水輪機空蝕與磨損現象分析

胡維光

(國網湖南省電力公司，湖南 長沙410007)

水輪機空蝕與磨損是影響水輪機運行壽命的重要原因之一。對于水輪機空蝕及磨損的產生和發展，國內外已有很多研究，特別是空蝕產生的機理及其預防，國內外學者有大量的研究成果。但是，對于泥沙磨損的認識卻不盡相同，特別是當空蝕與磨損同時作用時，如何定性分析兩者之間的相互作用關系，是目前中外學者普遍關心的問題。

文章提出作者對水輪機空蝕與泥沙磨損的認識。因不具備實驗室試驗條件，無法做進一步的理論分析和研究論證，有些觀點只是感性上的認識，還需有興趣的實驗室做進一步的試驗研究。

1 水輪機空蝕與磨損的定義

1.1 空蝕是指在空蝕單獨作用下的破壞

空蝕即是微小氣泡的形成、發展、潰裂對過流表面產生的物理化學作用。物理作用主要是氣泡潰裂產生高壓流體對金屬表面的機械破壞;化學作用來源于局部高溫和氧化。當然，有些由于河流中含有大量其它化學物質，也易對水輪機過流表面產生腐蝕性破壞(文中不予討論)。

由于水具有容積強度，因而能抵抗氣泡的破裂，但是容積強度與水的清潔度成正比。當水中雜質含量增加時，空蝕就會加大、加快，如果不考慮磨損的影響，這種破壞僅僅是空蝕破壞，只是雜質的存在增加了空蝕破壞的速度。

對水輪機而言，空蝕破壞以物理作用為主，作用的結果是在金屬表面出現麻點和凹坑，呈蜂窩狀。

1.2 磨損是指在泥沙單獨作用下的破壞

通過日常觀察與試驗可以看出，任何表面被摩擦后均是平整而光滑的，水輪機表面被泥沙摩擦后也應該如此，即表面應是平整而光滑的，摩擦表面沒有麻點和凹坑。

作者認為造成水輪機的磨損破壞的原因是:當水流對金屬表面進行沖擊時，由于角度的偏差，水流中的泥沙對金屬表面產生撞擊和切割，這時金屬表面就會出現麻點和刮痕，這種撞擊和切割反復進行導致破壞加大，即為泥沙對金屬表面的破壞。需要指出的是，這種破壞是泥沙對金屬表面的反復撞擊和切割的結果，是水流方向與金屬表面形成沖擊角度造成的。

1.3 空蝕與泥沙共同作用下的破壞稱為磨蝕

當水輪機在空蝕與磨損共同作用下，空蝕使水輪機表面產生麻點和凹坑，而水流中的泥沙則對這些麻點和凹坑進行反復的沖刷(即磨損)，泥沙的磨損加劇了空蝕的發展。在空蝕與磨損的反復作用下，麻點和凹坑逐漸擴大，形成較大面積和一定深度的破壞。

另外，泥沙的磨損與撞擊也導致葉片表面局部溫度升高，水流更易汽化，使水流空化而產生空蝕。

空蝕與磨損共同作用、泥沙的撞擊和切割與空蝕共同作用，這種破壞均稱為磨蝕破壞。

2 水輪機磨蝕現象分析

水輪機磨蝕破壞一般出現在葉片背部、葉片進出水邊、迷宮環等間隙部位以及導葉的進出水邊、上下端面間隙等部位。

2.1 葉片背部磨蝕(空蝕磨損破壞)

如前所述，如果沒有空蝕的發生，水輪機表面在磨損單獨作用下只能將葉片磨薄(不考慮泥沙的撞擊和切割)，且其表面應是平整光滑的;而如果只有空蝕發生，則水輪機過流表面將變為具有麻點和凹坑的空蝕表面。也就是說，如果不發生空蝕，葉片表面是不會發生破壞的，這種在水輪機葉片上發生的空蝕被認定為翼型空蝕。

