浅析水轮机空蚀及防护

浅析水轮机空蚀及防护

（西藏大学农牧学院）

摘要：对水轮机的空蚀理论和空蚀分类做了简述，并分析了空蚀的原因，同时提出了一些防护空蚀的措施，以达到减轻空蚀，更好地发挥机组经济效益的目的。

关键词：水轮机；空蚀；分类；防护

近年来，由于大型水利枢纽工程的兴建，使得水力发电机组在整个电网中的比重越来越大，年平均发电时间延长，检修时间缩短，一旦因事故停机，造成的经济损失极为严重。所以，避免突发的事故停机对水轮机组越来越重要，空蚀作为水轮机破坏的主要形式之一，极大地威胁着水轮机组的安全。另外，水轮机发展的趋势是尽可能提高水轮机比速，以减小它的尺寸和重量，从而提高单机容量，但也由此增加了水轮机空蚀破坏的程度。因此，全面的认识空蚀和积极的防护空蚀是一件迫在眉睫的事情，本文主要简述了水轮机的空蚀理论的分类，并分析防护空蚀的几种措施。

一、空蚀理论

空蚀是液体机械和设备中特有的物理过程和现象，空蚀作用可破坏材料，影响机械设备的各种性能指标。早在20世纪初，当调整轮船问世时，金属的螺旋桨在很短的时间内就遭到损坏。其后，在水轮机转轮叶片上也都发现了类似的损坏情况。研究表明，这是由于一种叫做空蚀的现象造成的，空化又称为“气蚀”、“空泡腐蚀”；空蚀破坏是流体机械的一种重要破坏方式。轻微的空蚀使金属表面失去光泽而变暗，或变毛糙而发展成麻点，针孔状。较重的空蚀使金属表面变得十分疏松成为海绵状(也称为蜂窝状)，深度从几毫米到几十毫米；空蚀发展到严重时，在螺旋桨(或水泵、水轮机的转轮叶片)的出水边较薄的地方就会穿孔，表面发生整块脱落，使转轮失去平衡，并引起特殊的噪声和破裂声，甚至发出雷鸣般的声响和光。有时会使水轮机发生周期性振动，严重时，还使厂房也引起周期性振动。此外，空蚀破坏了水流连续性，水流质点间碰撞消耗了一部分能量，从而降低了水轮机的效率。

二、水轮机空蚀的分类

常见的水轮机空蚀主要有以下几种：

翼型空蚀

基于反击式水轮机的工作原理，转桨式水轮机桨叶改变了水流的动力矩，水流动力矩的改变意味着叶片正面与背面之间存在着压差。通常，叶片正面为正压，叶片背面为负压。翼型空蚀主要发生在桨叶背面区域压力达到最低值的出口处附近，即一般指的水轮机叶片上的空蚀区。

（二）间隙空蚀

水轮机桨叶与转轮室之间有2mm一3mm的间隙，运行中就有一部分水流过这里，但流道狭小且水流方向改变快，导致水流速度高，压力降低，从而引起空蚀。间隙空蚀主要发生在：1、转轮室表面在桨叶中心轴线标高以下附近，这里的空蚀情况视机组的运行时间长短而定，运行时间越长，空蚀越严重。由于长期受到水流的锤击和冲击，有的焊块脱落，多数出现蜂窝状空蚀。2、转轮体表面与桨叶连接处下部，这里的空蚀一般较轻微，而且不是所有连接处下部都有。

（三）局部空蚀

局部空蚀主要是由于过流部件表面不平整，形成局部脱流所致，主要表现在：1、转轮室表面打磨不光滑，造成局部空蚀。2、由于焊接质量不好，留有空穴、夹渣等，造成局部空蚀。3、桨叶与转轮连接的压板螺杆铅封凸出，表面不平滑，造成转轮体上部局部空蚀，有时甚至连接螺杆都被空蚀掉。局部空蚀一般都不严重，只要注意检修工艺，还可以再减轻。

三、水轮机抗空蚀的防护措施

水轮机抗空蚀破坏的措施主要有以下几个方面：

（一）合理设计翼型。例如：改善叶片头部型线；转轮叶片表面应呈光滑的流线型，无鼓包，水流平顺；尽量使叶片上压力分布均匀，并缩小低压区。实践证明，翼型设计得合理，可以减轻空蚀。

（二）提高制造工艺水平，使转轮叶片铸造与加工后的型线尽可能与设计木模图一致，保证水轮机原型与模型几何相似，以避免因制造时型线误差较大而加剧水轮机的空蚀。

（三）运行方面：1、运行工况对空蚀有很大的影响，应合理拟定水电厂运行方式，避开严重空蚀的运行工况区域；2、补气是减少空蚀破坏的有效措施，补进的气体不仅能提高低压区的压力，而且能冲散所形成的涡带。

（四）检修方面：1、对于转轮室空蚀的处理，首先用气刨将空蚀部位的蜂窝铲除，用砂轮机打磨平滑，然后用不锈钢焊条堆焊，堆焊应均匀、平整，最后用砂轮机将堆焊层打磨光滑，并利用样板对其进行检查控制，而后进行圆度测量；2、对桨叶空蚀的处理，在堆焊时，应考虑到桨叶的变形，进行分段间隔施焊，并注意慢慢冷却，焊条应沿周围方向走动，以增加焊接强度，处理完后进行叶型校型、样板控制；3、对于裂纹的处理，先在裂缝的两头钻10mm深的孔，然后用气刨将裂纹刨掉，打磨后施焊，再打磨光滑即可。很多电站的实践证明，补焊和打磨与日后机组运行过程中的空蚀破坏有很大关系。能否保持原来叶片的型线，打磨后的表面光洁度是否达到设计要求，等等，都是避免空蚀破坏的关键，须认真对待。

（五）减轻间隙空蚀。间隙空蚀起源于缝隙处涡流的形成，而涡流的形态与缝隙的形状和宽度有关，据研究，具有扩散形式的叶片尖端缝隙会助长水流分散成旋涡而造成空蚀。国外曾对一台转轮直径为3m的水轮机进行试验，在叶片压力边缘上其半径相应于叶片厚度的一半的圆角，并尽力避免扩散型流道形式，修改后，缝隙空蚀不再发生，而对效率影响也很少。

四、结语

随着水力学理论的不断完善，水力机械设计水平的不断提升，空蚀机理已渐渐被人们所认知，但是要从根本上避免这种现象的发生，减轻水轮机的空蚀破坏，就必须从设计、制造、运行等多个方面采取积极措施，只有这样，才能减少水轮机的空蚀和磨损，延长检修周期，更好地发挥机组的经济效益。

参考文献

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