高速水流对水力机械的影响

高速水流对水力机械的影响

谢俊华

（国网四川省电力公司自贡市荣州供电分公司四川自贡643000）

摘要：高速水流会空蚀并磨损水利机械，影响到了水电站的安全与经济运行，本文主要针对水力机械在高速水流作用下的运行影响问题，从多个角度来研究并分析高速水流对水力机械的影响作用，并结合笔者多年相关工作经验基础上，来研究消除高速水流对水力机械影响的主要措施，以便提高水力机械运行的期限与寿命，深入研究高速水流对水力机械的影响具有现实价值意义，在某种程度上可以提高水力机械受高速水流的抗磨蚀效果。

关键词：高速水流，水力机械，影响，措施

1.引言

我国含有较多的水资源，而在整个能源结构中水力发电占据重要作用。而我国大多数水流资源中都含有较多的沙子，在高速水流的作用下，这些高冲击能力会严重磨损水力机械，减弱水力机械的作用与工作效率，增加了水利机械的更换与维修次数，在一定程度上增加了水利水电建设的成本。水流在高速运动中会产生脉动现象，而水力机械固壁在与高速运动的水流接触过程中很可能出现空蚀与空化现象。大流量高水头的水力水电工程往往会产生较高的流水速度，这也被称为是高速水力学问题，这在一定程度上会对水力机械造成影响，因此要采取有效的消能措施来降低或消除高速水流对水力机械的影响，以提高水利机械的运行期限与寿命，促进水利水电工程的健康与持续发展。

2.高速水流对水力机械的影响分析

2.1水力机械受高速水流影响的空蚀理论与现象分析

（1）理论与现象分析：液体设备与机械中特有的现象与物理过程就是空蚀，空蚀作用会极大的破坏水力机械的材料，影响水力机械设备的指标性能。在初期人们发现水力机械设备在短时间运营内就出现了磨损与损坏，这些都是由于水力机械在高速水流作用下所产生的一种空蚀现象所造成，又称为空泡腐蚀以及气蚀，这是破坏水力机械的主要原因之一。

空蚀作用比较轻微的话会导致水力机械的金属表面变暗没有光泽，或者表面变成针孔状、麻点等，而受高速水流的影响会对水力机械产生较大的空蚀作用，此时水力机械金属表面会出现蜂窝状，并且在持续高速水流的影响下还会导致水力机械局部的脱落、穿孔、振动或者破裂现象。高速流蕴含着较强的能量，而空蚀作用则破坏了高速水流的连续性，使得高速水流在质点的碰撞之间会将一部分能量消耗掉，降低了水力机械的运行效率。

（2）影响机理分析：水力机械受高速水流影响而产生空蚀的主要原因就是，水力机械的金属表面在高速水流的动力学作用下而受到破坏。在水力机械固体表面产生空蚀破坏，而导致其发生的主要原因有电化学作用、化学腐蚀作用以及机械作用，其中我们认为水力机械受到高速水流影响而出现破损的主要机理就是机械作用。相关研究学者认为水力机械过流壁面出现空蚀破坏现象主要是由于空泡在破灭的时候产生冲击波以及微射流的强大冲击作用造成。在一定温度及压力作用下，高速水流可以转化为蒸汽，并伴随着压力的变化不断变化。而根据水力机械受高速水流各点的压力影响可知，其受到高水速动量水力学方程为：

常数=v2/2g+p/r（1）

其中：gk=r

因此可以将（1）动力学公式化为：常数=kv2/2+p（2）

k表示单位体积的流体质量；g表示重力加速度；v表示某点高速流体的速度；r表示单位体积所包含的液体重力大小；p表示水力机械某点受气体的压力大小。kv2/2则表示在单位体积流体下所具有的动能大小。

通过实测与计算可知，溃灭游移型空蚀的时候，在水力机械近壁处会产生每秒六百米的高射流速度，而水力机械物体表面受到的冲击压力可达到五十八吉帕,而表面受到的高速水流冲击次数每秒达到上千次，水力机械受到冲击脉冲的每次作用时间只有几微秒，在这种高速水流以及高冲击作用下会直接破坏水力机械的物体表面，

