工质为浑水时水泵与水轮机的空化与空蚀

工质为浑水时水泵与水轮机的空化与空蚀

常

近

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（中国农业大学水利与土本工程学院，北京１０００８３）

摘要：对工质为浑水时水泵与水轮机的空化与空蚀进行了试验，结果表明，泥沙表面缝隙中寄存有许多气核，当压力降低时气核膨胀形成气泡，进而脱离沙粒表面发生空化；当沙质、水温一定时，浑水的空化压力特性完全由站址所在地的海拔高度、泥沙质量浓度、泥沙粒径等３个要素决定；在前两个因素一定的情况下，泥沙颗粒越小，即泥沙越细时，初生空化压力与・临界空化压力越高．浑水时气核数量远多于清水；浑水发生空化时，气泡渍灭引发的夹沙射流强度大于清水射流，由于这两个因素致使在含沙水流工作的水泵与水轮机，在相同的装置条件下，空蚀破坏较清水时强烈．目前，空化流场计算和空化数计算都存在着把空化压力取做海拔高度为零时清水的汽化压力的错误，使计算结果严重失实．

关键词：水力机械；水泵；水轮机；空化压力；空化；空蚀中图分类号：ＴＫ７３３

文献标志码：Ａ

文章编号：１６７４—８５３０（２０１０）０２—００９３—０５

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收稿日期：２００９—０６—２６

基金项目：国家自然科学基金资助项日（５０９７６１２４）

作者简介：常近时（１９３７一），男，辽宁沈阳人，教授，博士生导师（ｃｊｓ＠ｃａｕ．ｅｄｕ．ｃｎ），主要从事叶片式水力机械水动力学研究

万方数据　

９３

工程上常将水泵与水轮机同时用于输送清水和浑水，在设计时，不考虑水质对泵与水轮机空化与空蚀的影响，工质一律取为清水…．然而，大量的试验研究表明，当站址一定时，浑水（即含沙水）的初生空化压力与临界空化压力都显著高于清水相应的数值旧。Ｊ．因此，在相同的装置条件下，当工质为含沙水时，水泵与水轮机将可能发生严重的空化与空蚀．

２０世纪６０年代初期，苏联莫斯科动力学院教授奥拉赫拉斯维利在国内多泥沙河流水电站水轮机遭到严重破坏的调查分析基础上，系统地提出了水轮机“泥沙磨损”理论ＨＪ．此后，我国一些水力机械业内人士也对水力机械的“泥沙磨损”进行了研究．尽管早已由试验证实，单纯的所谓“泥沙磨损”一说不符合实际”Ｊ，但长期以来并没有揭示含沙水流工作的水力机械通流元件比清水介质破坏严重的根本原因．

近年来，笔者对清水和浑水的空化压力特性进行了大量的试验研究，发现在站址一定的情况下，浑水的初生空化压力与临界空化压力大小完全由站址所在的海拔高度、泥沙质量浓度、泥沙粒径等３个主要因素决定，且远比清水较高汪－３，６］．在研究泥沙粒径这一影响因素时，笔者专门对单一沙粒发生的空化过程进行观测和记录，以揭示含沙水较清水易发生强烈空化与空蚀的根本原因．

１单个沙粒的空化过程

众所周知，纯水（即不含任何异相介质的水）具有同金属相近的抗张强度，根本不可能发生空化．由于近地宇宙射线电离量的辐射、水中含有泥沙、灰尘、有机物等，使所有天然水都含有数量巨大、由几个乃至数百个气体原子组成的微小气核．当水压降低到一定界限时，首批气核膨胀、成长为气泡，水发生空化，又称为初生空化，对应的压力为初生空化压力；当水压继续降低时，气核变成气泡的数量随之增多，空化加剧；当水压降至水发生有如沸腾状的空化且维持稳定不变时，称为临界空化压力．天然水质的空化压力特性则由其初生空化压力与ｌ临界空化压力表示，如图１所示．

显然，空化是基于气核原始状态发生的气体多变过程．它的物理本质和特性同液态水向蒸汽转化的相变过程根本不同．长期以来，那种把发生空化的压力混同为水的汽化压力的概念是不正确的．

