胡維光

(國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司，湖南 長(zhǎng)沙410007)

水輪機(jī)空蝕與磨損是影響水輪機(jī)運(yùn)行壽命的重要原因之一。對(duì)于水輪機(jī)空蝕及磨損的產(chǎn)生和發(fā)展，國(guó)內(nèi)外已有很多研究，特別是空蝕產(chǎn)生的機(jī)理及其預(yù)防，國(guó)內(nèi)外學(xué)者有大量的研究成果。但是，對(duì)于泥沙磨損的認(rèn)識(shí)卻不盡相同，特別是當(dāng)空蝕與磨損同時(shí)作用時(shí)，如何定性分析兩者之間的相互作用關(guān)系，是目前中外學(xué)者普遍關(guān)心的問(wèn)題。

文章提出作者對(duì)水輪機(jī)空蝕與泥沙磨損的認(rèn)識(shí)。因不具備實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)條件，無(wú)法做進(jìn)一步的理論分析和研究論證，有些觀點(diǎn)只是感性上的認(rèn)識(shí)，還需有興趣的實(shí)驗(yàn)室做進(jìn)一步的試驗(yàn)研究。

1 水輪機(jī)空蝕與磨損的定義

1.1 空蝕是指在空蝕單獨(dú)作用下的破壞

空蝕即是微小氣泡的形成、發(fā)展、潰裂對(duì)過(guò)流表面產(chǎn)生的物理化學(xué)作用。物理作用主要是氣泡潰裂產(chǎn)生高壓流體對(duì)金屬表面的機(jī)械破壞;化學(xué)作用來(lái)源于局部高溫和氧化。當(dāng)然，有些由于河流中含有大量其它化學(xué)物質(zhì)，也易對(duì)水輪機(jī)過(guò)流表面產(chǎn)生腐蝕性破壞(文中不予討論)。

由于水具有容積強(qiáng)度，因而能抵抗氣泡的破裂，但是容積強(qiáng)度與水的清潔度成正比。當(dāng)水中雜質(zhì)含量增加時(shí)，空蝕就會(huì)加大、加快，如果不考慮磨損的影響，這種破壞僅僅是空蝕破壞，只是雜質(zhì)的存在增加了空蝕破壞的速度。

對(duì)水輪機(jī)而言，空蝕破壞以物理作用為主，作用的結(jié)果是在金屬表面出現(xiàn)麻點(diǎn)和凹坑，呈蜂窩狀。

1.2 磨損是指在泥沙單獨(dú)作用下的破壞

通過(guò)日常觀察與試驗(yàn)可以看出，任何表面被摩擦后均是平整而光滑的，水輪機(jī)表面被泥沙摩擦后也應(yīng)該如此，即表面應(yīng)是平整而光滑的，摩擦表面沒(méi)有麻點(diǎn)和凹坑。

作者認(rèn)為造成水輪機(jī)的磨損破壞的原因是:當(dāng)水流對(duì)金屬表面進(jìn)行沖擊時(shí)，由于角度的偏差，水流中的泥沙對(duì)金屬表面產(chǎn)生撞擊和切割，這時(shí)金屬表面就會(huì)出現(xiàn)麻點(diǎn)和刮痕，這種撞擊和切割反復(fù)進(jìn)行導(dǎo)致破壞加大，即為泥沙對(duì)金屬表面的破壞。需要指出的是，這種破壞是泥沙對(duì)金屬表面的反復(fù)撞擊和切割的結(jié)果，是水流方向與金屬表面形成沖擊角度造成的。

1.3 空蝕與泥沙共同作用下的破壞稱為磨蝕

當(dāng)水輪機(jī)在空蝕與磨損共同作用下，空蝕使水輪機(jī)表面產(chǎn)生麻點(diǎn)和凹坑，而水流中的泥沙則對(duì)這些麻點(diǎn)和凹坑進(jìn)行反復(fù)的沖刷(即磨損)，泥沙的磨損加劇了空蝕的發(fā)展。在空蝕與磨損的反復(fù)作用下，麻點(diǎn)和凹坑逐漸擴(kuò)大，形成較大面積和一定深度的破壞。

