水轮机汽蚀及其处理措施探讨

黄舒琴

摘要 本文主要介绍了水轮机在运行过程中的汽蚀现象，分析其产生的原因及危害，并在改进水轮机检修方法、改善水轮机转轮的水力、运行条件、材料等方面提出了一系列处理措施。

关键词 水轮机；汽蚀；处理措施

中图分类号 TK7 文献标识码 A 文章编号 2095—6363（2016）12—0065—01

1水轮机汽蚀现象

汽蚀是一种与流体力学密切相关，受到材料的物理特性以及流体力学特性的制约，是流体机械所特有的一种现象。水流在运动时主要是顺着水轮机过流通道的表面，水的动能和势能在这个运动的过程中就会转化为机械能，局部压力随之下。液体内的杂质、微小的固体颗粒、液体与固体接触面缝隙中的气体在一定温度下液体的气化压力高于局部压力时，就会形成气核，液体的低压区内通常具有较多气核，同时这些气核会逐渐长成肉眼可见的气泡。这些气泡在动水压力和自身表面张力的双重作用下，随着水流运动。当动水压力超过表面张力时，气泡就会分解成许多的小气泡，一起在进入高压区时溃灭。气泡在瞬间溃灭时流体会在瞬间充满该空间从而产生一定的冲击力，同时气泡在瞬时溃灭时还会产生巨大的聚能压力。而这两种压力在瞬间可以达到最大的压力和大约为2200大气压，能够对固体部件表面造成巨大的破坏，这就是气蚀。

实际上，汽蚀与气蚀是相同的。在习惯上，泵界喜欢用汽蚀，而水轮机行业则多用气蚀，现在干脆用空化、空蚀。空化是机器流道中局部压力降低至临界压力时，水中气核形成、成长为气泡，并逐渐聚积、流动、分裂、溃灭的过程的一个总称。空蚀是指空化对机器过流部件材料所造成的损坏。空化过程通常发生在液体内部和固体边界上，但空蚀只能发生在固体边界上。

2水轮机汽蚀的原因

汽蚀对固体部件表面的破坏有多方面的原因，其中有3个主要原因：机械原因、化学原因、点化原因。

1）机械原因。水流在水轮机中进行高速运动，同时气泡的形成、分裂、溃灭所产生的巨大冲击力会对水轮机过流部件表面进行频繁而强烈的高速冲击，在这样的高频冲击下，过流部件表面的材料就很容易被破坏，这就是汽蚀的机械作用，也是造成汽蚀的主要作用。

2）化学原因。气泡会在高压区内进行压缩，同时产生大量的热能，另一方面，过流部件表面的温度也会因为水流的高速冲击而升高。因此，在高温高压下，气泡会在金属表面发生氧化反应。

3）电化原因。水流部件局部表面在产生高温的同时，会与周围的低温材料产生温度差，从而形成热电偶，引起热电效应，气泡在高温下放电，使金属表面电解，破坏了金属材料的保护层，同时也加快了机械的侵蚀作用。

3水轮机汽蚀的危害

1）会破坏水轮机的过流部件，例如：转轮、导叶、上下漏环、转轮室等；2）汽蚀会产生巨大的噪音和强烈的振动，这样会导致水轮机不能安全稳定的运行；3）汽蚀会降低水轮机的效率和出力。汽蚀会打乱水流的正常流动和能量转换，从而造成水流的漏损以及水力的损失；4）汽蚀会缩短机器的检修间隔，增加机器检修的复杂性，延长机器检修的时间。汽蚀的检修会耗费大量的钢材，同时还需要一定的时间，影响电力的生产，给发电站造成一定的损失。

4水轮机汽蚀的处理措施

4.1改善水轮机的水力设计

翼型汽蚀通常与转轮叶片的水力性能相关，因此可以对其转轮叶片的设计进行一定的改进，比如：1）通过改变叶片的形狀来缩短低压区的区域，从而使叶片背面所受到压力的最低值尽量处于叶片的出口处，这样就能使气泡在叶片的外部区域溃散，减少叶片所受到的冲击；2）在满足刚度和强度的条件下，叶片要尽量做到轻薄。因为如果叶片的厚度过大，就会引起较大的汽蚀系数；3）在叶片背面的端部装设防蚀片；4）采用襟翼结构，即长短叶片相间；5）加长转轮的泄水锥，加长尾水管的直椎管部分，并加大尾水管的扩散角角度。

4.2提高加工工艺水平，采用抗腐蚀材料

1）硬度高的材料抗腐蚀能力强；2）拉伸强度、延性以及屈服强度大的材料，抗腐蚀能力强；3）高弹性的材料具有很强的延性，具有较强的抗腐蚀能力；4）晶粒越细密的材料，其抗腐蚀能力越强，而合金能够改善金属的晶粒性质，因此可以多使用合金材料；5）材料内部的非溶解物质即不纯物质越多，其抗腐蚀能力就越强。综上所述，抗腐蚀材料应具备硬度高、韧性强、弹性强、晶格细密等特性。

4.3改善检修工艺方法

我们可以缩短检修的周期，尽量在平时就能够做到多检查、勤修理，在水轮机出现小问题时就进行修理，避免问题扩大，从而影响工作进度，造成更大的损失。

4.4改善运行条件，采取适宜的运行措施

我们根据实际状况，合理地拟定了水电站的普遍运行方式，从而提出以下改善措施：1）调整水库的调度方式，尽量地减少低水头、低负荷的运行时间，使转轮中心能够出现一定的真空带；2）在转轮下部补气，可以破坏真空，降低真空度，破坏真空涡带的形成，减轻汽蚀破坏。补气可以分为主轴中心补气和尾水管补气。由于尾气管的补气及补气量大小对水轮机处理会造成一定的影响，因此，只有水轮机在运行时偏离最优工况时，我们才需要考虑对水轮机进行补气，并根据它的偏离状况来决定补气量的大小。

5结论

水轮机的汽蚀是不可能完全消除的，但我们可以通过改善水轮机的水力设计、增进水轮机的加工工艺水平，选取抗腐蚀材料、提高检修工艺、改善运行条件等方式，来尽量减少水轮机的汽蚀损耗，更好地发挥水轮机的出力和效率，以延长水轮机的使用寿命，为发电站争取最大的经济效益。endprint