万　

方数据９４

泥沙质量浓度

图１

天然水空化压力特性

Ｆｉｇ．１

Ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ

ｐｒｅｓｓｕｒｅ

ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｎａｔｕｒａｌｗａｍｒ

天然水的初生空化压力与临界空化压力之间，ｍ水柱高的差值，此间将发生不同程度的空化，因而在过流元件也将发生不同强度的空蚀．

试验表明，当水中含沙时，随含沙质量浓度的增大，水的初生空化压力值和临界空化压力值都将随之增大，其根本原因是泥沙表面缝隙中寄存大量的彻底揭开含沙水中工作的水泵与水轮机比在清水中发生更为强烈的空化与空蚀的主要原因，笔者专门主持进行了清水中单一沙粒发生空化的过程试验研究．

本试验由空化压力测定仪、显微观测装置与数码录像机等设备组成的记录装置完成．在空化压力测定仪透明的活塞缸中加入清水和一颗粒径为０．６９０ｍｍ的沙粒．在活塞缸内水压降低的过程中，连续由显微观测装置对沙粒放大、显示，由数码录像机连续拍摄显示屏上单个沙粒上空化的全过程．

图２为这一空化全过程中９幅有代表性的图Ｊ．伴随水压降低过程，沙粒表面缝隙中寄存的气核因膨胀而析出，形成附着在沙粒表面的几个气泡，进而气泡增多、增大．第９幅图则示出首个最大的气泡脱离沙粒表面瞬间的情况，此时该气泡（直径约１．２７ｍｍ）所受的浮力大于浮升阻力，发生初生空化，对应的压力为初生空化压力．当压力继续降低时，不难想象，附着在沙粒表面更多的气泡都将陆续脱离沙粒表面，从而使空化加剧．试验中，单个泥沙表面产生很多气泡．，但沙粒外清水中却不见气泡．可见清水空化压力远低于浑水．

通过这一试验可以得出以下结论：在含沙水中，每个沙粒表面缝隙中确实寄存数量很多、尺寸不等的微小气核；在其他条件不变的情况下，沙粒越多，即含沙质量浓度越高，则气核数量越多，越容易发生空化和发生较严重的空化．

依据水质不同，约有４～５气核，从而使含沙水中气核数量远比清水要多．为了像【７

图２单个沙粒表面的空化过程

Ｆｉｇ．２

Ｃａｖｉｔａｔｉｎｇ

ｐｒｏｃｅｓｓ

ｏｎ

ｓｉｎｇｌｅｓａｎｄｇｒａｉｎｓｕｒｆａｃｅ

计算表明，当水中含沙质量浓度为８ｋｇ／ｍ３时，假定泥沙粒径Ｄ＝０．０２ｍｍ，保守地估计每个沙粒表面寄存１０个气核，则每立方厘米含沙水中比清水时约多７００万个气核．２

表ｌ

Ｔａｂ．１

不同泥沙粒径的浑水空化压力实测平均值

Ｅｘｐｅｒｈｎｅｎｔａｌｄａｔａｏｆｓａｎｄ

ｗａｒｅｒ

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ｗｉｔｈｄｊｆ托ｒｅｎｔｓａｎｄｒａｄｉｕｓ

泥沙粒径对浑水空化压力的影响

试验表明，当站址一定、水中含沙质量浓度相同

气核数量越多的缘故．研究表明，泥沙粒径减小一半，气核的数量近乎增加一倍．在相同的装置条件下，水泵与水轮机引用水中泥沙质量浓度相同时，泥沙粒径越小，即泥沙越细，则引起的空化与空蚀越强烈．

时，不同泥沙粒径大小将显著影响浑水的空化压力特性；泥沙粒径越小则初生空化压力与临界空化压力越高．

试验前，先用筛子将同一沙质（即取自同一河道、同一位置的泥沙，沙子的矿物质成分与比例相同）的泥沙粒径分成３个等级：０．０４５～０．０５３，

０．０５３～０．０７５，０．０７５—０．１００

３浑水空蚀

浑水比清水的初生空化压力与临界空化压力高，易发生空化，这是水泵与水轮机通流元件表面易发生空蚀破坏和发生较为严重空蚀破坏的首要因素．众所周知，通流元件表面空蚀发生在空泡破灭的地方，由于伴随空泡破灭时微射流对固体表面产生持续的高频微观冲击，致使材料局部疲劳破坏与金属流失，这是空蚀的主要机理．此外还有金属腐蚀、电化学、热力学效应等次要因素【８］，也加剧了金属流失．当工质为含沙水时，在气泡溃灭时将发生夹沙