另外，泥沙的磨損與撞擊也導(dǎo)致葉片表面局部溫度升高，水流更易汽化，使水流空化而產(chǎn)生空蝕。

空蝕與磨損共同作用、泥沙的撞擊和切割與空蝕共同作用，這種破壞均稱為磨蝕破壞。

2 水輪機(jī)磨蝕現(xiàn)象分析

水輪機(jī)磨蝕破壞一般出現(xiàn)在葉片背部、葉片進(jìn)出水邊、迷宮環(huán)等間隙部位以及導(dǎo)葉的進(jìn)出水邊、上下端面間隙等部位。

2.1 葉片背部磨蝕(空蝕磨損破壞)

如前所述，如果沒(méi)有空蝕的發(fā)生，水輪機(jī)表面在磨損單獨(dú)作用下只能將葉片磨薄(不考慮泥沙的撞擊和切割)，且其表面應(yīng)是平整光滑的;而如果只有空蝕發(fā)生，則水輪機(jī)過(guò)流表面將變?yōu)榫哂新辄c(diǎn)和凹坑的空蝕表面。也就是說(shuō)，如果不發(fā)生空蝕，葉片表面是不會(huì)發(fā)生破壞的，這種在水輪機(jī)葉片上發(fā)生的空蝕被認(rèn)定為翼型空蝕。

實(shí)際中也可以看到，磨蝕嚴(yán)重的區(qū)域一般都是葉片背面易發(fā)生空蝕的區(qū)域。如果是單純泥沙磨損，由于葉片正面的壓力較大，葉片正面應(yīng)該產(chǎn)生更嚴(yán)重的磨蝕，但是實(shí)際中并非如此，說(shuō)明在葉片正面，由于無(wú)空蝕發(fā)生，泥沙磨損只對(duì)表面起摩擦作用而未產(chǎn)生破壞。

所以，水輪機(jī)過(guò)流表面(葉片背面)應(yīng)該首先產(chǎn)生翼型空蝕，而后水流中的泥沙則對(duì)這些麻點(diǎn)和凹坑進(jìn)行反復(fù)的沖刷，空蝕和磨損逐漸擴(kuò)大，形成較大面積的磨蝕。某水電廠機(jī)組轉(zhuǎn)輪葉片背面磨蝕情況如圖1 所示。

當(dāng)這種空蝕的破壞速度小于或等于磨損的發(fā)展速度時(shí)，其結(jié)果在水輪機(jī)表面出現(xiàn)類似魚鱗的現(xiàn)象，常稱為魚鱗坑。

目前，一般將水輪機(jī)表面產(chǎn)生的魚鱗坑認(rèn)定為是泥沙磨損的結(jié)果。作者認(rèn)為，魚鱗坑應(yīng)該是在空蝕與磨損的雙重作用下產(chǎn)生的，而且空蝕的破壞速度小于或等于磨損的發(fā)展速度時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生魚鱗坑。即每當(dāng)空蝕破壞發(fā)生后，其產(chǎn)生的麻點(diǎn)迅速被泥沙磨損、擴(kuò)大，如此反復(fù)，麻點(diǎn)逐漸擴(kuò)大并連接成片，形成魚鱗坑。

相反，當(dāng)空蝕的破壞速度大于磨損的發(fā)展速度時(shí)，則其破壞主要表現(xiàn)為空蝕破壞的現(xiàn)象。在泥沙磨損輕微的水中運(yùn)行的水輪機(jī)，由于泥沙磨損很小，故看到的只有空蝕破壞。

這種由空蝕導(dǎo)致磨蝕的破壞，文中稱之為空蝕磨損破壞。

通過(guò)以上分析可以認(rèn)為，在多泥沙河流中運(yùn)行的水輪機(jī)，出現(xiàn)魚鱗坑的區(qū)域說(shuō)明空蝕指標(biāo)相對(duì)較好;而只出現(xiàn)深度空蝕現(xiàn)象的葉片，則說(shuō)明空蝕性能較差。

