蹄形涡流。马蹄形涡流的尖端曲率最大,纵向与垂向速度均很大,具有很强的剪切效应。受水流的扰动,马蹄形涡流将沿水流方向慢慢拉成U形环涡流。之后,一股低动量的水托起环的两翼进入缓冲区,减速并再次形成新的低速条和漩涡。当涡流速度剖面振荡相当严重时,流动不稳定性流场发生振荡并产生强烈的展向涡,最终强烈的振荡将条带打碎产生极大的脉冲,称为猝发现象。低动量的水体离开边壁后所留下的空间将由周围的水填补,其中一部分来自高速水流。这样就形成了低速带举升紊动,高速流深入扫荡。且底流挟带悬沙对边壁的扫荡磨损角度为5°~15°。3叶片研磨部位与机理分析3.1弹塑性变形材料弹性条件的确定具有一定质量的泥沙颗粒冲击材料表面时,材料在接触处先形成弹性变形,而在接触面中心最大应力位置处开始进入塑性流变状态,并伴随颗粒动能的损耗,塑性变形区进一步扩大,直到沙粒动能全部转化为材料弹塑性变形的弹性势能,沙粒停止运动为止。之后材料表面的弹性变形部分将恢复,而塑性变形部分将保留。若速度足够大,则颗粒将刺入水轮机叶片;亦或经多次垂直碰撞,停留于边界层。利用水力学相关知识得出,三峡水轮机在最优工况下边界层厚0.07m,足以满足细颗粒以游离或絮凝形式存在于边界层或过渡层,有保护水轮机的作用。据多年观测,三峡水电站过水轮机泥沙颗粒远小于0.5mm,加之空蚀时间间隔长和连界层的保护作用,正面大部分区域完整,仅存在零星小凹坑(图1中画圈的区域)。3.2空气中的条纹气蚀破坏是相对清水而言,泥沙磨蚀是相对水中泥沙的破坏而言。磨蚀是指在气蚀与泥沙磨损的联合作用下对水轮机部件的破坏作用。80%的湍流能量产生和耗散于近壁区,主要表现形式为磨蚀、猝发、紊动、溃灭。紊动猝发形成的冲击波并伴随着微射流,其对壁面的冲击速度达100~400m/s,冲击范围为1~25μm,压强达100~1000MPa。气泡溃灭后即将在周围形成空气非常稀薄的真空区域,周围相对压强高的水流质点便以极大的速度向真空地带冲击,水流质点互相剧烈撞击,局部压力急剧升高,可达几十个甚至几百个标准大气压。对波纹的成因,通常认为是高速含沙水流中沙粒以小冲角度撞击表面的结果,形成波纹状或鱼鳞状的磨损,见图2(a)。另外,许多材料的疲劳极限在水中较在空气中小很多。如铸铁在水中的疲劳仅为空气中的1/2。同时,模拟试验研究表明,在相同工况下含沙水流空蚀强度是清水空蚀强度的4~6倍。其原因在于正面出水边颗粒相速度最高,与液相和固相的相对速度加大,将会导致水流紊动加剧、脉动压强的频率变小、幅度变大,为含沙水流磨蚀出水边创造了有利条件,最终导致出水边形成蜂窝状的空蚀破坏和泥沙磨损形成的大凹坑破坏,见图2(b)。3.3高温含沙水流力学成分动态特性,含沙层颗粒自做磨损试验时发现,试验时间超过17h后,材料的失重率随时间明显加快,对防止和减轻水轮机泥沙磨蚀,当泥沙含量小于5kg/m3时,相对流速v<38m/s较为合适。但根据相关资料,宜昌站历年最大泥沙含量为10.5kg/m3,年平均含沙量小于1kg/m3。且三峡水电站过水轮机水流速度40~50m/s。当流速大于25m/s后,磨蚀量增大,这一变化与含沙量无关。颗粒受高速水流承载运动和猝发现象或空化形成的冲击波的连续作用,使固件表面产生弹塑性变形。此时,高速含沙水流以平行于固件运动,在微变形区产生的剪应力、空泡溃灭后形成的反冲击波、塑性变形恢复后的残余拉应力等共同作用形成零星的凹坑。气蚀和冲击部位局部温度约达300℃。此外,由于正背面压差的存在,在水轮机运行中,大颗粒易从正面反弹易冲蚀负压区。除了高速含沙水流对固壁的撞击外,水分子以氢键连接形式的肢解及泥沙颗粒间以分子力连接形成的絮团破碎,均伴随局部高温、高压、发光、发电和电化化学腐蚀等现象的发生。每年汛期机组运行时,其运行水头小于额定水头80.6m时,机械出现不规则振荡,导致水流偏离原流线并与固壁形成间隙,加快了水轮机的磨蚀。同时,在非最优工况下,随导叶开度减少,正背面的压差增大,间隙流动的速度增大,泄漏量的增大,在压力面产生分离线,在吸力面产生再附线,使导叶下游区产生二次流。此外,叶片的正面含沙水流流向自身叶片的背面,导致出水边局部流速升高和压力降低而产生间隙气蚀,负压面出水边在磨损和空蚀的共同作用下发生了明显磨蚀,见图3。3.4机组工作导叶的空蚀在负压区形成的漩涡,含沙高速水流每次猝发现象必然造成一次扫荡底流挟带悬沙对边壁5°~15°的小角度。最初,此微切削导致金相层位移不等而形成的裂缝肉眼很难分辨。据三峡金属结构检测中心分别对三峡左岸电站#11、#4机组活动导叶进行了现场金相抽查,发现导叶的空蚀是由于表面材质缺陷所致。粒径极小的泥沙颗粒由于分子间作用力与固壁、泥沙吸附在一起,停留于近壁层流层,减轻了大部分区域受含沙水流的磨蚀。此外,大颗粒脱离叶轮工作面而移动,其运动轨迹随粒径的变大,向叶轮背面移动。在负荷增加时,正负压面的压差增大,使水流从正压面到背面的附加流动增加,致使含沙水流对出水边及背面的磨蚀。另外,在水轮机运行中,大颗粒经正面冲撞,反弹冲击负压区。负压面大部区域非常平滑,仅出现少量大坑,见图4。在坑穴四周的发蓝迹象,是由于某种空