實際中也可以看到，磨蝕嚴重的區域一般都是葉片背面易發生空蝕的區域。如果是單純泥沙磨損，由于葉片正面的壓力較大，葉片正面應該產生更嚴重的磨蝕，但是實際中并非如此，說明在葉片正面，由于無空蝕發生，泥沙磨損只對表面起摩擦作用而未產生破壞。

所以，水輪機過流表面(葉片背面)應該首先產生翼型空蝕，而后水流中的泥沙則對這些麻點和凹坑進行反復的沖刷，空蝕和磨損逐漸擴大，形成較大面積的磨蝕。某水電廠機組轉輪葉片背面磨蝕情況如圖1 所示。

當這種空蝕的破壞速度小于或等于磨損的發展速度時，其結果在水輪機表面出現類似魚鱗的現象，常稱為魚鱗坑。

目前，一般將水輪機表面產生的魚鱗坑認定為是泥沙磨損的結果。作者認為，魚鱗坑應該是在空蝕與磨損的雙重作用下產生的，而且空蝕的破壞速度小于或等于磨損的發展速度時，才會產生魚鱗坑。即每當空蝕破壞發生后，其產生的麻點迅速被泥沙磨損、擴大，如此反復，麻點逐漸擴大并連接成片，形成魚鱗坑。

相反，當空蝕的破壞速度大于磨損的發展速度時，則其破壞主要表現為空蝕破壞的現象。在泥沙磨損輕微的水中運行的水輪機，由于泥沙磨損很小，故看到的只有空蝕破壞。

這種由空蝕導致磨蝕的破壞，文中稱之為空蝕磨損破壞。

通過以上分析可以認為，在多泥沙河流中運行的水輪機，出現魚鱗坑的區域說明空蝕指標相對較好;而只出現深度空蝕現象的葉片，則說明空蝕性能較差。

從圖1 中知，葉片前半部是魚鱗坑狀，尾部部分區域則顯現出空蝕狀態，這說明葉片前半部空蝕指標相對較好，空蝕產生的麻點迅速被泥沙磨蝕，如此反復，麻點逐漸擴大并連接成片形成魚鱗坑;而尾部部分區域出現空蝕，說明該區域的空蝕性能相對較差，空蝕發展速度大于磨損速度。

2.2 葉片進出水邊端部磨蝕(沖擊空蝕破壞)

多泥沙地區的水輪機一般在葉片的進水邊會出現不規則的磨蝕情況，這是因為在進水邊由于水流進入角度不同，如在非最優工況下，水流方向與葉片成一定角度，造成水流中的泥沙直接對葉片頭部的撞擊和切割，如此長時間的作用，葉片的進水邊必然出現不規則的缺陷，而這些缺陷也容易導致在此處發生空蝕，如此反復作用，使破壞加劇，越到外緣磨蝕越嚴重。值得注意的是，此處的缺陷首先是由泥沙的撞擊和切割造成，然后才發生空蝕，泥沙撞擊與空蝕的反復作用使破壞加劇。

同樣道理，有些水輪機在葉片出水邊也出現一些與進水邊相似的磨蝕破壞現象，這是因為當水流即將離開水輪機流道時，水流中的泥沙對后面的葉片進行沖刷(撞擊和切割)，這種沖刷就像刀子對葉片出水邊端部的切割一樣(如圖2)，使葉片出水邊端部被破壞，進而導致空蝕發生，在泥沙沖擊與空蝕的反復作用下使其破壞加劇。同樣道理，葉片出水邊的磨蝕也是越到外緣磨蝕越嚴重。

2.3 間隙磨蝕

間隙空蝕是造成水輪機空蝕破壞的主要原因之一，這是高速水流作用的結果。如果水流中又含有大量泥沙，則在空蝕與磨損相互作用下，磨蝕更加嚴重。一般來說，水輪機間隙中(如迷宮環、抗磨板等)產生的磨蝕，首先發生的是間隙空蝕，然后在空蝕與磨損的雙重作用下加劇。同時，由于在間隙中存在泥沙顆粒，會對間隙兩邊的金屬產生2 種影響:1)在該顆粒周圍產生局部脫流，進而產生空蝕;2)該顆粒對兩邊金屬已不是摩擦，而是對金屬的切割，當顆粒硬度較高時，這種切割破壞力更加大。