水流对固体表面的微观冲击，如图３所示．由于泥沙

ｍｍ，然后将这３种

ｋｇ／ｍ３

粒径情况的泥沙调配成相同质鼍浓度为８

的３种水样．利用空化压力测定仪分别测量３种水样的初生空化压力和临界空化压力的６次平均值，其结果见表１．

试验结果表明，当含沙质量浓度相同时，泥沙粒径越小，初生空化压力与临界空化压力越高，即越容易发生较强烈的空化，而且泥沙粒径的影响十分显著．这是因为当沙质相同、含沙质量浓度相同时，沙粒越小其总表面积越大，因而寄存于泥沙表面缝隙中的

万方数据　

９５

比重大，有些沙粒硬度较高且具有尖锐的棱角，因而对材料表面的冲击破坏力较大．这是浑水空蚀比清水空蚀破坏强度要大的第二个原因．

图３气泡崩解时的夹沙射流

Ｆｉｇ．３

Ｗａｔｅｒｅｊｅｃｔｉｏｎｗｉｔｈｓａｎｄｓｂｙｃａｖｉｔａｔｉｎｇ

ｂｕｂｂｌｅｂｒｅａｋｄｏｗｎ

考虑上述两种因素，在相同的装置条件下，浑水时发生的空化与窄蚀比清水时要严重得多．但是，如果浑水时在绕流物体表面不发生空化，就不会发生夹沙水流对固体壁面的冲击，因而不可能引起局部疲劳破坏，只可能发生沙粒对同体肇面的均匀、微小的磨削，不会构成泵与水轮机通流元件的破坏．这个道理很明硅，泵与水轮机转轮即使在含沙质餐浓度较大的黄河上运行，只在过流表面上压力较低，发生空化的局部地区引起空蚀破坏，而在广泛的与含沙水流相作用的过流表面均未发生破坏，甚至有的地方出厂时涂的红丹防锈漆也未被“磨”掉．可见，所谓单纯的“泥沙磨损”说与事实不符．浑水条件下泵与水轮机通流元件上发生的诸如蜂窝状、鱼鳞状局部破坏与金属流失，仍然是空蚀，也订丁称为浑水空蚀．

４浑水时泵与水轮机的安装高度

文献［８—９］分别给出了工质为浑水时水轮机吸出高度日计与水泵吸人高度风，的计算表达式：

如＝１０．３３一篇一莉ｒｌ一

触９ＵＵ

ｖ—Ｋ肌日，”‘。

（１）

一

Ｌ

日ｓＰ＝ｌｏ・３３一鬲Ｐｃ一羔一ｈＩ．一Ｋ盯ＰＨ，（２）

式中Ｐ。为站址一定时引用水的空化压力；矗，为站址所在的海拔高度；盯，，盯，分别为水轮机与水泵模型试验测得的空化系数；Ｋ。为考虑原模型比尺效应的空化系数的安全系数，Ｋ＝１．１—１．５；ｈ。。为泵吸水管的水力损失；Ⅳ为水头或扬程。

以往工程上取２０℃水的饱和蒸汽压力０．２４

ｍ

水柱高为式（１）和（２）中的丛值，来计算确定ＨＳＴ与

ｐｇ

以，值，这是不正确的．正确的做法是，针对具体工程，由试验所得如图ｌ所示的引用水空化压力特性，根据多年平均的泥沙过机质量浓度和工程的重要

万　

方数据９６

性、规模，选定合理的丛值，由式（１）和（２）计算确定

ｐｇ

日。，与凰，值，最后确定机组的安装高度．显然，含沙水流工作的水轮机、水泵安装高度要比清水时低，只有这样才能保障运行安全．５

浑水三维空化流场的数值计算

传统的空化流场计算，不管是针对单物体的平面

绕流还是叶片栅的空间绕流，所有工况均取窄穴内压力为常数作为求解的边界条件，并且取用２０℃、海拔高度为０时清水的汽化压力０．２４ｍ水柱高［１¨…．显然，如前所述，这一边界条件的取法是错误的，不符合空化流动的实际．

此外，在国内外所有论及空化流动的专业书籍中，都将空化流动相似准则用空化数来表征，即

Ａ＝瞥，（３）

矿＊

式中Ｐ。，秽。为无穷远来流的压力、速度；ｐ为水的密度．以往由于取Ｐ，为常数，当系统中无穷远来流压力降低时，则Ａ减小，空化发展，空穴尺寸（长度与厚度）增大；在Ａ与空穴尺寸之间形成一种错误的、人为的相似流动关系．前已述及，试验证实Ｐ，远不是常数，它与水质状况、站址海拔高度有关，不同情况下水的空化压力特性相差很大；同时，在初生空化与临界空化之间，不同空化工况的空化压力值也很不相同．因此，必须完善空化流动的相似理论，用以获得正确的理论计算与模拟试验结果．