2.2高速水流对水力机械的具体影响分析

水力机械在高速水流作用下形成的冲蚀磨损过程比较系统且复杂。之所以水力机械表面会出现一些磨损现象，就是在高速水流作用下，水流中的砂砾会在高冲击力下而破坏水力机械的设备材料表面，而水力机械受到磨损程度受到机械设备材料性能、水流含沙量、水流速度、水力大小等的影响。高速水流会产生较大的冲击力，极大的影响着水力机械的运行质量，同时还会破坏到水力机械的自身性能，增加了机械维修与更换的次数，在某种程度上来说增加了了水利水电建设的成本。水力机械的空蚀就是高速水流将设备表面形成一个空化区域，而随着空泡的消失，会在水力机械表面产生较大的水锤压力，导致表面材料出现了疲劳性的破坏。因此水力机械空蚀与磨损的损坏程度受到高速水流流速大小的影响而存在一定的差异。当水力机械表面出现磨损后，就会将低水力机械表面的性能，同时受到空蚀的渗透影响还会导致机械表面的材料逐渐脱落，甚至会对整体水力机械的设备造成破坏。

3.研究消除并将低高速水流对水力机械破坏影响的有效措施

综合近些年的经验与实践可知，想要降低高速水流对水力机械的影响可以采取以下几种措施办法，以便消除高速水流对水力机械的破坏影响，并提高水力机械的运行质量，延长其运行的期限与寿命，降低维修与更换机械的次数，提高社会经济效益水平。

（1）合理布置机械设备：在统一设计水电站的水力机械时要充分结合周围地形条件以及站点环境，河道的设计要基于地形基础来进行，并合理布置水工建筑物，以便降低水力机械周围高速水流中泥沙的经过，防治好水流中的粗颗粒泥沙。另外还要结合水库整治并调整泥沙，以便降低高速水流中的泥沙含量，降低其在高速水流冲击力下对机械设备的破坏影响。比如我国三门峡水电站在降低高速水流对水力机械的影响处理上，结合河床的基本特征以及地形条件，安全并合理的控制含沙量与水流流速，有效降低水力机械中的含沙量大小。

（2）对水力机械的结构进行优化：科学的设计可以有效降低河流的流动速度，以减少脱流现象的出现与产生，避免泥沙腐蚀并破坏水力机械。在设计的时候，相关人员要改进并优化水力机械的结构，确保水流保持稳定与均匀性的流速，以便改善水力机械的特征与性能，提高水力机械受高速水流的抗腐蚀能力。为了避免水力机械与固体颗粒之前的碰撞与冲击，还要结合机械化方法来改变河道内的水流流动状况，以便不断优化与改进水力机械的运行状况，提高水力机械的抗腐蚀与磨损能力。另外为了避免高速水流中的泥沙对水力机械的破坏，还可以在设计水力机械的时候设置一定的导轮，以便结合其导向作用降低高速水流中的泥沙含量，避免这些泥沙颗粒物聚焦在水力机械设备上，以降低高速水流对水力机械的破坏影响。另外还可以结合调节射流的方式来消除影响，以便提高水力机械的性能，延长使用的期限与寿命。

（3）对水力机械的主体材料进行优化：为了降低水力机械受到高速水流的破坏影响，还要研究高速水流下水力机械设备材料的抗破坏与磨损问题，从选择水力机械的材料上入手，降低其在高速水流下受到的破坏与磨损现象。结合相关经验与具体实际可知，水力机械在选择主体设备材料的时候要选择那些疲劳极限高、质量结构密度高并硬度韧性高的综合材料，以便提高水力机械的性能与质量，使其在高速水流的影响下不会产生较大的磨损与破坏。

4.结束语

总而言之，我国水力机械在高速水流的作用影响下会产生较大的磨损与破坏，严重影响到了水力机械设备的运行质量以及使用寿命，新时期我们要研究高速水流破坏水力机械的影响机理，以便找到合适的措施来消除或降低水力机械受到高速水流的破坏影响，提高水力机械设备的综合质量水平。

参考文献

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[2]张灿.水力学与河流动力学在河流泥沙研究中的应用[J].水利学报.2012，01（9）：22-23