水輪機的空蝕機理分析與對策探討

陳俊

摘 要：在水輪機運行的過程中，空蝕是一種極為常見的問題，一旦出現就會導致水輪機的運作效率降低，影響整個系統的運行。隨著技術的發展與進步人們對于空蝕的了解也越來越深入，但是到目前尚未能夠完全避免空蝕的出現。近年來，我國水利工程的發展進入了全新的階段，在此加強對水輪機空蝕極其對策的研究具有極其特殊的意義。

關鍵詞：水輪機；空蝕機理；對策

1 空蝕的機理作用

水在周圍環境壓力達到一定的強度時將會發生汽化，對于水的汽化臨界壓力成為汽化壓力。在研究中發現水的汽化壓力并不是一層不變的，其在不同的溫度環境下會發生一定的變化，通過實驗發現，改變水環境的溫度將會導致水的汽化壓力發生變化，具體的變化如圖1所示：

圖1 水溫與飽和汽泡壓力關系曲線

通過水溫與飽和汽泡壓力關系曲線圖可以看出，水的汽化壓力隨著水溫的升高而升高，也就是說當水環境的溫度降低時水的汽化壓力也會降低。水輪機在運作過程中會保持水的穩定流動，但是在水流速度加快時會導致區域內的壓力降低，這時候就容易導致環境壓力低于溫度的汽化壓力，從而導致水的汽化。一旦水輪機周邊的水發生汽化就很容易導致空蝕現象的發生。

2 空蝕的破壞作用分析

通過研究發現空蝕對于水輪機表面的金屬材料破壞主要有3種作用，分別是機械作用、化學作用以及電化作，在這其中物理作用的破壞作用最大。

2.1 機械作用

在水輪機轉動的過程中水流在水輪機內會因為流速的提升而導致局部的壓力降低，而壓力降低以后會導致水的汽化壓力降低，則水就會發生汽化，這時候就會導致水輪機流道內發生水的汽化。這時候水體內的氣體因為水的汽化會開始聚集釋放，這時候水道內就會出現大量的氣泡，這些氣泡既有水蒸汽又有水內的氣體。當這些氣泡在離開低壓力區域時就會導致氣泡的破裂，一旦氣泡破裂會產生巨大的沖擊，在沖擊作用下氣泡內的氣體回到水中，與水流劇烈收縮從而形成高壓的水核，水核在高速膨脹下沖擊周邊的水體環境，并對于水輪機表面產生沖擊，從而破壞水輪機表面的金屬。這樣的過程在發生空蝕時持續產生的，因此在不斷的沖擊下會導致水輪機被破壞。

2.2 化學作用

化學作用主要的還是源自于水體內含有的各種化學物質，當氣泡破裂的瞬間會釋放出大量的熱量，并且產生較強的壓力。在高溫高壓的環境下會導致化學離子活躍性得到提升，從而促進這些離子與金屬發生氧化還原反應，具體的反應如下：

2Fe+3Cl2=2FeCl3

4Fe+3O2=2Fe2O3

這樣的化學作用下導致了金屬部件損壞速度加劇。

2.3 電化作用

電化作用主要是因為氣泡破碎的瞬間產生的高溫導致了局部材料形成較大的溫差，從而形成了熱電偶，這時候材料內有電流通過會導致熱點效應，產生電化的腐蝕，使得金屬材料被破壞。

3 水輪機空蝕應對方法

3.1 更換水輪機轉輪

在研究中發現水輪機發生空蝕有很大一部分原有時因為水輪機與發電機的轉數不匹配而導致的，這種情況下更換水輪機就是解決空蝕問題的最好方法。通過更換水輪機，使其與發電機實現轉數的匹配能夠有效的降低空蝕發生的概率。

3.2 采用抗蝕材料

空蝕的產生會導致水輪機的損壞，而在進行水輪機的制造時如果選用抗蝕材料來進行水輪機的制造就能夠有效的降低這一現象的危害。對此可以先進行實驗，對于不同材料的抗蝕性能進行比對，從而最終得出最佳的材料，抗蝕的水輪機材料應當具有：可焊性好、應變硬化好、晶格細、抗拉力強、韌性好以及疲勞極限高等特點。

3.3 改進加工工藝水平

在進行水輪機加工的過程中如果能夠改善水輪機的加工攻擊能夠有效的降低水輪機的破壞，降低空蝕對于水輪機的危害。對此應當不斷的改進水輪機加工工藝。在進行水輪機加工的過程中一定要確保翼型的正確，此外還應當保證葉片表面的光滑，還需要確保水輪機的強度以及抗蝕性能。

4 國內改善空蝕性能實例

近年來，我國水電發展迅速，新建起的水電站結合以往的經驗，采取直接而有效的措施抵制和防止水輪機空化與空蝕，從選材、設計、制造、裝置均采用最先進的水力設計理念和技術，盡量降低空蝕的破壞。

向家壩水電站是中國第三大水電站，是金沙江水電基地的最后一級水電站。就轉輪葉片葉型而言，向家壩轉輪未采用傳統的、常規的正傾角水輪機葉片，而是使用進水邊前傾的負傾角葉片，這種葉片可減少葉片進水邊背面的脫流，對工況的變化有更好的適應性。經CFD分析和模型試驗表明，負傾角葉片正、背面壓力分布均勻，下環進水邊無局部低壓，即負傾角葉片轉輪的水力穩定性、抗空蝕能力均優于傳統的正傾角葉片。向家壩水電站采用整體轉輪，轉輪的材料采用全不銹鋼材料，可以很好的提高水輪機的空蝕性能。

5 結語

在水輪機運行過程中空蝕是一種普遍存在的現象，其不僅會產生較強的噪聲，還會導致水輪機受損，影響整個系統運行的效率與壽命。因此在進行水電站設計的過程中一定要充分的考慮水電站的各方面因素，選擇最為恰當的水輪機型號。此外還應當不斷的加強技術，努力的提升水輪機加工工藝，努力的確保我國水電站水輪機的穩定運行。

參考文獻

[1]趙雙杰.水輪機的空蝕機理與舉措[J].價值工程，2016，35（18）：112-113.

[2]李星辰，強海軍，陳勇.銅街子水電站水輪機轉輪室空蝕缺陷研究與處理工藝[J].水電與新能源，2016，（8）：49-50.

（作者單位：黔東南州地方電力總公司鎮遠分公司）