近年来，由于数值计算的进步，古典的空化流计算方法几乎大都已被废弃¨１｜．目前，国内泵叶轮三维空化流场实用的计算方法主要分为两类：以势流为基础的三维空化流场的面元奇点解法¨２。和三维气液两相湍流计算方法¨３｜．这两种方法在实际计算应用时，都存在Ｅ述取用边界条件的错误．

不管清水或含沙水，水质状况对叶片式水力机械叶轮中空化流场计算的影响，均可通过空化压力值来反应．文献［１４］专门介绍了三维空化气液两相湍流计算方法，用于混流式水轮机转轮空化流场计算时，取用不同的临界空化压力值作为边界条件的计算结果．图４为某水轮机大流量工况时取用不同海拔高度清水时３种临界空化压力值（ｐ。＝２

４５２－３１４０６

Ｐａ），计

算所得叶片背面出水边气体组分的结果．当临界空化压力较高时，叶片背面气体组分显著增大．

图４不同临界空化压力Ｈ＃ｔ－片背面出水边气体组分

Ｆｉｇ．４

Ｖａｐｏｒｖｏｌｕｍｅｆｒａｃｔｉｏｎｏｎ

ｔｒａｉｌｉｎｇｅｄｇｅｏｆｂｌａｄｅｓｕｃｔｉｏｎ

ｓｉｄｅ

ａｔ

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ｐｒｅｓｓｕｒｅｓ

６结论

（１）试验证实，由于泥沙颗粒表面缝隙中寄存有一定数鞋的气核，所以浑水中气核总量远高于清水，这是浑水初生空化压力与Ｉ｜ｆ｝ｉ界空化压力均较清水时高，易发生空化和发生严霞空化的根本原因．

（２）试验证实，当沙质、水温、含沙质量浓度相同时，泥沙粒径越小则其初生空化压力与临界空化压力越高，在相同的装置条件下越易发生空化和发生严重的空化．

（３）浑水情况下，水泵和水轮机通流元件只有发生空化时，泥沙才同气泡溃灭时产生的微观水击一起对构件表面产生冲击，从而增大空蚀破坏强度．当不发生空化时，浑水中的泥沙不可能对构件表面产生局部、破坏性的泥沙磨损．

（４）泵与水轮机宅化流场计算和水利水电工程设计确定机组安装高度时，不能取用海拔高度为０时２０℃清水的汽化压力０．２４ｍ水柱高，作为发生空化的条件．必须针对具体工程站址实测出工质的空化压力特性，并以此作为计算与设计的根据．

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（责任编辑陈建华）

工质为浑水时水泵与水轮机的空化与空蚀

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：

常近时， Chang Jinshi

中国农业大学,水利与土木工程学院,北京,100083

排灌机械工程学报

JOURNAL OF DRAINAGE AND IRRIGATION MACHINERY ENGINEERING2010,28(2)

参考文献(14条)

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本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_pgjx201002001.aspx

工质为浑水时水泵与水轮机的空化与空蚀

常

近

时

（中国农业大学水利与土本工程学院，北京１０００８３）

摘要：对工质为浑水时水泵与水轮机的空化与空蚀进行了试验，结果表明，泥沙表面缝隙中寄存有许多气核，当压力降低时气核膨胀形成气泡，进而脱离沙粒表面发生空化；当沙质、水温一定时，浑水的空化压力特性完全由站址所在地的海拔高度、泥沙质量浓度、泥沙粒径等３个要素决定；在前两个因素一定的情况下，泥沙颗粒越小，即泥沙越细时，初生空化压力与・临界空化压力越高．浑水时气核数量远多于清水；浑水发生空化时，气泡渍灭引发的夹沙射流强度大于清水射流，由于这两个因素致使在含沙水流工作的水泵与水轮机，在相同的装置条件下，空蚀破坏较清水时强烈．目前，空化流场计算和空化数计算都存在着把空化压力取做海拔高度为零时清水的汽化压力的错误，使计算结果严重失实．