從圖1 中知，葉片前半部是魚鱗坑狀，尾部部分區(qū)域則顯現(xiàn)出空蝕狀態(tài)，這說(shuō)明葉片前半部空蝕指標(biāo)相對(duì)較好，空蝕產(chǎn)生的麻點(diǎn)迅速被泥沙磨蝕，如此反復(fù)，麻點(diǎn)逐漸擴(kuò)大并連接成片形成魚鱗坑;而尾部部分區(qū)域出現(xiàn)空蝕，說(shuō)明該區(qū)域的空蝕性能相對(duì)較差，空蝕發(fā)展速度大于磨損速度。

2.2 葉片進(jìn)出水邊端部磨蝕(沖擊空蝕破壞)

多泥沙地區(qū)的水輪機(jī)一般在葉片的進(jìn)水邊會(huì)出現(xiàn)不規(guī)則的磨蝕情況，這是因?yàn)樵谶M(jìn)水邊由于水流進(jìn)入角度不同，如在非最優(yōu)工況下，水流方向與葉片成一定角度，造成水流中的泥沙直接對(duì)葉片頭部的撞擊和切割，如此長(zhǎng)時(shí)間的作用，葉片的進(jìn)水邊必然出現(xiàn)不規(guī)則的缺陷，而這些缺陷也容易導(dǎo)致在此處發(fā)生空蝕，如此反復(fù)作用，使破壞加劇，越到外緣磨蝕越嚴(yán)重。值得注意的是，此處的缺陷首先是由泥沙的撞擊和切割造成，然后才發(fā)生空蝕，泥沙撞擊與空蝕的反復(fù)作用使破壞加劇。

同樣道理，有些水輪機(jī)在葉片出水邊也出現(xiàn)一些與進(jìn)水邊相似的磨蝕破壞現(xiàn)象，這是因?yàn)楫?dāng)水流即將離開水輪機(jī)流道時(shí)，水流中的泥沙對(duì)后面的葉片進(jìn)行沖刷(撞擊和切割)，這種沖刷就像刀子對(duì)葉片出水邊端部的切割一樣(如圖2)，使葉片出水邊端部被破壞，進(jìn)而導(dǎo)致空蝕發(fā)生，在泥沙沖擊與空蝕的反復(fù)作用下使其破壞加劇。同樣道理，葉片出水邊的磨蝕也是越到外緣磨蝕越嚴(yán)重。

2.3 間隙磨蝕

間隙空蝕是造成水輪機(jī)空蝕破壞的主要原因之一，這是高速水流作用的結(jié)果。如果水流中又含有大量泥沙，則在空蝕與磨損相互作用下，磨蝕更加嚴(yán)重。一般來(lái)說(shuō)，水輪機(jī)間隙中(如迷宮環(huán)、抗磨板等)產(chǎn)生的磨蝕，首先發(fā)生的是間隙空蝕，然后在空蝕與磨損的雙重作用下加劇。同時(shí)，由于在間隙中存在泥沙顆粒，會(huì)對(duì)間隙兩邊的金屬產(chǎn)生2 種影響:1)在該顆粒周圍產(chǎn)生局部脫流，進(jìn)而產(chǎn)生空蝕;2)該顆粒對(duì)兩邊金屬已不是摩擦，而是對(duì)金屬的切割，當(dāng)顆粒硬度較高時(shí)，這種切割破壞力更加大。

以上3 種破壞(間隙空蝕、局部脫流和泥沙顆粒的切割)相互作用，造成間隙兩邊金屬的嚴(yán)重破壞。這種磨蝕主要是間隙空蝕與泥沙的存在造成并擴(kuò)大的結(jié)果，與單純的間隙空蝕不盡相同。

3 磨蝕的預(yù)防

對(duì)于多泥沙河流，不可避免空蝕與泥沙對(duì)水輪機(jī)的破壞，但是通過(guò)一些途徑，可以適當(dāng)減緩和減輕磨蝕對(duì)水輪機(jī)的破壞。

3.1 魚鱗坑磨蝕(空蝕磨損破壞)

