混流式水輪機汽蝕機理與措施分析

馬宏祿

【摘要】在水電站混流式水輪機運行過程中，汽蝕是最為常見的問題，這也是各水電站一直在致力解決的關鍵問題。混流式水輪機在發生汽蝕之后，其使用壽命會大大縮短，影響水電站的正常運行。本文研究分析了混流式水輪機的汽蝕，并提出相應的解決措施，有效的提高了混流式水輪機的使用壽命。

【關鍵詞】水輪機；汽蝕；熱處理；零汽蝕檢修

在水電站運行過程中，混流式水輪機作為其中一個重要的組成部分，對于水電站的正常運行有著至關重要的作用。水作為混流式水輪機運行的主要介質，在溫度的變化下，會產生汽蝕的現象。在混流式水輪機來說，除了受到水溫以及水壓的現象而引起的汽蝕現象，還會因為泥沙過多而產生泥沙磨損。混流式水輪機的汽蝕，不但會對水輪機的正常運轉產生影響，還會大大縮短水輪機的使用壽命。

1、混流式水輪機汽蝕的產生機理

在混流式水輪機運行過程中，汽蝕問題很容易因為邊界條件的變化而出現。水流的短矩會因為轉輪葉片的作用而產生變化，從而導致葉片背面出現負壓。從分析來看，汽核或者空氣在水中所占比例大約是5%，如果水壓比一定的限制要低，并且要高出空化壓力的時候，就會出現氣泡產生，而汽蝕現象就是發生在氣泡破裂的時候。在水輪機正常運行過程中，水輪機的流道內會有水流動，流道內的高壓區進入的水流中伴隨著氣泡，在過高的壓力作用下，氣泡內外部的壓力不平衡，從而導致氣泡因此而破裂。在汽泡潰裂的過程中，由于壓力的不同而產生極大的沖擊力，形成較高的射流，這種瞬間的射流沖擊力非常大。在高頻率的射流水擊下，過流表面需要承受很大的沖擊載荷，長此以往，金屬材料的韌性就會受到影響，轉變為脆性狀態。在此過程中，屈服點逐漸的降低，在屈服點達到一定的臨界后，在射流的沖擊力作用下，金屬表面的顆粒就會脫落，直接產生塑性變形，對水輪機造成很大的破壞。

2、混流式水輪機防汽蝕措施

在水輪機運轉過程中，汽蝕是不可避免的現象。因此，混流式水輪機的防治目的是延長水輪機部件使用壽命，減少汽蝕侵害，減少維修檢查費用，延長檢修周期，可采取如下措施：

2.1 設計方面

水流內部結構是汽蝕形式的主要控制因素，所以，對混流式水輪機的翼型進行設計以及改善是減少汽蝕的有效方法：

例如改善葉片頭部，轉輪葉片應呈光華的流線型，盡可以使葉片上壓力分布均勻，并縮小低壓區；在葉片上特別是前面無鼓包使水流平順流暢；葉片出口邊應較薄，采用機組成組調節，改善水輪機運行工況，應避開汽蝕的運行工況區域。

上壓力分布均勻，并縮小低壓區；在葉片上特別是前面無鼓包使水流平順流暢；葉片出口邊應較薄，采用機組成組調節，改善水輪機運行工況，應避開汽蝕的運行工況區域。并縮小低壓區；在葉片上特別是前面無鼓包使水流平順流暢；葉片出口邊應較薄，采用機組成組調節，改善水輪機運行工況，應避開汽蝕的運行工況區域。

2.2 提高材料表面的抗汽蝕能力

在材料抗蝕性能方面，不銹鋼具有良好的抗腐蝕性，不銹鋼良好的彈性可以有效的將水氣化分子作用力進行消除。然而不銹鋼材料成本太高，不可能應用于整個轉輪。通常情況下，會將不銹鋼板貼在普通鋼材上，但是這樣容易出現拉裂掉塊的問題。因此，為了達到節約成本，提高抗腐蝕性能的目的，可以將不銹鋼焊液堆焊在轉輪母材料表面的汽蝕區。針對一些設備簡陋，測量手段較差的水電站，為了避免轉輪葉型因為堆焊而出現變形，避免使用焊接時間過長的方式，要采取小電流短焊接的方式來避免因為高溫而產生的變形。