关键词：水力机械；水泵；水轮机；空化压力；空化；空蚀中图分类号：ＴＫ７３３

文献标志码：Ａ

文章编号：１６７４—８５３０（２０１０）０２—００９３—０５

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收稿日期：２００９—０６—２６

基金项目：国家自然科学基金资助项日（５０９７６１２４）

作者简介：常近时（１９３７一），男，辽宁沈阳人，教授，博士生导师（ｃｊｓ＠ｃａｕ．ｅｄｕ．ｃｎ），主要从事叶片式水力机械水动力学研究

万方数据　

９３

工程上常将水泵与水轮机同时用于输送清水和浑水，在设计时，不考虑水质对泵与水轮机空化与空蚀的影响，工质一律取为清水…．然而，大量的试验研究表明，当站址一定时，浑水（即含沙水）的初生空化压力与临界空化压力都显著高于清水相应的数值旧。Ｊ．因此，在相同的装置条件下，当工质为含沙水时，水泵与水轮机将可能发生严重的空化与空蚀．

２０世纪６０年代初期，苏联莫斯科动力学院教授奥拉赫拉斯维利在国内多泥沙河流水电站水轮机遭到严重破坏的调查分析基础上，系统地提出了水轮机“泥沙磨损”理论ＨＪ．此后，我国一些水力机械业内人士也对水力机械的“泥沙磨损”进行了研究．尽管早已由试验证实，单纯的所谓“泥沙磨损”一说不符合实际”Ｊ，但长期以来并没有揭示含沙水流工作的水力机械通流元件比清水介质破坏严重的根本原因．

近年来，笔者对清水和浑水的空化压力特性进行了大量的试验研究，发现在站址一定的情况下，浑水的初生空化压力与临界空化压力大小完全由站址所在的海拔高度、泥沙质量浓度、泥沙粒径等３个主要因素决定，且远比清水较高汪－３，６］．在研究泥沙粒径这一影响因素时，笔者专门对单一沙粒发生的空化过程进行观测和记录，以揭示含沙水较清水易发生强烈空化与空蚀的根本原因．

１单个沙粒的空化过程

众所周知，纯水（即不含任何异相介质的水）具有同金属相近的抗张强度，根本不可能发生空化．由于近地宇宙射线电离量的辐射、水中含有泥沙、灰尘、有机物等，使所有天然水都含有数量巨大、由几个乃至数百个气体原子组成的微小气核．当水压降低到一定界限时，首批气核膨胀、成长为气泡，水发生空化，又称为初生空化，对应的压力为初生空化压力；当水压继续降低时，气核变成气泡的数量随之增多，空化加剧；当水压降至水发生有如沸腾状的空化且维持稳定不变时，称为临界空化压力．天然水质的空化压力特性则由其初生空化压力与ｌ临界空化压力表示，如图１所示．

显然，空化是基于气核原始状态发生的气体多变过程．它的物理本质和特性同液态水向蒸汽转化的相变过程根本不同．长期以来，那种把发生空化的压力混同为水的汽化压力的概念是不正确的．

万　

方数据９４

泥沙质量浓度

图１

天然水空化压力特性

Ｆｉｇ．１

Ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ

ｐｒｅｓｓｕｒｅ

ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｎａｔｕｒａｌｗａｍｒ

天然水的初生空化压力与临界空化压力之间，ｍ水柱高的差值，此间将发生不同程度的空化，因而在过流元件也将发生不同强度的空蚀．

试验表明，当水中含沙时，随含沙质量浓度的增大，水的初生空化压力值和临界空化压力值都将随之增大，其根本原因是泥沙表面缝隙中寄存大量的彻底揭开含沙水中工作的水泵与水轮机比在清水中发生更为强烈的空化与空蚀的主要原因，笔者专门主持进行了清水中单一沙粒发生空化的过程试验研究．

本试验由空化压力测定仪、显微观测装置与数码录像机等设备组成的记录装置完成．在空化压力测定仪透明的活塞缸中加入清水和一颗粒径为０．６９０ｍｍ的沙粒．在活塞缸内水压降低的过程中，连续由显微观测装置对沙粒放大、显示，由数码录像机连续拍摄显示屏上单个沙粒上空化的全过程．

图２为这一空化全过程中９幅有代表性的图Ｊ．伴随水压降低过程，沙粒表面缝隙中寄存的气核因膨胀而析出，形成附着在沙粒表面的几个气泡，进而气泡增多、增大．第９幅图则示出首个最大的气泡脱离沙粒表面瞬间的情况，此时该气泡（直径约１．２７ｍｍ）所受的浮力大于浮升阻力，发生初生空化，对应的压力为初生空化压力．当压力继续降低时，不难想象，附着在沙粒表面更多的气泡都将陆续脱离沙粒表面，从而使空化加剧．试验中，单个泥沙表面产生很多气泡．，但沙粒外清水中却不见气泡．可见清水空化压力远低于浑水．

