陳俊

摘 要：在水輪機(jī)運(yùn)行的過(guò)程中，空蝕是一種極為常見(jiàn)的問(wèn)題，一旦出現(xiàn)就會(huì)導(dǎo)致水輪機(jī)的運(yùn)作效率降低，影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。隨著技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步人們對(duì)于空蝕的了解也越來(lái)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(lái)，我國(guó)水利工程的發(fā)展進(jìn)入了全新的階段，在此加強(qiáng)對(duì)水輪機(jī)空蝕極其對(duì)策的研究具有極其特殊的意義。

關(guān)鍵詞：水輪機(jī)；空蝕機(jī)理；對(duì)策

1 空蝕的機(jī)理作用

水在周?chē)h(huán)境壓力達(dá)到一定的強(qiáng)度時(shí)將會(huì)發(fā)生汽化，對(duì)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(huì)發(fā)生一定的變化，通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，改變水環(huán)境的溫度將會(huì)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(guò)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(shuō)當(dāng)水環(huán)境的溫度降低時(shí)水的汽化壓力也會(huì)降低。水輪機(jī)在運(yùn)作過(guò)程中會(huì)保持水的穩(wěn)定流動(dòng)，但是在水流速度加快時(shí)會(huì)導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)的壓力降低，這時(shí)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(jī)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(guò)研究發(fā)現(xiàn)空蝕對(duì)于水輪機(jī)表面的金屬材料破壞主要有3種作用，分別是機(jī)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(jī)械作用

在水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中水流在水輪機(jī)內(nèi)會(huì)因?yàn)榱魉俚奶嵘鴮?dǎo)致局部的壓力降低，而壓力降低以后會(huì)導(dǎo)致水的汽化壓力降低，則水就會(huì)發(fā)生汽化，這時(shí)候就會(huì)導(dǎo)致水輪機(jī)流道內(nèi)發(fā)生水的汽化。這時(shí)候水體內(nèi)的氣體因?yàn)樗钠瘯?huì)開(kāi)始聚集釋放，這時(shí)候水道內(nèi)就會(huì)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(kāi)低壓力區(qū)域時(shí)就會(huì)導(dǎo)致氣泡的破裂，一旦氣泡破裂會(huì)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(duì)于水輪機(jī)表面產(chǎn)生沖擊，從而破壞水輪機(jī)表面的金屬。這樣的過(guò)程在發(fā)生空蝕時(shí)持續(xù)產(chǎn)生的，因此在不斷的沖擊下會(huì)導(dǎo)致水輪機(jī)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(huì)釋放出大量的熱量，并且產(chǎn)生較強(qiáng)的壓力。在高溫高壓的環(huán)境下會(huì)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?yàn)闅馀萜扑榈乃查g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(shí)候材料內(nèi)有電流通過(guò)會(huì)導(dǎo)致熱點(diǎn)效應(yīng)，產(chǎn)生電化的腐蝕，使得金屬材料被破壞。

3 水輪機(jī)空蝕應(yīng)對(duì)方法

3.1 更換水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪

在研究中發(fā)現(xiàn)水輪機(jī)發(fā)生空蝕有很大一部分原有時(shí)因?yàn)樗啓C(jī)與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)不匹配而導(dǎo)致的，這種情況下更換水輪機(jī)就是解決空蝕問(wèn)題的最好方法。通過(guò)更換水輪機(jī)，使其與發(fā)電機(jī)實(shí)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(huì)導(dǎo)致水輪機(jī)的損壞，而在進(jìn)行水輪機(jī)的制造時(shí)如果選用抗蝕材料來(lái)進(jìn)行水輪機(jī)的制造就能夠有效的降低這一現(xiàn)象的危害。對(duì)此可以先進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)于不同材料的抗蝕性能進(jìn)行比對(duì)，從而最終得出最佳的材料，抗蝕的水輪機(jī)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(qiáng)、韌性好以及疲勞極限高等特點(diǎn)。

3.3 改進(jìn)加工工藝水平

在進(jìn)行水輪機(jī)加工的過(guò)程中如果能夠改善水輪機(jī)的加工攻擊能夠有效的降低水輪機(jī)的破壞，降低空蝕對(duì)于水輪機(jī)的危害。對(duì)此應(yīng)當(dāng)不斷的改進(jìn)水輪機(jī)加工工藝。在進(jìn)行水輪機(jī)加工的過(guò)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(jī)的強(qiáng)度以及抗蝕性能。

4 國(guó)內(nèi)改善空蝕性能實(shí)例

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

向家壩水電站是中國(guó)第三大水電站，是金沙江水電基地的最后一級(jí)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(jī)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(duì)工況的變化有更好的適應(yīng)性。經(jīng)CFD分析和模型試驗(yàn)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(wú)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(jī)的空蝕性能。

5 結(jié)語(yǔ)

在水輪機(jī)運(yùn)行過(guò)程中空蝕是一種普遍存在的現(xiàn)象，其不僅會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的噪聲，還會(huì)導(dǎo)致水輪機(jī)受損，影響整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的效率與壽命。因此在進(jìn)行水電站設(shè)計(jì)的過(guò)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(jī)型號(hào)。此外還應(yīng)當(dāng)不斷的加強(qiáng)技術(shù)，努力的提升水輪機(jī)加工工藝，努力的確保我國(guó)水電站水輪機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

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（作者單位：黔東南州地方電力總公司鎮(zhèn)遠(yuǎn)分公司）