浅谈水轮机的空蚀及防治

摘 要：文章分析了水轮机产生空蚀的原因与危害，从设计制造、运行和检修3个方面采取措施。

关键词：水轮机 ；空蚀；防治 ；措施

中图分类号：TK73 文献标识码：A DOI：10.11974/nyyjs.20170732020

桐城市牯牛背水库二级电站为引水式电站，装机容量2×200kw，水轮机型号为ZD560—LMY—60，转轮叶片装置角ψ =+10°，设计发电流量2.22m3/s，设计水头8m，最高水头12m。电站自1995年5月投产以来，水轮机空蚀（曾名“气蚀”）比较严重，直接威胁机组的安全运行，影响机组的出力和效率。因此，结合空蚀产生的机理采取防治空蚀的措施，效果显著。

1 水轮机空蚀的产生

从空蚀发生的位置来看，水轮机空蚀类型主要包含3种，分别为翼型空蚀、空腔空蚀及间隙空蚀。

1.1 翼型空蚀

指空蚀发生在转轮上，经转轮转化，水能变为机械能，此时，水压力会作用于每个叶片上，通常，正压力及负压力分别位于叶片的正面及背面，降低背面压力，且成为汽化压力后，空蚀产生。轮叶制造过程中，如果存在叶片形状不正确等问题，会降低轮叶的质量。最为普遍的空蚀位置即为轮叶背面，背面出水边下半部与下环处接近位置、叶片背面接近上冠位置均较易发生空蚀，严重时，背面其他部位也会出现空蚀，甚至出现在正面。翼型空蚀发生后，蜂窝状孔洞出形成于叶片上，破坏叶片，水流连续性受到影响后，会降低机组的运行效率。

1.2 空腔空蚀

水流旋转形成于尾水管内时，导致真空形成于中心空腔出，造成此种类型空蚀。非工情况下，水轮机的运行导致其法向出口遭到破坏，使脱流与漩涡形成，再加上整个轮转口的旋转水流，造成大旋流形成于转轮出口与尾水管进口。大旋流中心所形成的压降非常大，达到汽化压力状态后，空腔空蚀产生。在尾水管内，大旋流的旋转频率一定，因此，尾水管四周会受到其中心真空带周期性的扫射，导致空蚀破坏尾水管壁，使周期性压力波动产生，造成强烈噪音、金属打击声等产生，甚至出现放电等现象，对水轮机运行的稳定性产生影响。

1.3 间隙空蚀

水浪通过通道比较狭窄或为间隙时，由于升高局部流速，降低压力，达到汽化压力后，产生间隙空蚀，水轮机如为反击式，导叶端部、轮转止漏环的间隙出为间隙空蚀的发生位置。通常，间隙空蚀发生后，并不会较大范围的造成破坏，但其在运行时的表现比较突出。受到间隙空蚀的影响，破坏会发生在轮转室、叶片周缘等位置。

2 水轮机空蚀的防治

是否产生空蚀主要取决于水轮机结构性能、生产工艺以及运行工况等，防治水轮机的空蚀主要采取以下3个方面的措施。

2.1 设计制造方面

2.1.1 设计合理的翼型

尽可能地提高抗空蚀性能。为改善翼型，使转轮叶片呈光滑的流线形，应尽可能使叶片上压力分布均匀并缩小低压区；叶片上特别是背面不应存在“鼓包”，使水流平顺；叶片出口应造得较薄，整个过流道的几何尺寸比例应合理，叶片数目不能过小。运行实践证明，合理的可减少空翼型设计。

2.1.2 提高制造工艺水平

选择合理的转轮材料转轮叶片铸造与加工后的型线，应尽可能与设计木模图一致，保证原型与模型水轮机几何相似。在运行水轮机中，有于模型设计中翼型不合理而使原型水轮机空蚀严重的情况，铸钢质量对空蚀影响很大，为了提高转轮抗空蚀能力，采用不锈钢抗蚀材料制造转轮，以减缓侵蚀速度。在制造中加强铸造及加工工艺的检查，保证翼型型线准确，减少表面凹凸不平度和高的表面光洁度，使叶片符合设计的翼型，能有效地提高抗空蚀能力。

2.1.3 安装方面

木轮机的翼型空蚀与吸出高度有密切关系，为了减轻水轮机空蚀破坏，选择合适的木轮机型号，合理确定水轮机吸出高度，确定水轮机的安装高度。

2.2 运行方面

2.2.1 合理确定水电站的运行方式

运行期间，工作人员需对水轮机生尾水管真空表上的数值定期检查，并准确的记录每次检查的具体数值，以对其工况做出优化，保证处于最优状态中。此外，水轮机运行过程中，应尽量避免运行状态处于低负荷、低水头中，防止运行工况区域处于严重空蚀位置。

2.2.2 空蚀补气

将补气装置增加到其中，补气给尾水管，一定程度上减轻空蚀震动及空蚀破坏。十字架补气钢管需设置在尾水管进口处，通常，补气钢管的直径应超过3cm，将适量的出气孔均匀的布置在管壁上。经尾水管壁，十字架补气管道由一根总管接出外面，以水流为参照，背向设置总管出气孔的开孔方向，由此一来，即可避免补气管中进入4种压力较高的水流，保证补气管的正常运行。机组运行时，应以实际运行情况为为依据，将大气或压缩空气由外面送入，给低压区补气时，通过十字架上小孔进行，以使真空压力降低，对真空涡带形式做出破坏，使空蚀减轻。

2.3 检修方面

2.3.1 及时检修、补焊

对于空蚀严重到什么程度补焊，要根据电站运行的实际情况而定，但不能等到空蚀严重导致穿孔时再补焊。对已遭受空蚀的转轮叶片，一般对深度为1mm左右的空蚀损失，只需进行打磨使其平整。对于空蚀破坏严重的叶片，则需要进行堆焊（先制造叶片样板），深度在2mm以下的区域可直接打磨，然后进行堆焊；深度大于2mm的，用氧焊气割，角向磨光机打磨，清理至基本金属，然后进行堆焊，再按样板依原型打磨光滑，清扫叶片，然后涂上一层防锈漆。堆焊材料采用不锈钢电焊条，以提高抗空蚀性能。检修一定要定期及时，堆焊的面积和厚度一定要足够，否则达不到预期效果。

2.3.2 改善叶片，减轻空蚀

结合空蚀补焊进行转轮叶片改型，不仅仅是单独的修补空蚀部位，而且根据转轮各叶片中损伤最轻的，即空蚀性能最好的翼型来修改其它翼型。一般来说，空蚀性能好的翼型显然是比较适应水流的情况，故其產生空蚀的程度也较轻微。因此测绘好的翼型并按此来修改空蚀性能坏的叶片效果很好。本电站2台转轮叶片空蚀比较严重，经过对叶片进行改型，割除叶片中不合理的“鼓包”，使叶片空蚀性能有显著改善，延长了检修周期，几年来机组运行实践证明，改型后的叶片空蚀轻微，机组的出力和效率也明显提高。

参考文献

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[2]郑源，陈德新.水轮机[M].北京，中国水利水电出版社，2011：64-65.

[3]全国水利水电水力机械信息网.水能动力工程新技术[M].北京：中国水利水电出版社，2005：22-24.

作者简介：李修文（1969- ），男，安徽桐城人，工程师，从事水利水电工程管理。