通过这一试验可以得出以下结论：在含沙水中，每个沙粒表面缝隙中确实寄存数量很多、尺寸不等的微小气核；在其他条件不变的情况下，沙粒越多，即含沙质量浓度越高，则气核数量越多，越容易发生空化和发生较严重的空化．

依据水质不同，约有４～５气核，从而使含沙水中气核数量远比清水要多．为了像【７

图２单个沙粒表面的空化过程

Ｆｉｇ．２

Ｃａｖｉｔａｔｉｎｇ

ｐｒｏｃｅｓｓ

ｏｎ

ｓｉｎｇｌｅｓａｎｄｇｒａｉｎｓｕｒｆａｃｅ

计算表明，当水中含沙质量浓度为８ｋｇ／ｍ３时，假定泥沙粒径Ｄ＝０．０２ｍｍ，保守地估计每个沙粒表面寄存１０个气核，则每立方厘米含沙水中比清水时约多７００万个气核．２

表ｌ

Ｔａｂ．１

不同泥沙粒径的浑水空化压力实测平均值

Ｅｘｐｅｒｈｎｅｎｔａｌｄａｔａｏｆｓａｎｄ

ｗａｒｅｒ

ｃａｖｉｔａｔｉｏｎｐｒｅｓｓｕｒｅｏｆ

ｗｉｔｈｄｊｆ托ｒｅｎｔｓａｎｄｒａｄｉｕｓ

泥沙粒径对浑水空化压力的影响

试验表明，当站址一定、水中含沙质量浓度相同

气核数量越多的缘故．研究表明，泥沙粒径减小一半，气核的数量近乎增加一倍．在相同的装置条件下，水泵与水轮机引用水中泥沙质量浓度相同时，泥沙粒径越小，即泥沙越细，则引起的空化与空蚀越强烈．

时，不同泥沙粒径大小将显著影响浑水的空化压力特性；泥沙粒径越小则初生空化压力与临界空化压力越高．

试验前，先用筛子将同一沙质（即取自同一河道、同一位置的泥沙，沙子的矿物质成分与比例相同）的泥沙粒径分成３个等级：０．０４５～０．０５３，

０．０５３～０．０７５，０．０７５—０．１００

３浑水空蚀

浑水比清水的初生空化压力与临界空化压力高，易发生空化，这是水泵与水轮机通流元件表面易发生空蚀破坏和发生较为严重空蚀破坏的首要因素．众所周知，通流元件表面空蚀发生在空泡破灭的地方，由于伴随空泡破灭时微射流对固体表面产生持续的高频微观冲击，致使材料局部疲劳破坏与金属流失，这是空蚀的主要机理．此外还有金属腐蚀、电化学、热力学效应等次要因素【８］，也加剧了金属流失．当工质为含沙水时，在气泡溃灭时将发生夹沙

水流对固体表面的微观冲击，如图３所示．由于泥沙

ｍｍ，然后将这３种

ｋｇ／ｍ３

粒径情况的泥沙调配成相同质鼍浓度为８

的３种水样．利用空化压力测定仪分别测量３种水样的初生空化压力和临界空化压力的６次平均值，其结果见表１．

试验结果表明，当含沙质量浓度相同时，泥沙粒径越小，初生空化压力与临界空化压力越高，即越容易发生较强烈的空化，而且泥沙粒径的影响十分显著．这是因为当沙质相同、含沙质量浓度相同时，沙粒越小其总表面积越大，因而寄存于泥沙表面缝隙中的

