混流式水轮机汽蚀机理与措施分析

马宏禄

【摘要】在水电站混流式水轮机运行过程中，汽蚀是最为常见的问题，这也是各水电站一直在致力解决的关键问题。混流式水轮机在发生汽蚀之后，其使用寿命会大大缩短，影响水电站的正常运行。本文研究分析了混流式水轮机的汽蚀，并提出相应的解决措施，有效的提高了混流式水轮机的使用寿命。

【关键词】水轮机；汽蚀；热处理；零汽蚀检修

在水电站运行过程中，混流式水轮机作为其中一个重要的组成部分，对于水电站的正常运行有着至关重要的作用。水作为混流式水轮机运行的主要介质，在温度的变化下，会产生汽蚀的现象。在混流式水轮机来说，除了受到水温以及水压的现象而引起的汽蚀现象，还会因为泥沙过多而产生泥沙磨损。混流式水轮机的汽蚀，不但会对水轮机的正常运转产生影响，还会大大缩短水轮机的使用寿命。

1、混流式水轮机汽蚀的产生机理

在混流式水轮机运行过程中，汽蚀问题很容易因为边界条件的变化而出现。水流的短矩会因为转轮叶片的作用而产生变化，从而导致叶片背面出现负压。从分析来看，汽核或者空气在水中所占比例大约是5%，如果水压比一定的限制要低，并且要高出空化压力的时候，就会出现气泡产生，而汽蚀现象就是发生在气泡破裂的时候。在水轮机正常运行过程中，水轮机的流道内会有水流动，流道内的高压区进入的水流中伴随着气泡，在过高的压力作用下，气泡内外部的压力不平衡，从而导致气泡因此而破裂。在汽泡溃裂的过程中，由于压力的不同而产生极大的冲击力，形成较高的射流，这种瞬间的射流冲击力非常大。在高频率的射流水击下，过流表面需要承受很大的冲击载荷，长此以往，金属材料的韧性就会受到影响，转变为脆性状态。在此过程中，屈服点逐渐的降低，在屈服点达到一定的临界后，在射流的冲击力作用下，金属表面的颗粒就会脱落，直接产生塑性变形，对水轮机造成很大的破坏。

2、混流式水轮机防汽蚀措施

在水轮机运转过程中，汽蚀是不可避免的现象。因此，混流式水轮机的防治目的是延长水轮机部件使用寿命，减少汽蚀侵害，减少维修检查费用，延长检修周期，可采取如下措施：

2.1 设计方面

水流内部结构是汽蚀形式的主要控制因素，所以，对混流式水轮机的翼型进行设计以及改善是减少汽蚀的有效方法：

例如改善叶片头部，转轮叶片应呈光华的流线型，尽可以使叶片上压力分布均匀，并缩小低压区；在叶片上特别是前面无鼓包使水流平顺流畅；叶片出口边应较薄，采用机组成组调节，改善水轮机运行工况，应避开汽蚀的运行工况区域。

上压力分布均匀，并缩小低压区；在叶片上特别是前面无鼓包使水流平顺流畅；叶片出口边应较薄，采用机组成组调节，改善水轮机运行工况，应避开汽蚀的运行工况区域。并缩小低压区；在叶片上特别是前面无鼓包使水流平顺流畅；叶片出口边应较薄，采用机组成组调节，改善水轮机运行工况，应避开汽蚀的运行工况区域。

2.2 提高材料表面的抗汽蚀能力

在材料抗蚀性能方面，不锈钢具有良好的抗腐蚀性，不锈钢良好的弹性可以有效的将水气化分子作用力进行消除。然而不锈钢材料成本太高，不可能应用于整个转轮。通常情況下，会将不锈钢板贴在普通钢材上，但是这样容易出现拉裂掉块的问题。因此，为了达到节约成本，提高抗腐蚀性能的目的，可以将不锈钢焊液堆焊在转轮母材料表面的汽蚀区。针对一些设备简陋，测量手段较差的水电站，为了避免转轮叶型因为堆焊而出现变形，避免使用焊接时间过长的方式，要采取小电流短焊接的方式来避免因为高温而产生的变形。

2.3 热处理

金属材料是构成水轮机的主要材料，因此加强水轮机的抗蚀性能主要从提高金属材料的抗蚀性能入手。在这方面，可以采取热处理的方式提高金属材料的抗蚀性能。在进行过热处理之后，钢的内部组织结构发生改变，从而改变水轮机的机械性能。在进行热处理的时候，转轮叶片如果尺寸过大，可以采取表面热处理或者局部热处理的方式来进行。如果转轮叶片汽蚀情况严重，需要在汽蚀严重的部位在氧气或者乙炔火焰的辅助下进行淬火，这样一来汽蚀严重的部位能够快速达到淬火的温度，之后立即进行冷却，需要注意的是热量必须不能到达材料内部，在冷却过程中，内应力会因为冷却速度不同而出现，因此要需要进行回火处理。

2.4 汽蚀补气

补气能够形成气泡，这是一种吸收振动的减辐介质，此外，补进的空气冲散涡带，并以气泡填充转轮下部和尾水管上部整个空间，因补气对破坏空腔汽蚀，吸收汽蚀有一定的作用。

3、机组检修

3.1 处理转轮室的汽蚀

首先转轮室汽蚀部位出现的蜂窝状要利用气刨将其铲除，之后进行打磨光滑，需要用到的是砂轮机，紧接着进行堆焊，需要用不锈钢焊条且要均匀的堆焊，最后利用砂轮机进行打磨。

3.2 处理桨叶的汽蚀

在进行堆焊时，应考虑到桨叶的变形，不能进行连续施焊，而应进行间隔施焊，并注意应慢慢冷却，焊条应沿周围方向走动，以增加运行中的焊接强度。处理完后进行叶型校型，样板控制。

3.3 处理焊缝

先在裂缝的两头钻10mm深的孔，然后用气刨将裂纹刨掉、打磨、施焊，打磨光滑即可。很多电站的实践证明，补焊区的打磨工作，对机组今后过程中汽蚀破坏大小很关键，打磨后的部位光洁度是否到了设计要求，能否保持原来的型线等等，这些须认真对待。

3.4 焊接材料及工艺

抗汽蚀材料能够有效预防水轮机的汽蚀现象，从目前来看，我国主要应用的是不锈钢与铝铁青铜。这些材料具有良好的韧性，且硬度以及疲劳极限都与水轮机材料要求相符合，将这些材料应用在水轮机部件中，能够大大提高抗汽蚀性能。

通常情况下，可采用金属喷焊技术覆盖材料表面。对于产生汽蚀的部件，采用抗蚀材料，例如D276高铬锰钢耐汽蚀堆焊条，采用堆焊的方式集合局部翼型进行焊接休整，同时需要打磨到光滑平整。

4、结束语

混流式水轮机一旦发生汽蚀的现象，会导致水轮机效率以及出力的降低。如果混流式水轮机在气灼区继续运行，机组的稳定性会遭到破坏，同时机组会产生振动以及负荷波动，这样会大大降低混流式水轮机的使用寿命，影响水电站的运行效率。因此，对混流式水轮机的运行工况进行改善，对水库调度方案进行科学合理的制定，定时安排维修人员进行混流式水轮机组的维修，对水轮机发生汽蚀的位置及时进行补焊处理，这是确保水电站安全运行的关键。

参考文献：

[1]周银康.论水电站水轮机汽蚀产生原因分析及防范措施[J].中国新技术新产品，2011-10-10.