陳俊

摘 要：在水輪機運行的過程中，空蝕是一種極為常見的問題，一旦出現(xiàn)就會導(dǎo)致水輪機的運作效率降低，影響整個系統(tǒng)的運行。隨著技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步人們對于空蝕的了解也越來越深入，但是到目前尚未能夠完全避免空蝕的出現(xiàn)。近年來，我國水利工程的發(fā)展進(jìn)入了全新的階段，在此加強對水輪機空蝕極其對策的研究具有極其特殊的意義。

關(guān)鍵詞：水輪機；空蝕機理；對策

1 空蝕的機理作用

水在周圍環(huán)境壓力達(dá)到一定的強度時將會發(fā)生汽化，對于水的汽化臨界壓力成為汽化壓力。在研究中發(fā)現(xiàn)水的汽化壓力并不是一層不變的，其在不同的溫度環(huán)境下會發(fā)生一定的變化，通過實驗發(fā)現(xiàn)，改變水環(huán)境的溫度將會導(dǎo)致水的汽化壓力發(fā)生變化，具體的變化如圖1所示：

圖1 水溫與飽和汽泡壓力關(guān)系曲線

通過水溫與飽和汽泡壓力關(guān)系曲線圖可以看出，水的汽化壓力隨著水溫的升高而升高，也就是說當(dāng)水環(huán)境的溫度降低時水的汽化壓力也會降低。水輪機在運作過程中會保持水的穩(wěn)定流動，但是在水流速度加快時會導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)的壓力降低，這時候就容易導(dǎo)致環(huán)境壓力低于溫度的汽化壓力，從而導(dǎo)致水的汽化。一旦水輪機周邊的水發(fā)生汽化就很容易導(dǎo)致空蝕現(xiàn)象的發(fā)生。

2 空蝕的破壞作用分析

通過研究發(fā)現(xiàn)空蝕對于水輪機表面的金屬材料破壞主要有3種作用，分別是機械作用、化學(xué)作用以及電化作，在這其中物理作用的破壞作用最大。

2.1 機械作用

在水輪機轉(zhuǎn)動的過程中水流在水輪機內(nèi)會因為流速的提升而導(dǎo)致局部的壓力降低，而壓力降低以后會導(dǎo)致水的汽化壓力降低，則水就會發(fā)生汽化，這時候就會導(dǎo)致水輪機流道內(nèi)發(fā)生水的汽化。這時候水體內(nèi)的氣體因為水的汽化會開始聚集釋放，這時候水道內(nèi)就會出現(xiàn)大量的氣泡，這些氣泡既有水蒸汽又有水內(nèi)的氣體。當(dāng)這些氣泡在離開低壓力區(qū)域時就會導(dǎo)致氣泡的破裂，一旦氣泡破裂會產(chǎn)生巨大的沖擊，在沖擊作用下氣泡內(nèi)的氣體回到水中，與水流劇烈收縮從而形成高壓的水核，水核在高速膨脹下沖擊周邊的水體環(huán)境，并對于水輪機表面產(chǎn)生沖擊，從而破壞水輪機表面的金屬。這樣的過程在發(fā)生空蝕時持續(xù)產(chǎn)生的，因此在不斷的沖擊下會導(dǎo)致水輪機被破壞。

2.2 化學(xué)作用

化學(xué)作用主要的還是源自于水體內(nèi)含有的各種化學(xué)物質(zhì)，當(dāng)氣泡破裂的瞬間會釋放出大量的熱量，并且產(chǎn)生較強的壓力。在高溫高壓的環(huán)境下會導(dǎo)致化學(xué)離子活躍性得到提升，從而促進(jìn)這些離子與金屬發(fā)生氧化還原反應(yīng)，具體的反應(yīng)如下：

2Fe+3Cl2=2FeCl3

4Fe+3O2=2Fe2O3

這樣的化學(xué)作用下導(dǎo)致了金屬部件損壞速度加劇。

2.3 電化作用

電化作用主要是因為氣泡破碎的瞬間產(chǎn)生的高溫導(dǎo)致了局部材料形成較大的溫差，從而形成了熱電偶，這時候材料內(nèi)有電流通過會導(dǎo)致熱點效應(yīng)，產(chǎn)生電化的腐蝕，使得金屬材料被破壞。