根據(jù)前面分析，魚鱗坑磨蝕產(chǎn)生的主要誘發(fā)原因是翼型空蝕，泥沙磨損只是加大、加快葉片表面的破壞范圍和速度。

針對(duì)翼型空蝕，在設(shè)計(jì)、制造環(huán)節(jié)對(duì)水輪機(jī)葉片翼型進(jìn)行優(yōu)化和保證，盡量避免翼型空蝕發(fā)生的可能;而對(duì)由于泥沙的摩擦與撞擊導(dǎo)致葉片表面局部溫度升高造成水流空化產(chǎn)生的空蝕，可以通過(guò)增加吸出高度的辦法得到適度的減輕，但這也是很難做到的。

3.2 葉片進(jìn)出水邊端部磨蝕(沖擊空蝕破壞)

根據(jù)前面分析，這2 種磨蝕均為泥沙對(duì)金屬表面的撞擊與切割造成的，如果泥沙的硬度又比較大，則對(duì)表面的破壞更大。

所以，預(yù)防這2 種磨蝕主要應(yīng)該從提高材料的硬度方面考慮，特別是進(jìn)出水邊材料的硬度，如果有可能，可以在葉片的進(jìn)出水邊增加高硬度的材料，以減緩磨蝕的發(fā)展速度;另外就是盡量避免水輪機(jī)在非優(yōu)工況下的運(yùn)行，以減小水流與葉片進(jìn)水邊的沖擊角度。

3.3 間隙磨蝕

間隙磨蝕是指發(fā)生在水輪機(jī)間隙中(如迷宮環(huán)、抗磨板等)的磨蝕。

為了保證水輪機(jī)的能量指標(biāo)，一直以來(lái)都將間隙設(shè)計(jì)得很小，所以在間隙中極易產(chǎn)生空蝕，對(duì)于在清水中運(yùn)行的水輪機(jī)，由于在設(shè)計(jì)、制造及材料選擇等方面均采取一定的措施，這種空蝕破壞并不嚴(yán)重，而且目前使用的材料基本上可以部分緩解這種磨蝕。

但是，在多泥沙中運(yùn)行的水輪機(jī)，由于泥沙的存在特別是硬顆粒對(duì)金屬的切割，對(duì)金屬表面的破壞相當(dāng)嚴(yán)重。所以是否可以考慮采取降低某些能量指標(biāo)、適當(dāng)增加間隙等辦法，以減少這種破壞的幾率。另外，還應(yīng)該通過(guò)提高間隙兩邊金屬的硬度來(lái)提高其抗磨性。

4 結(jié)論

根據(jù)以上分析認(rèn)為，水輪機(jī)磨蝕主要表現(xiàn)有以下方面:

4.1 空蝕磨損破壞

主要發(fā)生在葉片背部，翼型空蝕引起，泥沙磨損加速并擴(kuò)大破壞。

當(dāng)空蝕的破壞速度小于或等于磨損的發(fā)展速度時(shí)，在水輪機(jī)表面出現(xiàn)魚鱗坑;當(dāng)空蝕的破壞速度大于磨損的發(fā)展速度時(shí)，則其破壞主要表現(xiàn)為空蝕破壞的現(xiàn)象。

在多泥沙河流中運(yùn)行的水輪機(jī)，由于空蝕的破壞速度小于或等于磨損的發(fā)展速度，一般出現(xiàn)魚鱗坑狀。

出現(xiàn)魚鱗坑的區(qū)域其空蝕指標(biāo)相對(duì)較好，而只出現(xiàn)深度空蝕現(xiàn)象的葉片，說(shuō)明其空蝕性能較差。

4.2 沖擊空蝕破壞

主要發(fā)生在進(jìn)、出水邊端部，泥沙直接對(duì)葉片端部的沖擊或切割引起端部破壞，相繼產(chǎn)生空蝕。

4.3 間隙磨蝕破壞

主要發(fā)生在水輪機(jī)間隙中(如迷宮環(huán)、抗磨板等)，是間隙空蝕和泥沙顆粒造成的局部脫流與切割聯(lián)合作用結(jié)果。