水轮机的空蚀机理分析与对策探讨

陈俊

摘 要：在水轮机运行的过程中，空蚀是一种极为常见的问题，一旦出现就会导致水轮机的运作效率降低，影响整个系统的运行。随着技术的发展与进步人们对于空蚀的了解也越来越深入，但是到目前尚未能够完全避免空蚀的出现。近年来，我国水利工程的发展进入了全新的阶段，在此加强对水轮机空蚀极其对策的研究具有极其特殊的意义。

关键词：水轮机；空蚀机理；对策

1 空蚀的机理作用

水在周围环境压力达到一定的强度时将会发生汽化，对于水的汽化临界压力成为汽化压力。在研究中发现水的汽化压力并不是一层不变的，其在不同的温度环境下会发生一定的变化，通过实验发现，改变水环境的温度将会导致水的汽化压力发生变化，具体的变化如图1所示：

图1 水温与饱和汽泡压力关系曲线

通过水温与饱和汽泡压力关系曲线图可以看出，水的汽化压力随着水温的升高而升高，也就是说当水环境的温度降低时水的汽化压力也会降低。水轮机在运作过程中会保持水的稳定流动，但是在水流速度加快时会导致区域内的压力降低，这时候就容易导致环境压力低于温度的汽化压力，从而导致水的汽化。一旦水轮机周边的水发生汽化就很容易导致空蚀现象的发生。

2 空蚀的破坏作用分析

通过研究发现空蚀对于水轮机表面的金属材料破坏主要有3种作用，分别是机械作用、化学作用以及电化作，在这其中物理作用的破坏作用最大。

2.1 机械作用

在水轮机转动的过程中水流在水轮机内会因为流速的提升而导致局部的压力降低，而压力降低以后会导致水的汽化压力降低，则水就会发生汽化，这时候就会导致水轮机流道内发生水的汽化。这时候水体内的气体因为水的汽化会开始聚集释放，这时候水道内就会出现大量的气泡，这些气泡既有水蒸汽又有水内的气体。当这些气泡在离开低压力区域时就会导致气泡的破裂，一旦气泡破裂会产生巨大的冲击，在冲击作用下气泡内的气体回到水中，与水流剧烈收缩从而形成高压的水核，水核在高速膨胀下冲击周边的水体环境，并对于水轮机表面产生冲击，从而破坏水轮机表面的金属。这样的过程在发生空蚀时持续产生的，因此在不断的冲击下会导致水轮机被破坏。

2.2 化学作用

化学作用主要的还是源自于水体内含有的各种化学物质，当气泡破裂的瞬间会释放出大量的热量，并且产生较强的压力。在高温高压的环境下会导致化学离子活跃性得到提升，从而促进这些离子与金属发生氧化还原反应，具体的反应如下：

2Fe+3Cl2=2FeCl3

4Fe+3O2=2Fe2O3

這样的化学作用下导致了金属部件损坏速度加剧。

2.3 电化作用

电化作用主要是因为气泡破碎的瞬间产生的高温导致了局部材料形成较大的温差，从而形成了热电偶，这时候材料内有电流通过会导致热点效应，产生电化的腐蚀，使得金属材料被破坏。

3 水轮机空蚀应对方法

3.1 更換水轮机转轮

在研究中发现水轮机发生空蚀有很大一部分原有时因为水轮机与发电机的转数不匹配而导致的，这种情况下更换水轮机就是解决空蚀问题的最好方法。通过更换水轮机，使其与发电机实现转数的匹配能够有效的降低空蚀发生的概率。

3.2 采用抗蚀材料

空蚀的产生会导致水轮机的损坏，而在进行水轮机的制造时如果选用抗蚀材料来进行水轮机的制造就能够有效的降低这一现象的危害。对此可以先进行实验，对于不同材料的抗蚀性能进行比对，从而最终得出最佳的材料，抗蚀的水轮机材料应当具有：可焊性好、应变硬化好、晶格细、抗拉力强、韧性好以及疲劳极限高等特点。

3.3 改进加工工艺水平

在进行水轮机加工的过程中如果能够改善水轮机的加工攻击能够有效的降低水轮机的破坏，降低空蚀对于水轮机的危害。对此应当不断的改进水轮机加工工艺。在进行水轮机加工的过程中一定要确保翼型的正确，此外还应当保证叶片表面的光滑，还需要确保水轮机的强度以及抗蚀性能。

4 国内改善空蚀性能实例

近年来，我国水电发展迅速，新建起的水电站结合以往的经验，采取直接而有效的措施抵制和防止水轮机空化与空蚀，从选材、设计、制造、装置均采用最先进的水力设计理念和技术，尽量降低空蚀的破坏。

向家坝水电站是中国第三大水电站，是金沙江水电基地的最后一级水电站。就转轮叶片叶型而言，向家坝转轮未采用传统的、常规的正倾角水轮机叶片，而是使用进水边前倾的负倾角叶片，这种叶片可减少叶片进水边背面的脱流，对工况的变化有更好的适应性。经CFD分析和模型试验表明，负倾角叶片正、背面压力分布均匀，下环进水边无局部低压，即负倾角叶片转轮的水力稳定性、抗空蚀能力均优于传统的正倾角叶片。向家坝水电站采用整体转轮，转轮的材料采用全不锈钢材料，可以很好的提高水轮机的空蚀性能。

5 结语

在水轮机运行过程中空蚀是一种普遍存在的现象，其不仅会产生较强的噪声，还会导致水轮机受损，影响整个系统运行的效率与寿命。因此在进行水电站设计的过程中一定要充分的考虑水电站的各方面因素，选择最为恰当的水轮机型号。此外还应当不断的加强技术，努力的提升水轮机加工工艺，努力的确保我国水电站水轮机的稳定运行。

参考文献

[1]赵双杰.水轮机的空蚀机理与举措[J].价值工程，2016，35（18）：112-113.

[2]李星辰，强海军，陈勇.铜街子水电站水轮机转轮室空蚀缺陷研究与处理工艺[J].水电与新能源，2016，（8）：49-50.

（作者单位：黔东南州地方电力总公司镇远分公司）