万方数据　

９５

比重大，有些沙粒硬度较高且具有尖锐的棱角，因而对材料表面的冲击破坏力较大．这是浑水空蚀比清水空蚀破坏强度要大的第二个原因．

图３气泡崩解时的夹沙射流

Ｆｉｇ．３

Ｗａｔｅｒｅｊｅｃｔｉｏｎｗｉｔｈｓａｎｄｓｂｙｃａｖｉｔａｔｉｎｇ

ｂｕｂｂｌｅｂｒｅａｋｄｏｗｎ

考虑上述两种因素，在相同的装置条件下，浑水时发生的空化与窄蚀比清水时要严重得多．但是，如果浑水时在绕流物体表面不发生空化，就不会发生夹沙水流对固体壁面的冲击，因而不可能引起局部疲劳破坏，只可能发生沙粒对同体肇面的均匀、微小的磨削，不会构成泵与水轮机通流元件的破坏．这个道理很明硅，泵与水轮机转轮即使在含沙质餐浓度较大的黄河上运行，只在过流表面上压力较低，发生空化的局部地区引起空蚀破坏，而在广泛的与含沙水流相作用的过流表面均未发生破坏，甚至有的地方出厂时涂的红丹防锈漆也未被“磨”掉．可见，所谓单纯的“泥沙磨损”说与事实不符．浑水条件下泵与水轮机通流元件上发生的诸如蜂窝状、鱼鳞状局部破坏与金属流失，仍然是空蚀，也订丁称为浑水空蚀．

４浑水时泵与水轮机的安装高度

文献［８—９］分别给出了工质为浑水时水轮机吸出高度日计与水泵吸人高度风，的计算表达式：

如＝１０．３３一篇一莉ｒｌ一

触９ＵＵ

ｖ—Ｋ肌日，”‘。

（１）

一

Ｌ

日ｓＰ＝ｌｏ・３３一鬲Ｐｃ一羔一ｈＩ．一Ｋ盯ＰＨ，（２）

式中Ｐ。为站址一定时引用水的空化压力；矗，为站址所在的海拔高度；盯，，盯，分别为水轮机与水泵模型试验测得的空化系数；Ｋ。为考虑原模型比尺效应的空化系数的安全系数，Ｋ＝１．１—１．５；ｈ。。为泵吸水管的水力损失；Ⅳ为水头或扬程。

以往工程上取２０℃水的饱和蒸汽压力０．２４

ｍ

水柱高为式（１）和（２）中的丛值，来计算确定ＨＳＴ与

ｐｇ

以，值，这是不正确的．正确的做法是，针对具体工程，由试验所得如图ｌ所示的引用水空化压力特性，根据多年平均的泥沙过机质量浓度和工程的重要

万　

方数据９６

性、规模，选定合理的丛值，由式（１）和（２）计算确定

ｐｇ

日。，与凰，值，最后确定机组的安装高度．显然，含沙水流工作的水轮机、水泵安装高度要比清水时低，只有这样才能保障运行安全．５

浑水三维空化流场的数值计算

传统的空化流场计算，不管是针对单物体的平面

绕流还是叶片栅的空间绕流，所有工况均取窄穴内压力为常数作为求解的边界条件，并且取用２０℃、海拔高度为０时清水的汽化压力０．２４ｍ水柱高［１¨…．显然，如前所述，这一边界条件的取法是错误的，不符合空化流动的实际．

此外，在国内外所有论及空化流动的专业书籍中，都将空化流动相似准则用空化数来表征，即

Ａ＝瞥，（３）

矿＊

式中Ｐ。，秽。为无穷远来流的压力、速度；ｐ为水的密度．以往由于取Ｐ，为常数，当系统中无穷远来流压力降低时，则Ａ减小，空化发展，空穴尺寸（长度与厚度）增大；在Ａ与空穴尺寸之间形成一种错误的、人为的相似流动关系．前已述及，试验证实Ｐ，远不是常数，它与水质状况、站址海拔高度有关，不同情况下水的空化压力特性相差很大；同时，在初生空化与临界空化之间，不同空化工况的空化压力值也很不相同．因此，必须完善空化流动的相似理论，用以获得正确的理论计算与模拟试验结果．

近年来，由于数值计算的进步，古典的空化流计算方法几乎大都已被废弃¨１｜．目前，国内泵叶轮三维空化流场实用的计算方法主要分为两类：以势流为基础的三维空化流场的面元奇点解法¨２。和三维气液两相湍流计算方法¨３｜．这两种方法在实际计算应用时，都存在Ｅ述取用边界条件的错误．

不管清水或含沙水，水质状况对叶片式水力机械叶轮中空化流场计算的影响，均可通过空化压力值来反应．文献［１４］专门介绍了三维空化气液两相湍流计算方法，用于混流式水轮机转轮空化流场计算时，取用不同的临界空化压力值作为边界条件的计算结果．图４为某水轮机大流量工况时取用不同海拔高度清水时３种临界空化压力值（ｐ。＝２