2.3 熱處理

金屬材料是構成水輪機的主要材料，因此加強水輪機的抗蝕性能主要從提高金屬材料的抗蝕性能入手。在這方面，可以采取熱處理的方式提高金屬材料的抗蝕性能。在進行過熱處理之后，鋼的內部組織結構發生改變，從而改變水輪機的機械性能。在進行熱處理的時候，轉輪葉片如果尺寸過大，可以采取表面熱處理或者局部熱處理的方式來進行。如果轉輪葉片汽蝕情況嚴重，需要在汽蝕嚴重的部位在氧氣或者乙炔火焰的輔助下進行淬火，這樣一來汽蝕嚴重的部位能夠快速達到淬火的溫度，之后立即進行冷卻，需要注意的是熱量必須不能到達材料內部，在冷卻過程中，內應力會因為冷卻速度不同而出現，因此要需要進行回火處理。

2.4 汽蝕補氣

補氣能夠形成氣泡，這是一種吸收振動的減輻介質，此外，補進的空氣沖散渦帶，并以氣泡填充轉輪下部和尾水管上部整個空間，因補氣對破壞空腔汽蝕，吸收汽蝕有一定的作用。

3、機組檢修

3.1 處理轉輪室的汽蝕

首先轉輪室汽蝕部位出現的蜂窩狀要利用氣刨將其鏟除，之后進行打磨光滑，需要用到的是砂輪機，緊接著進行堆焊，需要用不銹鋼焊條且要均勻的堆焊，最后利用砂輪機進行打磨。

3.2 處理槳葉的汽蝕

在進行堆焊時，應考慮到槳葉的變形，不能進行連續施焊，而應進行間隔施焊，并注意應慢慢冷卻，焊條應沿周圍方向走動，以增加運行中的焊接強度。處理完后進行葉型校型，樣板控制。

3.3 處理焊縫

先在裂縫的兩頭鉆10mm深的孔，然后用氣刨將裂紋刨掉、打磨、施焊，打磨光滑即可。很多電站的實踐證明，補焊區的打磨工作，對機組今后過程中汽蝕破壞大小很關鍵，打磨后的部位光潔度是否到了設計要求，能否保持原來的型線等等，這些須認真對待。

3.4 焊接材料及工藝

抗汽蝕材料能夠有效預防水輪機的汽蝕現象，從目前來看，我國主要應用的是不銹鋼與鋁鐵青銅。這些材料具有良好的韌性，且硬度以及疲勞極限都與水輪機材料要求相符合，將這些材料應用在水輪機部件中，能夠大大提高抗汽蝕性能。

通常情況下，可采用金屬噴焊技術覆蓋材料表面。對于產生汽蝕的部件，采用抗蝕材料，例如D276高鉻錳鋼耐汽蝕堆焊條，采用堆焊的方式集合局部翼型進行焊接休整，同時需要打磨到光滑平整。

4、結束語

混流式水輪機一旦發生汽蝕的現象，會導致水輪機效率以及出力的降低。如果混流式水輪機在氣灼區繼續運行，機組的穩定性會遭到破壞，同時機組會產生振動以及負荷波動，這樣會大大降低混流式水輪機的使用壽命，影響水電站的運行效率。因此，對混流式水輪機的運行工況進行改善，對水庫調度方案進行科學合理的制定，定時安排維修人員進行混流式水輪機組的維修，對水輪機發生汽蝕的位置及時進行補焊處理，這是確保水電站安全運行的關鍵。

參考文獻：

[1]周銀康.論水電站水輪機汽蝕產生原因分析及防范措施[J].中國新技術新產品，2011-10-10.