水轮机空蚀与磨损现象分析

2013-11-25胡维光

湖南电力 2013年2期

胡维光

(国网湖南省电力公司，湖南长沙410007)

水轮机空蚀与磨损是影响水轮机运行寿命的重要原因之一。对于水轮机空蚀及磨损的产生和发展，国内外已有很多研究，特别是空蚀产生的机理及其预防，国内外学者有大量的研究成果。但是，对于泥沙磨损的认识却不尽相同，特别是当空蚀与磨损同时作用时，如何定性分析两者之间的相互作用关系，是目前中外学者普遍关心的问题。

文章提出作者对水轮机空蚀与泥沙磨损的认识。因不具备实验室试验条件，无法做进一步的理论分析和研究论证，有些观点只是感性上的认识，还需有兴趣的实验室做进一步的试验研究。

1 水轮机空蚀与磨损的定义

1.1 空蚀是指在空蚀单独作用下的破坏

空蚀即是微小气泡的形成、发展、溃裂对过流表面产生的物理化学作用。物理作用主要是气泡溃裂产生高压流体对金属表面的机械破坏;化学作用来源于局部高温和氧化。当然，有些由于河流中含有大量其它化学物质，也易对水轮机过流表面产生腐蚀性破坏(文中不予讨论)。

由于水具有容积强度，因而能抵抗气泡的破裂，但是容积强度与水的清洁度成正比。当水中杂质含量增加时，空蚀就会加大、加快，如果不考虑磨损的影响，这种破坏仅仅是空蚀破坏，只是杂质的存在增加了空蚀破坏的速度。

对水轮机而言，空蚀破坏以物理作用为主，作用的结果是在金属表面出现麻点和凹坑，呈蜂窝状。

1.2 磨损是指在泥沙单独作用下的破坏

通过日常观察与试验可以看出，任何表面被摩擦后均是平整而光滑的，水轮机表面被泥沙摩擦后也应该如此，即表面应是平整而光滑的，摩擦表面没有麻点和凹坑。

作者认为造成水轮机的磨损破坏的原因是:当水流对金属表面进行冲击时，由于角度的偏差，水流中的泥沙对金属表面产生撞击和切割，这时金属表面就会出现麻点和刮痕，这种撞击和切割反复进行导致破坏加大，即为泥沙对金属表面的破坏。需要指出的是，这种破坏是泥沙对金属表面的反复撞击和切割的结果，是水流方向与金属表面形成冲击角度造成的。

1.3 空蚀与泥沙共同作用下的破坏称为磨蚀

当水轮机在空蚀与磨损共同作用下，空蚀使水轮机表面产生麻点和凹坑，而水流中的泥沙则对这些麻点和凹坑进行反复的冲刷(即磨损)，泥沙的磨损加剧了空蚀的发展。在空蚀与磨损的反复作用下，麻点和凹坑逐渐扩大，形成较大面积和一定深度的破坏。

另外，泥沙的磨损与撞击也导致叶片表面局部温度升高，水流更易汽化，使水流空化而产生空蚀。

空蚀与磨损共同作用、泥沙的撞击和切割与空蚀共同作用，这种破坏均称为磨蚀破坏。

2 水轮机磨蚀现象分析

水轮机磨蚀破坏一般出现在叶片背部、叶片进出水边、迷宫环等间隙部位以及导叶的进出水边、上下端面间隙等部位。

2.1 叶片背部磨蚀(空蚀磨损破坏)

如前所述，如果没有空蚀的发生，水轮机表面在磨损单独作用下只能将叶片磨薄(不考虑泥沙的撞击和切割)，且其表面应是平整光滑的;而如果只有空蚀发生，则水轮机过流表面将变为具有麻点和凹坑的空蚀表面。也就是说，如果不发生空蚀，叶片表面是不会发生破坏的，这种在水轮机叶片上发生的空蚀被认定为翼型空蚀。

实际中也可以看到，磨蚀严重的区域一般都是叶片背面易发生空蚀的区域。如果是单纯泥沙磨损，由于叶片正面的压力较大，叶片正面应该产生更严重的磨蚀，但是实际中并非如此，说明在叶片正面，由于无空蚀发生，泥沙磨损只对表面起摩擦作用而未产生破坏。

