水力機組的汽蝕與防護

(湖北水利水電職業技術學院，湖北 武漢 430070)

摘 要：從水力機組汽蝕現象和機理分析入手，闡述了汽蝕的破壞作用、汽蝕類型， 討論了汽蝕的危害，進而提出了水力機組防止或減輕汽蝕的措施。

關鍵詞：汽蝕；汽蝕破壞；汽蝕類型；汽蝕防護

1 汽蝕的破壞作用

1.1 機械作用

機械作用是汽蝕破壞的主要形式。水力機組運行時，水體流經葉輪時，如果壓力降低到汽化壓力，水就開始汽化。這時水中便離析出汽泡。汽泡被帶到高壓區域，因為汽泡內是汽化壓力，而汽泡外的水流壓力較大。汽泡受壓破滅，此時高壓水體迅速沖向汽泡中心，形成巨大的水錘壓力。

1.2 化學作用

金屬過流表面由于受到長時間的連續打擊，局部會產生高溫（200～300℃）。同時由于水流汽化時析出氧氣，從而金屬表面被氧化，造成化學腐蝕，降低了過流部件的機械強度。

1.3 電化作用

金屬部件在不同區域的溫度高低不同，這樣就形成了熱電偶，產生電位差，發生放電現象。在電解作用下，過流表面會變暗并變得毛糙。

2 汽蝕的類型

2.1 葉片汽蝕

水力機組的葉片一般為翼形，所以葉片汽蝕又稱為翼形汽蝕。葉片汽蝕是水力機組最普遍的一種汽蝕。對于水輪機，葉片汽蝕主要發生在葉片背面靠近出水邊的位置；對于水泵主要發生在葉片正面靠近進水邊的位置。

2.2 間隙汽蝕

水流通過流道內狹小的間隙時，此時水流速度增高、壓力下降而形成汽蝕。如葉片外緣與轉輪室之間，固定部件與轉動部件的密封處均很容易發生間隙汽蝕。

2.3 渦帶汽蝕

又稱為空腔汽蝕，機組運行時，由于水力機組的進水流道、出水流道設計不當或在嚴重偏離設計工況下運行等原因，水流會發生嚴重的紊流、脫流及旋渦，從而產生渦帶。因為渦帶內部為很大的真空（負壓），當渦帶與部件相接觸時，部件會受到汽蝕破壞作用。

3 汽蝕的危害

3.1 破壞過流部件

機組遭受汽蝕時，在機械作用、化學作用和電化作用的聯合侵蝕下，機組的葉輪、管壁、密封處等零部件將會產生麻點、凹坑、穿孔甚至斷裂。

3.2 產生振動和噪音

汽泡的瞬間破滅，周圍水流的高速沖擊會引起很大的噪音。影響值班人員的身心健康。

3.3 使機組的性能下降

水力機組發生汽蝕時，因水流中含有大量汽泡堵塞水流流道，使得機組的流量降低，從而使機組的水頭（揚程）、效率、出力減小。

3.4 增加了機組的檢修管理費用

機組發生汽蝕后，必須及時投入人力、物力停機進行檢修，否則不但影響機組性能，而且急速加劇汽蝕破壞程度。這樣就縮短了機組的檢修周期，增加了機組的檢修管理費用。

4 汽蝕的防護

4.1 提高葉輪的設計、制造工藝水平

設計科學合理的葉片翼型，改善葉輪的水力性能，降低葉片的汽蝕系數。選用抗汽蝕性能較強的碳素鋼、合金鋼等材料來制造葉輪。提高過流表面的光潔度，避免出現毛刺、凹坑等現象，可有效減輕汽蝕破壞。

4.2 合理確定機組的安裝高程

機組所處的位置越低，則相應的大氣壓力越大，機組運行時越不易發生汽蝕。需要說明的是安裝高程越低，工程的土方開挖量越大，同時影響到機組的水頭（揚程）。因此應兼顧以上諸方面合理確定機組的安裝高程。另外在機組管道安裝時，盡量減小管路水頭損失，如增大管徑、縮短管長、減小管路閥件，提高管內壁的光潔度。

4.3 改善機組運行條件

若機組在水頭過低、流量過小等工況下運行時，流道內會出現壓力降低、旋渦等現象，很容易發生汽蝕。因此應盡量使機組運行在額定工況附近；通過主軸中心孔進行補氣，來改善水流形態；適當降低機組的工作轉速；另外工作水體的水溫不宜過高。

4.4 加強汽蝕部位的檢修

在機組發生汽蝕的初期，對過流部件的破壞程度較輕，此時應及時檢修，否則隨著運行時間的延長，汽蝕部位會加劇損壞。通常采用以下方法：磨光汽蝕所產生的麻點、毛糙部位；在汽蝕凹坑處及時補焊不銹鋼等抗汽蝕材料；在易汽蝕部位涂抹環氧樹脂。