3 水輪機空蝕應(yīng)對方法

3.1 更換水輪機轉(zhuǎn)輪

在研究中發(fā)現(xiàn)水輪機發(fā)生空蝕有很大一部分原有時因為水輪機與發(fā)電機的轉(zhuǎn)數(shù)不匹配而導(dǎo)致的，這種情況下更換水輪機就是解決空蝕問題的最好方法。通過更換水輪機，使其與發(fā)電機實現(xiàn)轉(zhuǎn)數(shù)的匹配能夠有效的降低空蝕發(fā)生的概率。

3.2 采用抗蝕材料

空蝕的產(chǎn)生會導(dǎo)致水輪機的損壞，而在進(jìn)行水輪機的制造時如果選用抗蝕材料來進(jìn)行水輪機的制造就能夠有效的降低這一現(xiàn)象的危害。對此可以先進(jìn)行實驗，對于不同材料的抗蝕性能進(jìn)行比對，從而最終得出最佳的材料，抗蝕的水輪機材料應(yīng)當(dāng)具有：可焊性好、應(yīng)變硬化好、晶格細(xì)、抗拉力強、韌性好以及疲勞極限高等特點。

3.3 改進(jìn)加工工藝水平

在進(jìn)行水輪機加工的過程中如果能夠改善水輪機的加工攻擊能夠有效的降低水輪機的破壞，降低空蝕對于水輪機的危害。對此應(yīng)當(dāng)不斷的改進(jìn)水輪機加工工藝。在進(jìn)行水輪機加工的過程中一定要確保翼型的正確，此外還應(yīng)當(dāng)保證葉片表面的光滑，還需要確保水輪機的強度以及抗蝕性能。

4 國內(nèi)改善空蝕性能實例

近年來，我國水電發(fā)展迅速，新建起的水電站結(jié)合以往的經(jīng)驗，采取直接而有效的措施抵制和防止水輪機空化與空蝕，從選材、設(shè)計、制造、裝置均采用最先進(jìn)的水力設(shè)計理念和技術(shù)，盡量降低空蝕的破壞。

向家壩水電站是中國第三大水電站，是金沙江水電基地的最后一級水電站。就轉(zhuǎn)輪葉片葉型而言，向家壩轉(zhuǎn)輪未采用傳統(tǒng)的、常規(guī)的正傾角水輪機葉片，而是使用進(jìn)水邊前傾的負(fù)傾角葉片，這種葉片可減少葉片進(jìn)水邊背面的脫流，對工況的變化有更好的適應(yīng)性。經(jīng)CFD分析和模型試驗表明，負(fù)傾角葉片正、背面壓力分布均勻，下環(huán)進(jìn)水邊無局部低壓，即負(fù)傾角葉片轉(zhuǎn)輪的水力穩(wěn)定性、抗空蝕能力均優(yōu)于傳統(tǒng)的正傾角葉片。向家壩水電站采用整體轉(zhuǎn)輪，轉(zhuǎn)輪的材料采用全不銹鋼材料，可以很好的提高水輪機的空蝕性能。

5 結(jié)語

在水輪機運行過程中空蝕是一種普遍存在的現(xiàn)象，其不僅會產(chǎn)生較強的噪聲，還會導(dǎo)致水輪機受損，影響整個系統(tǒng)運行的效率與壽命。因此在進(jìn)行水電站設(shè)計的過程中一定要充分的考慮水電站的各方面因素，選擇最為恰當(dāng)?shù)乃啓C型號。此外還應(yīng)當(dāng)不斷的加強技術(shù)，努力的提升水輪機加工工藝，努力的確保我國水電站水輪機的穩(wěn)定運行。

參考文獻(xiàn)

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[2]李星辰，強海軍，陳勇.銅街子水電站水輪機轉(zhuǎn)輪室空蝕缺陷研究與處理工藝[J].水電與新能源，2016，（8）：49-50.

（作者單位：黔東南州地方電力總公司鎮(zhèn)遠(yuǎn)分公司）