淺談水輪機汽蝕的產生、危害及預防

【摘要】水輪機的汽蝕嚴重的危害了水輪機的正常運行，在實際運行過程中我們應根據可能產生汽蝕的原因進行預防，對已產生汽蝕的機組應找出汽蝕原因并加以防止和檢修，確保水輪發電機組的正常運行，保證供電質量的可靠。

【關鍵詞】水輪機；汽蝕；翼型；空腔；間隙

1、前言

水輪機作為水力發電站中將水能轉變為電能的主要設備，其使用性能的好壞將影響著整個電站的正常運行，但是在水輪發電機組實際運行過程中，由于受到很多因素的影響，常常導致水輪機發生了嚴重的汽蝕，造成了機組出力減小、振動加劇、影響正常運行等。因此，加強對水輪機汽蝕的預防控制是非常有必要的。以下本文通過結合自身多年的工作經驗，針對水輪機的汽蝕形成原因及產生的危害作了闡述，同時總結出了一些相關有效的預防措施。

2、水輪機汽蝕的產生

根據汽蝕在水輪機中發生的部位不同，一般有翼型汽蝕、空腔汽蝕和間隙汽蝕及局部汽蝕等幾種。

1）翼型汽蝕：

翼型汽蝕它主要是由于輪葉翼型的形狀所引起的。反擊式水輪機的轉輪葉片，沿流線方向的截面為空氣動力型，水流繞葉片流動使其正面和反面造成壓差，從而使轉輪獲得力矩，一般葉片正面大部分為正壓，葉片背面為負壓。如果葉片背面壓力降低至汽化壓力時，就發生翼型汽蝕，產生大量汽泡，破壞水流正常連續性流動，導致機組出力和效率的降低。另外，由于輪葉制造材料質量不良，形狀不對及表面不光等，產生的翼型汽蝕將使輪葉形成蜂窩狀孔洞，如不及時檢修.可導致輪葉擊穿而破壞。翼型汽蝕一般發生在葉片背面出水邊下半部靠輪環處和葉片背面與輪轂靠近處。

2）空腔汽蝕：

空腔汽蝕它是由于在尾水管內的水流旋轉，使中心空腔處形成了真空而造成的。主要原因是由于水輪機在非設計工況下運行（在水輪機出力的5%限制線以外時），破壞了水輪機的法向出口，產生了脫流和旋渦，再加上整個轉輪出口的旋轉水流，在轉輪出口和尾水管進口形成一個渦帶，其中心產生很大壓降，當降至汽化壓力時，便產生了空腔汽蝕。這種渦帶以一定的頻率在尾水管內旋轉，其中心的真空帶周期性地沖擊尾水管的四周，造成對尾水管壁的汽蝕破壞，產生周期性的壓力波動，形成強烈的噪音、金屬打擊聲、轟隆聲或雷鳴聲，甚至發生放電、閃光現象，嚴重時會引起機組的強烈振動，影響水輪機的穩定運行。空腔汽蝕通常發生在水輪機座環內側和尾水管上半段。

3）間隙汽蝕：

間隙汽蝕這是水流通過某些間隙或較小的通道時，因局部流速升高，壓力降低到汽化壓力時而產生的。反擊式水輪機常發生在導葉端部間隙處和轉輪止漏環間隙處，軸流轉槳式水輪機葉片和轉輪室的間隙處。間隙汽蝕破壞范圍一般較小，但在水輪機運行中表現較突出。在間隙汽蝕的作用下，轉輪室、葉片周緣、葉片法蘭下表面以及轉輪體的局部發生破壞，高水頭的水電站較為嚴重。

4）局部汽蝕：

水流在不平的表面繞流時，由于局部壓力降低發生的汽蝕即為局部汽蝕，在軸流轉漿式水輪機中，局部汽蝕發生在轉輪室不平滑連接臺階部位，有凹陷處及葉片固定螺栓凹凸處。

3、水輪機汽蝕的危害

水輪機汽蝕對水輪發電機組的運行主要產生以下幾個方面危害：

1）破壞水輪機的過流部件，如導葉、轉輪、轉輪室、上下止漏環及尾水管等。

2）降低水輪機的出力和效率，因為空化和空蝕會破壞水流的正常運行規律和能量轉換規律，并會增加水流的漏損和水力損失。

3）空化和空蝕嚴重時，可能使機組產生強烈的振動、噪音及負荷波動，導致機組不能安全穩定運行。

4）縮短了機組的檢修周期，增加了機組檢修的復雜性。空化和空蝕檢修不僅耗用大量鋼材，而且延長工期，影響電力生產。

4、水輪機汽蝕的預防

防止和消除汽蝕主要有以下幾個方面：

1）設計制造方面：

設計合理的翼形，盡可能減小汽蝕系數，提高抗汽蝕性能，同時應保證轉輪葉片加工后的型線盡可能與設計木模圖一致，并保證葉片表面的光滑。選用抗汽蝕性好的材料，比如轉輪葉片采用不銹鋼材質，可以提高轉輪抗汽蝕能力，減輕浸蝕速度。

2）選型方面：

水輪機的翼型汽蝕與吸出高度HS有密切關系，為了減輕水輪機的汽蝕破壞，選擇合適的水輪機型號，合理的選擇水輪機吸出高度，確定合理的水輪機安裝高程。

3）運行方面：

確定合理的運行方式，根據水輪機運轉模型曲線應避免機組在汽蝕嚴重的工況運行。增加主軸中心自然補氣后增加尾水補氣，減輕空腔破壞汽蝕，并減輕汽蝕破壞產生的振動。

4）檢修方面

縮短檢修周期，采用以小修為主的檢修方法，是實現零汽蝕的有效方法，對于已產生汽蝕的表面，采用抗蝕材料堆焊結合局部翼型修正，并保證表面平整光滑。

5、總結

綜上所述，汽蝕現象是非常復雜的，不是單純某一種作用所致。汽蝕所產生的破壞嚴重影響水輪發電機組的正常運行，因此，在設計時，正確的設計轉輪及葉片翼形；安裝時，合理的確定安裝高程；合理的運行管理以及檢修時把好質量關等等都能減少汽蝕的破壞。

參考資料：

1.華北水利水電學校，《水輪機》，水利電力出版社，1979

2.武漢水利電力學院《，水輪機》，電力出版社，1980

作者簡介：陳德潤 （1978年-），工程師，黔南布依族苗族自治州水利水電勘測設計研究院