淺談水輪機(jī)的空蝕及防治

摘 要：文章分析了水輪機(jī)產(chǎn)生空蝕的原因與危害，從設(shè)計制造、運行和檢修3個方面采取措施。

關(guān)鍵詞：水輪機(jī) ；空蝕；防治 ；措施

中圖分類號：TK73 文獻(xiàn)標(biāo)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(jī)容量2×200kw，水輪機(jī)型號為ZD560—LMY—60，轉(zhuǎn)輪葉片裝置角ψ =+10°，設(shè)計發(fā)電流量2.22m3/s，設(shè)計水頭8m，最高水頭12m。電站自1995年5月投產(chǎn)以來，水輪機(jī)空蝕（曾名“氣蝕”）比較嚴(yán)重，直接威脅機(jī)組的安全運行，影響機(jī)組的出力和效率。因此，結(jié)合空蝕產(chǎn)生的機(jī)理采取防治空蝕的措施，效果顯著。

1 水輪機(jī)空蝕的產(chǎn)生

從空蝕發(fā)生的位置來看，水輪機(jī)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(fā)生在轉(zhuǎn)輪上，經(jīng)轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)化，水能變?yōu)闄C(jī)械能，此時，水壓力會作用于每個葉片上，通常，正壓力及負(fù)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(chǎn)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(zhì)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(huán)處接近位置、葉片背面接近上冠位置均較易發(fā)生空蝕，嚴(yán)重時，背面其他部位也會出現(xiàn)空蝕，甚至出現(xiàn)在正面。翼型空蝕發(fā)生后，蜂窩狀孔洞出形成于葉片上，破壞葉片，水流連續(xù)性受到影響后，會降低機(jī)組的運行效率。

1.2 空腔空蝕

水流旋轉(zhuǎn)形成于尾水管內(nèi)時，導(dǎo)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(jī)的運行導(dǎo)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(zhuǎn)口的旋轉(zhuǎn)水流，造成大旋流形成于轉(zhuǎn)輪出口與尾水管進(jìn)口。大旋流中心所形成的壓降非常大，達(dá)到汽化壓力狀態(tài)后，空腔空蝕產(chǎn)生。在尾水管內(nèi)，大旋流的旋轉(zhuǎn)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(dǎo)致空蝕破壞尾水管壁，使周期性壓力波動產(chǎn)生，造成強烈噪音、金屬打擊聲等產(chǎn)生，甚至出現(xiàn)放電等現(xiàn)象，對水輪機(jī)運行的穩(wěn)定性產(chǎn)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(dá)到汽化壓力后，產(chǎn)生間隙空蝕，水輪機(jī)如為反擊式，導(dǎo)葉端部、輪轉(zhuǎn)止漏環(huán)的間隙出為間隙空蝕的發(fā)生位置。通常，間隙空蝕發(fā)生后，并不會較大范圍的造成破壞，但其在運行時的表現(xiàn)比較突出。受到間隙空蝕的影響，破壞會發(fā)生在輪轉(zhuǎn)室、葉片周緣等位置。

2 水輪機(jī)空蝕的防治

是否產(chǎn)生空蝕主要取決于水輪機(jī)結(jié)構(gòu)性能、生產(chǎn)工藝以及運行工況等，防治水輪機(jī)的空蝕主要采取以下3個方面的措施。

2.1 設(shè)計制造方面

2.1.1 設(shè)計合理的翼型

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

2.1.2 提高制造工藝水平

選擇合理的轉(zhuǎn)輪材料轉(zhuǎn)輪葉片鑄造與加工后的型線，應(yīng)盡可能與設(shè)計木模圖一致，保證原型與模型水輪機(jī)幾何相似。在運行水輪機(jī)中，有于模型設(shè)計中翼型不合理而使原型水輪機(jī)空蝕嚴(yán)重的情況，鑄鋼質(zhì)量對空蝕影響很大，為了提高轉(zhuǎn)輪抗空蝕能力，采用不銹鋼抗蝕材料制造轉(zhuǎn)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(zhǔn)確，減少表面凹凸不平度和高的表面光潔度，使葉片符合設(shè)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(jī)的翼型空蝕與吸出高度有密切關(guān)系，為了減輕水輪機(jī)空蝕破壞，選擇合適的木輪機(jī)型號，合理確定水輪機(jī)吸出高度，確定水輪機(jī)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(jī)生尾水管真空表上的數(shù)值定期檢查，并準(zhǔn)確的記錄每次檢查的具體數(shù)值，以對其工況做出優(yōu)化，保證處于最優(yōu)狀態(tài)中。此外，水輪機(jī)運行過程中，應(yīng)盡量避免運行狀態(tài)處于低負(fù)荷、低水頭中，防止運行工況區(qū)域處于嚴(yán)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(shè)置在尾水管進(jìn)口處，通常，補氣鋼管的直徑應(yīng)超過3cm，將適量的出氣孔均勻的布置在管壁上。經(jīng)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(shè)置總管出氣孔的開孔方向，由此一來，即可避免補氣管中進(jìn)入4種壓力較高的水流，保證補氣管的正常運行。機(jī)組運行時，應(yīng)以實際運行情況為為依據(jù)，將大氣或壓縮空氣由外面送入，給低壓區(qū)補氣時，通過十字架上小孔進(jìn)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(yán)重到什么程度補焊，要根據(jù)電站運行的實際情況而定，但不能等到空蝕嚴(yán)重導(dǎo)致穿孔時再補焊。對已遭受空蝕的轉(zhuǎn)輪葉片，一般對深度為1mm左右的空蝕損失，只需進(jìn)行打磨使其平整。對于空蝕破壞嚴(yán)重的葉片，則需要進(jìn)行堆焊（先制造葉片樣板），深度在2mm以下的區(qū)域可直接打磨，然后進(jìn)行堆焊；深度大于2mm的，用氧焊氣割，角向磨光機(jī)打磨，清理至基本金屬，然后進(jìn)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(dá)不到預(yù)期效果。

2.3.2 改善葉片，減輕空蝕

結(jié)合空蝕補焊進(jìn)行轉(zhuǎn)輪葉片改型，不僅僅是單獨的修補空蝕部位，而且根據(jù)轉(zhuǎn)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(yīng)水流的情況，故其產(chǎn)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(zhuǎn)輪葉片空蝕比較嚴(yán)重，經(jīng)過對葉片進(jìn)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(jī)組運行實踐證明，改型后的葉片空蝕輕微，機(jī)組的出力和效率也明顯提高。

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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。