水輪機汽蝕及其處理措施探討

黃舒琴

摘要 本文主要介紹了水輪機在運行過程中的汽蝕現象，分析其產生的原因及危害，并在改進水輪機檢修方法、改善水輪機轉輪的水力、運行條件、材料等方面提出了一系列處理措施。

關鍵詞 水輪機；汽蝕；處理措施

中圖分類號 TK7 文獻標識碼 A 文章編號 2095—6363（2016）12—0065—01

1水輪機汽蝕現象

汽蝕是一種與流體力學密切相關，受到材料的物理特性以及流體力學特性的制約，是流體機械所特有的一種現象。水流在運動時主要是順著水輪機過流通道的表面，水的動能和勢能在這個運動的過程中就會轉化為機械能，局部壓力隨之下。液體內的雜質、微小的固體顆粒、液體與固體接觸面縫隙中的氣體在一定溫度下液體的氣化壓力高于局部壓力時，就會形成氣核，液體的低壓區內通常具有較多氣核，同時這些氣核會逐漸長成肉眼可見的氣泡。這些氣泡在動水壓力和自身表面張力的雙重作用下，隨著水流運動。當動水壓力超過表面張力時，氣泡就會分解成許多的小氣泡，一起在進入高壓區時潰滅。氣泡在瞬間潰滅時流體會在瞬間充滿該空間從而產生一定的沖擊力，同時氣泡在瞬時潰滅時還會產生巨大的聚能壓力。而這兩種壓力在瞬間可以達到最大的壓力和大約為2200大氣壓，能夠對固體部件表面造成巨大的破壞，這就是氣蝕。

實際上，汽蝕與氣蝕是相同的。在習慣上，泵界喜歡用汽蝕，而水輪機行業則多用氣蝕，現在干脆用空化、空蝕。空化是機器流道中局部壓力降低至臨界壓力時，水中氣核形成、成長為氣泡，并逐漸聚積、流動、分裂、潰滅的過程的一個總稱。空蝕是指空化對機器過流部件材料所造成的損壞。空化過程通常發生在液體內部和固體邊界上，但空蝕只能發生在固體邊界上。

2水輪機汽蝕的原因

汽蝕對固體部件表面的破壞有多方面的原因，其中有3個主要原因：機械原因、化學原因、點化原因。

1）機械原因。水流在水輪機中進行高速運動，同時氣泡的形成、分裂、潰滅所產生的巨大沖擊力會對水輪機過流部件表面進行頻繁而強烈的高速沖擊，在這樣的高頻沖擊下，過流部件表面的材料就很容易被破壞，這就是汽蝕的機械作用，也是造成汽蝕的主要作用。

2）化學原因。氣泡會在高壓區內進行壓縮，同時產生大量的熱能，另一方面，過流部件表面的溫度也會因為水流的高速沖擊而升高。因此，在高溫高壓下，氣泡會在金屬表面發生氧化反應。

3）電化原因。水流部件局部表面在產生高溫的同時，會與周圍的低溫材料產生溫度差，從而形成熱電偶，引起熱電效應，氣泡在高溫下放電，使金屬表面電解，破壞了金屬材料的保護層，同時也加快了機械的侵蝕作用。

3水輪機汽蝕的危害

1）會破壞水輪機的過流部件，例如：轉輪、導葉、上下漏環、轉輪室等；2）汽蝕會產生巨大的噪音和強烈的振動，這樣會導致水輪機不能安全穩定的運行；3）汽蝕會降低水輪機的效率和出力。汽蝕會打亂水流的正常流動和能量轉換，從而造成水流的漏損以及水力的損失；4）汽蝕會縮短機器的檢修間隔，增加機器檢修的復雜性，延長機器檢修的時間。汽蝕的檢修會耗費大量的鋼材，同時還需要一定的時間，影響電力的生產，給發電站造成一定的損失。

4水輪機汽蝕的處理措施

4.1改善水輪機的水力設計

翼型汽蝕通常與轉輪葉片的水力性能相關，因此可以對其轉輪葉片的設計進行一定的改進，比如：1）通過改變葉片的形狀來縮短低壓區的區域，從而使葉片背面所受到壓力的最低值盡量處于葉片的出口處，這樣就能使氣泡在葉片的外部區域潰散，減少葉片所受到的沖擊；2）在滿足剛度和強度的條件下，葉片要盡量做到輕薄。因為如果葉片的厚度過大，就會引起較大的汽蝕系數；3）在葉片背面的端部裝設防蝕片；4）采用襟翼結構，即長短葉片相間；5）加長轉輪的泄水錐，加長尾水管的直椎管部分，并加大尾水管的擴散角角度。

4.2提高加工工藝水平，采用抗腐蝕材料

1）硬度高的材料抗腐蝕能力強；2）拉伸強度、延性以及屈服強度大的材料，抗腐蝕能力強；3）高彈性的材料具有很強的延性，具有較強的抗腐蝕能力；4）晶粒越細密的材料，其抗腐蝕能力越強，而合金能夠改善金屬的晶粒性質，因此可以多使用合金材料；5）材料內部的非溶解物質即不純物質越多，其抗腐蝕能力就越強。綜上所述，抗腐蝕材料應具備硬度高、韌性強、彈性強、晶格細密等特性。

4.3改善檢修工藝方法

我們可以縮短檢修的周期，盡量在平時就能夠做到多檢查、勤修理，在水輪機出現小問題時就進行修理，避免問題擴大，從而影響工作進度，造成更大的損失。

4.4改善運行條件，采取適宜的運行措施

我們根據實際狀況，合理地擬定了水電站的普遍運行方式，從而提出以下改善措施：1）調整水庫的調度方式，盡量地減少低水頭、低負荷的運行時間，使轉輪中心能夠出現一定的真空帶；2）在轉輪下部補氣，可以破壞真空，降低真空度，破壞真空渦帶的形成，減輕汽蝕破壞。補氣可以分為主軸中心補氣和尾水管補氣。由于尾氣管的補氣及補氣量大小對水輪機處理會造成一定的影響，因此，只有水輪機在運行時偏離最優工況時，我們才需要考慮對水輪機進行補氣，并根據它的偏離狀況來決定補氣量的大小。

5結論

水輪機的汽蝕是不可能完全消除的，但我們可以通過改善水輪機的水力設計、增進水輪機的加工工藝水平，選取抗腐蝕材料、提高檢修工藝、改善運行條件等方式，來盡量減少水輪機的汽蝕損耗，更好地發揮水輪機的出力和效率，以延長水輪機的使用壽命，為發電站爭取最大的經濟效益。endprint