４５２－３１４０６

Ｐａ），计

算所得叶片背面出水边气体组分的结果．当临界空化压力较高时，叶片背面气体组分显著增大．

图４不同临界空化压力Ｈ＃ｔ－片背面出水边气体组分

Ｆｉｇ．４

Ｖａｐｏｒｖｏｌｕｍｅｆｒａｃｔｉｏｎｏｎ

ｔｒａｉｌｉｎｇｅｄｇｅｏｆｂｌａｄｅｓｕｃｔｉｏｎ

ｓｉｄｅ

ａｔ

ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｒｉｔｉｃａｌｃａｖｉｔａｔｉｏｎ

ｐｒｅｓｓｕｒｅｓ

６结论

（１）试验证实，由于泥沙颗粒表面缝隙中寄存有一定数鞋的气核，所以浑水中气核总量远高于清水，这是浑水初生空化压力与Ｉ｜ｆ｝ｉ界空化压力均较清水时高，易发生空化和发生严霞空化的根本原因．

（２）试验证实，当沙质、水温、含沙质量浓度相同时，泥沙粒径越小则其初生空化压力与临界空化压力越高，在相同的装置条件下越易发生空化和发生严重的空化．

（３）浑水情况下，水泵和水轮机通流元件只有发生空化时，泥沙才同气泡溃灭时产生的微观水击一起对构件表面产生冲击，从而增大空蚀破坏强度．当不发生空化时，浑水中的泥沙不可能对构件表面产生局部、破坏性的泥沙磨损．

（４）泵与水轮机宅化流场计算和水利水电工程设计确定机组安装高度时，不能取用海拔高度为０时２０℃清水的汽化压力０．２４ｍ水柱高，作为发生空化的条件．必须针对具体工程站址实测出工质的空化压力特性，并以此作为计算与设计的根据．

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Ｃｈａｎｇ

Ｊｉｎｓｈｉ，ＲｅｎＪｉｎｇ．Ａｎａｌｙｔｉｃｔｈｅｏｒｙａｎｄｍｅｔｈｏｄｏｆ

３－Ｄｃａｖｉｔａｔｉｏｎｆｌｏｗｆｉｅｌｄｉｎｈｙｄｒａｕｌｉｃｔｕｒｂｉｎｅｒｕｎｎｅｒ

ｏｆ

ＴｈｒｅｅＧｏｒｇｅｓＰｏｗｅｒＳｔａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｈｉｎａＡ—

ｃｕｌｔｕｒａｌ

Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，１９９８，３（２）：９３—９９．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）

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Ｃｈａｎｇ

Ｊｉｎｓｈｉ．Ａｎａｌ”ｉｅｔｈｅｏｒｙａｎｄｍｅｔｈｏｄｏｆ３－Ｄｅａｖｉｔａ—

ｔｉｏｎｆｌｏｗｉｎ

ｐｕｍｐ

ｒｕｎｎｅｒ

ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｎｏｒｔｈ—Ｅａｓｔ

Ｐｕｍｐ，１９９９（１）：２—４．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）

［１４］

。

王

。

磊，常近时．考虑水质状况的空化流计算理论

［Ｊ］．农业机械学报，２０１０，４１（３）：７４—７９．

ＷａｎｇＬｅｉ，ＣｈａｎｇＪｉｎｓｈｉ．ＣａｖｉｔａｔｉｏｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＦｒａｎｃｉｓ

ｔｕｒｂｉｎｅｒｕｎｎｅｒｆｏｒｈｙｄｒａｕｌｉｃｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ

ｄｅｓｉｇｎ［Ｊ］．

Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ

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ｔｈｅＣｈｉｎｅｓｅ

Ｓｏｃｉｅｔｙ

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Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ

Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ，２０１０，４１（３）：７４—７９．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）

（责任编辑陈建华）

工质为浑水时水泵与水轮机的空化与空蚀

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：

常近时， Chang Jinshi

中国农业大学,水利与土木工程学院,北京,100083

排灌机械工程学报

JOURNAL OF DRAINAGE AND IRRIGATION MACHINERY ENGINEERING2010,28(2)

参考文献(14条)

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2. 杨娟丽;王均;常近时 万家寨水电站水中含沙对空化压力的影响[期刊论文]-水利水电技术 2005(05)3. 王磊;常近时 考虑水质状况的空化流计算理论[期刊论文]-农业机械学报 2010(03)4. 常近时 泵叶轮设计的三维空化流场预测理论 1999(01)

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本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_pgjx201002001.aspx