以上3 種破壞(間隙空蝕、局部脫流和泥沙顆粒的切割)相互作用，造成間隙兩邊金屬的嚴重破壞。這種磨蝕主要是間隙空蝕與泥沙的存在造成并擴大的結果，與單純的間隙空蝕不盡相同。

3 磨蝕的預防

對于多泥沙河流，不可避免空蝕與泥沙對水輪機的破壞，但是通過一些途徑，可以適當減緩和減輕磨蝕對水輪機的破壞。

3.1 魚鱗坑磨蝕(空蝕磨損破壞)

根據前面分析，魚鱗坑磨蝕產生的主要誘發原因是翼型空蝕，泥沙磨損只是加大、加快葉片表面的破壞范圍和速度。

針對翼型空蝕，在設計、制造環節對水輪機葉片翼型進行優化和保證，盡量避免翼型空蝕發生的可能;而對由于泥沙的摩擦與撞擊導致葉片表面局部溫度升高造成水流空化產生的空蝕，可以通過增加吸出高度的辦法得到適度的減輕，但這也是很難做到的。

3.2 葉片進出水邊端部磨蝕(沖擊空蝕破壞)

根據前面分析，這2 種磨蝕均為泥沙對金屬表面的撞擊與切割造成的，如果泥沙的硬度又比較大，則對表面的破壞更大。

所以，預防這2 種磨蝕主要應該從提高材料的硬度方面考慮，特別是進出水邊材料的硬度，如果有可能，可以在葉片的進出水邊增加高硬度的材料，以減緩磨蝕的發展速度;另外就是盡量避免水輪機在非優工況下的運行，以減小水流與葉片進水邊的沖擊角度。

3.3 間隙磨蝕

間隙磨蝕是指發生在水輪機間隙中(如迷宮環、抗磨板等)的磨蝕。

為了保證水輪機的能量指標，一直以來都將間隙設計得很小，所以在間隙中極易產生空蝕，對于在清水中運行的水輪機，由于在設計、制造及材料選擇等方面均采取一定的措施，這種空蝕破壞并不嚴重，而且目前使用的材料基本上可以部分緩解這種磨蝕。

但是，在多泥沙中運行的水輪機，由于泥沙的存在特別是硬顆粒對金屬的切割，對金屬表面的破壞相當嚴重。所以是否可以考慮采取降低某些能量指標、適當增加間隙等辦法，以減少這種破壞的幾率。另外，還應該通過提高間隙兩邊金屬的硬度來提高其抗磨性。

4 結論

根據以上分析認為，水輪機磨蝕主要表現有以下方面:

4.1 空蝕磨損破壞

主要發生在葉片背部，翼型空蝕引起，泥沙磨損加速并擴大破壞。

當空蝕的破壞速度小于或等于磨損的發展速度時，在水輪機表面出現魚鱗坑;當空蝕的破壞速度大于磨損的發展速度時，則其破壞主要表現為空蝕破壞的現象。

在多泥沙河流中運行的水輪機，由于空蝕的破壞速度小于或等于磨損的發展速度，一般出現魚鱗坑狀。

出現魚鱗坑的區域其空蝕指標相對較好，而只出現深度空蝕現象的葉片，說明其空蝕性能較差。

4.2 沖擊空蝕破壞

主要發生在進、出水邊端部，泥沙直接對葉片端部的沖擊或切割引起端部破壞，相繼產生空蝕。

4.3 間隙磨蝕破壞

主要發生在水輪機間隙中(如迷宮環、抗磨板等)，是間隙空蝕和泥沙顆粒造成的局部脫流與切割聯合作用結果。