淺談水輪機的空蝕及防治

摘 要：文章分析了水輪機產生空蝕的原因與危害，從設計制造、運行和檢修3個方面采取措施。

關鍵詞：水輪機 ；空蝕；防治 ；措施

中圖分類號：TK73 文獻標識碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20170732020

桐城市牯牛背水庫二級電站為引水式電站，裝機容量2×200kw，水輪機型號為ZD560—LMY—60，轉輪葉片裝置角ψ =+10°，設計發電流量2.22m3/s，設計水頭8m，最高水頭12m。電站自1995年5月投產以來，水輪機空蝕（曾名“氣蝕”）比較嚴重，直接威脅機組的安全運行，影響機組的出力和效率。因此，結合空蝕產生的機理采取防治空蝕的措施，效果顯著。

1 水輪機空蝕的產生

從空蝕發生的位置來看，水輪機空蝕類型主要包含3種，分別為翼型空蝕、空腔空蝕及間隙空蝕。

1.1 翼型空蝕

指空蝕發生在轉輪上，經轉輪轉化，水能變為機械能，此時，水壓力會作用于每個葉片上，通常，正壓力及負壓力分別位于葉片的正面及背面，降低背面壓力，且成為汽化壓力后，空蝕產生。輪葉制造過程中，如果存在葉片形狀不正確等問題，會降低輪葉的質量。最為普遍的空蝕位置即為輪葉背面，背面出水邊下半部與下環處接近位置、葉片背面接近上冠位置均較易發生空蝕，嚴重時，背面其他部位也會出現空蝕，甚至出現在正面。翼型空蝕發生后，蜂窩狀孔洞出形成于葉片上，破壞葉片，水流連續性受到影響后，會降低機組的運行效率。

1.2 空腔空蝕

水流旋轉形成于尾水管內時，導致真空形成于中心空腔出，造成此種類型空蝕。非工情況下，水輪機的運行導致其法向出口遭到破壞，使脫流與漩渦形成，再加上整個輪轉口的旋轉水流，造成大旋流形成于轉輪出口與尾水管進口。大旋流中心所形成的壓降非常大，達到汽化壓力狀態后，空腔空蝕產生。在尾水管內，大旋流的旋轉頻率一定，因此，尾水管四周會受到其中心真空帶周期性的掃射，導致空蝕破壞尾水管壁，使周期性壓力波動產生，造成強烈噪音、金屬打擊聲等產生，甚至出現放電等現象，對水輪機運行的穩定性產生影響。

1.3 間隙空蝕

水浪通過通道比較狹窄或為間隙時，由于升高局部流速，降低壓力，達到汽化壓力后，產生間隙空蝕，水輪機如為反擊式，導葉端部、輪轉止漏環的間隙出為間隙空蝕的發生位置。通常，間隙空蝕發生后，并不會較大范圍的造成破壞，但其在運行時的表現比較突出。受到間隙空蝕的影響，破壞會發生在輪轉室、葉片周緣等位置。

2 水輪機空蝕的防治

是否產生空蝕主要取決于水輪機結構性能、生產工藝以及運行工況等，防治水輪機的空蝕主要采取以下3個方面的措施。

2.1 設計制造方面

2.1.1 設計合理的翼型

盡可能地提高抗空蝕性能。為改善翼型，使轉輪葉片呈光滑的流線形，應盡可能使葉片上壓力分布均勻并縮小低壓區；葉片上特別是背面不應存在“鼓包”，使水流平順；葉片出口應造得較薄，整個過流道的幾何尺寸比例應合理，葉片數目不能過小。運行實踐證明，合理的可減少空翼型設計。

2.1.2 提高制造工藝水平

選擇合理的轉輪材料轉輪葉片鑄造與加工后的型線，應盡可能與設計木模圖一致，保證原型與模型水輪機幾何相似。在運行水輪機中，有于模型設計中翼型不合理而使原型水輪機空蝕嚴重的情況，鑄鋼質量對空蝕影響很大，為了提高轉輪抗空蝕能力，采用不銹鋼抗蝕材料制造轉輪，以減緩侵蝕速度。在制造中加強鑄造及加工工藝的檢查，保證翼型型線準確，減少表面凹凸不平度和高的表面光潔度，使葉片符合設計的翼型，能有效地提高抗空蝕能力。

2.1.3 安裝方面

木輪機的翼型空蝕與吸出高度有密切關系，為了減輕水輪機空蝕破壞，選擇合適的木輪機型號，合理確定水輪機吸出高度，確定水輪機的安裝高度。

2.2 運行方面

2.2.1 合理確定水電站的運行方式

運行期間，工作人員需對水輪機生尾水管真空表上的數值定期檢查，并準確的記錄每次檢查的具體數值，以對其工況做出優化，保證處于最優狀態中。此外，水輪機運行過程中，應盡量避免運行狀態處于低負荷、低水頭中，防止運行工況區域處于嚴重空蝕位置。

2.2.2 空蝕補氣

將補氣裝置增加到其中，補氣給尾水管，一定程度上減輕空蝕震動及空蝕破壞。十字架補氣鋼管需設置在尾水管進口處，通常，補氣鋼管的直徑應超過3cm，將適量的出氣孔均勻的布置在管壁上。經尾水管壁，十字架補氣管道由一根總管接出外面，以水流為參照，背向設置總管出氣孔的開孔方向，由此一來，即可避免補氣管中進入4種壓力較高的水流，保證補氣管的正常運行。機組運行時，應以實際運行情況為為依據，將大氣或壓縮空氣由外面送入，給低壓區補氣時，通過十字架上小孔進行，以使真空壓力降低，對真空渦帶形式做出破壞，使空蝕減輕。

2.3 檢修方面

2.3.1 及時檢修、補焊

對于空蝕嚴重到什么程度補焊，要根據電站運行的實際情況而定，但不能等到空蝕嚴重導致穿孔時再補焊。對已遭受空蝕的轉輪葉片，一般對深度為1mm左右的空蝕損失，只需進行打磨使其平整。對于空蝕破壞嚴重的葉片，則需要進行堆焊（先制造葉片樣板），深度在2mm以下的區域可直接打磨，然后進行堆焊；深度大于2mm的，用氧焊氣割，角向磨光機打磨，清理至基本金屬，然后進行堆焊，再按樣板依原型打磨光滑，清掃葉片，然后涂上一層防銹漆。堆焊材料采用不銹鋼電焊條，以提高抗空蝕性能。檢修一定要定期及時，堆焊的面積和厚度一定要足夠，否則達不到預期效果。

2.3.2 改善葉片，減輕空蝕

結合空蝕補焊進行轉輪葉片改型，不僅僅是單獨的修補空蝕部位，而且根據轉輪各葉片中損傷最輕的，即空蝕性能最好的翼型來修改其它翼型。一般來說，空蝕性能好的翼型顯然是比較適應水流的情況，故其產生空蝕的程度也較輕微。因此測繪好的翼型并按此來修改空蝕性能壞的葉片效果很好。本電站2臺轉輪葉片空蝕比較嚴重，經過對葉片進行改型，割除葉片中不合理的“鼓包”，使葉片空蝕性能有顯著改善，延長了檢修周期，幾年來機組運行實踐證明，改型后的葉片空蝕輕微，機組的出力和效率也明顯提高。

參考文獻

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作者簡介：李修文（1969- ），男，安徽桐城人，工程師，從事水利水電工程管理。