所以，水轮机过流表面(叶片背面)应该首先产生翼型空蚀，而后水流中的泥沙则对这些麻点和凹坑进行反复的冲刷，空蚀和磨损逐渐扩大，形成较大面积的磨蚀。某水电厂机组转轮叶片背面磨蚀情况如图1 所示。

当这种空蚀的破坏速度小于或等于磨损的发展速度时，其结果在水轮机表面出现类似鱼鳞的现象，常称为鱼鳞坑。

目前，一般将水轮机表面产生的鱼鳞坑认定为是泥沙磨损的结果。作者认为，鱼鳞坑应该是在空蚀与磨损的双重作用下产生的，而且空蚀的破坏速度小于或等于磨损的发展速度时，才会产生鱼鳞坑。即每当空蚀破坏发生后，其产生的麻点迅速被泥沙磨损、扩大，如此反复，麻点逐渐扩大并连接成片，形成鱼鳞坑。

相反，当空蚀的破坏速度大于磨损的发展速度时，则其破坏主要表现为空蚀破坏的现象。在泥沙磨损轻微的水中运行的水轮机，由于泥沙磨损很小，故看到的只有空蚀破坏。

这种由空蚀导致磨蚀的破坏，文中称之为空蚀磨损破坏。

通过以上分析可以认为，在多泥沙河流中运行的水轮机，出现鱼鳞坑的区域说明空蚀指标相对较好;而只出现深度空蚀现象的叶片，则说明空蚀性能较差。

从图1 中知，叶片前半部是鱼鳞坑状，尾部部分区域则显现出空蚀状态，这说明叶片前半部空蚀指标相对较好，空蚀产生的麻点迅速被泥沙磨蚀，如此反复，麻点逐渐扩大并连接成片形成鱼鳞坑;而尾部部分区域出现空蚀，说明该区域的空蚀性能相对较差，空蚀发展速度大于磨损速度。

2.2 叶片进出水边端部磨蚀(冲击空蚀破坏)

多泥沙地区的水轮机一般在叶片的进水边会出现不规则的磨蚀情况，这是因为在进水边由于水流进入角度不同，如在非最优工况下，水流方向与叶片成一定角度，造成水流中的泥沙直接对叶片头部的撞击和切割，如此长时间的作用，叶片的进水边必然出现不规则的缺陷，而这些缺陷也容易导致在此处发生空蚀，如此反复作用，使破坏加剧，越到外缘磨蚀越严重。值得注意的是，此处的缺陷首先是由泥沙的撞击和切割造成，然后才发生空蚀，泥沙撞击与空蚀的反复作用使破坏加剧。

同样道理，有些水轮机在叶片出水边也出现一些与进水边相似的磨蚀破坏现象，这是因为当水流即将离开水轮机流道时，水流中的泥沙对后面的叶片进行冲刷(撞击和切割)，这种冲刷就像刀子对叶片出水边端部的切割一样(如图2)，使叶片出水边端部被破坏，进而导致空蚀发生，在泥沙冲击与空蚀的反复作用下使其破坏加剧。同样道理，叶片出水边的磨蚀也是越到外缘磨蚀越严重。

2.3 间隙磨蚀

间隙空蚀是造成水轮机空蚀破坏的主要原因之一，这是高速水流作用的结果。如果水流中又含有大量泥沙，则在空蚀与磨损相互作用下，磨蚀更加严重。一般来说，水轮机间隙中(如迷宫环、抗磨板等)产生的磨蚀，首先发生的是间隙空蚀，然后在空蚀与磨损的双重作用下加剧。同时，由于在间隙中存在泥沙颗粒，会对间隙两边的金属产生2 种影响:1)在该颗粒周围产生局部脱流，进而产生空蚀;2)该颗粒对两边金属已不是摩擦，而是对金属的切割，当颗粒硬度较高时，这种切割破坏力更加大。

以上3 种破坏(间隙空蚀、局部脱流和泥沙颗粒的切割)相互作用，造成间隙两边金属的严重破坏。这种磨蚀主要是间隙空蚀与泥沙的存在造成并扩大的结果，与单纯的间隙空蚀不尽相同。