水轮机抗空化和空蚀措施

　　摘要：水轮机空化和空蚀现象是不可避免的，但如果能够综合设计、制造、选型、运行以及检修各方面的考虑，深入分析与总结其防范措施，是可以在一定程度将其降低的。故笔者结合多年现在经验，对这一部分内容进行了总结，以供参考。

　　关键词：水轮机 空化 空蚀

　　Abstract: Turbine cavitation and cavitation phenomenon is inevitable, but if can integrate design, manufacture, selection, operation and maintenance of various aspects to consider, the thorough analysis and to sum up the preventive measures, is in a certain degree can reduce the. So the author combined with years experience now, for that part of the content is summarized, and for reference.

　　Key Words: turbine cavitation erosion

　　中图分类号： TK73 文献标识码：A 文章编号：

　　前言：一般来说，水轮机内完全避免发生空化和空蚀现象是不可能的，这是因为合理地确定水轮机的吸出高度，只解决了翼型空蚀问题，并没有解决空腔空蚀和间隙空蚀的问题。另外，按照完全避免发生空蚀的条件来决定吸出高度也不合适，如果真这样做，将导致电站开挖量的急剧增加，使得经济上很不合理。最后就空蚀系数本身来说，因为影响它的因素较为复杂，直接用理论计算或直接在叶片上测量均由困难。目前是根据效率突然降低的模型试验方法来决定空蚀系数的。实际上，空化和空蚀现象在效率突然下降前早已发生，效率突然下降，说明空化和空蚀已发展到了相当严重的程度。何况转轮模型试验的条件与原型水轮机的运行条件也存在着一定的差异。

　　近代国内外对空蚀问题作了大量的研究，并总结出一些预防空蚀的经验，大致涉及到以下若干方面。

　　1.设计

　　设计主要是采用合理的设计改善翼型。例如，改善叶片头部的形状，使转轮叶片呈光滑的流线型;尽可能使叶片上压力分布均匀，并缩小低压区;叶片背面无鼓包，使水流平顺流畅;叶片出口边应较薄等。实践证明，翼型设计得合理，是可以减轻空化和空蚀损伤的。但从能量观点上讲，要求水轮机的过流量尽可能大，而空蚀系数又随过流量的增加而增加，为保证水轮机有良好的能量特性，空蚀系数不可能太小。

　　2.制造

　　提高制造工艺水平，使转轮叶片加工后的型线尽可能与设计模型图一致。实际运行中，在同一个水轮机上，发现各叶片被空蚀损坏的程度差别很大，这是由于制造时型线误差较大造成的。另外，还应注意叶片表面的粗糙度，粗糙的过流表面会增加空泡产生及破裂的频率，空泡在金属颗粒缝隙中破裂时对金属表面的破坏性更大。

　　3.选型

　　水轮机翼型空蚀与吸出高度HS的关系密切，从若干运行水电厂的调查情况来看，吸出高度比制造厂要求保证的值留有1m以上的余量，空蚀损坏较轻微。但也有个别水厂的实际吸出高度与制造厂的保证值相比虽然有5-6m的余量，但仍遭受空蚀损坏的，这主要是由于翼型制造不良或运行中的特殊原因所造成的，这种情况用降低安装高程的办法是解决不了空蚀问题的。相反，安装高程太低，可能引起空腔空蚀和振动。当HS超过-5m后，补气很困难。

　　4.运行

　　4.1 合理拟定水电厂的运行方式

　　运行工况对空化和空蚀有一定影响，但目前仍未找到运行工况对空蚀影响的明显规律。对于空化和空蚀严重的运行工况区域，应予以避开。

　　4.2 空蚀补气

　　补气能够形成气泡，它是一种吸收振动的介质。另外补进的空气可以冲散涡带，并以气泡填充转轮下部和尾谁管上部的整个空间，所以补气对破坏空腔空蚀、减轻空蚀振动有一定的作用。目前常用两种补气方式：

　　(1)主轴中心自然补气

　　当尾水管真空度达到某一定值时，球阀开启，空气从主轴中心通过球形吸力阀而进入尾水管，破坏尾水管的真空。

　　这种补气方式的补气量较小，仅对由于水力原因引起的振动起到一定的消弱作用，不足以消除尾水管涡流引起的压力脉动。另外，这种补气方式不管吸力阀放置在主轴的上部或是下部，补气时噪音都很大。

　　(2)尾水管补气

　　有些水轮机在制造时，已考虑了在尾水管上装置补气管。对于尾水管补气，应注意补气量、补气位置及结构等。补气管采用十字架或短管形式，需注意：

　　a. 机组大小与尾水管尺寸。机组越大，尾水管断面越大，补气结构应越牢固，所以大中型机组一般采用十字架或三叉架补气。

　　b. 补气量的大小。为了吸收全部的振动能，必须补入足够量的空气，但压力脉动是随工况而变化的，因此补气量也应随工况变化而变化。一些试验表明，补给某一定范围的空气量对消除尾水管压力脉动最好，而超出则效果并不显著。

　　c. 补气位置。不同的补气位置有不同的补气效果。补气的位置应使所补空气进入压力脉动区，这样效果最好。所以显著都在离中心较远处补气，因为靠近尾水管边壁处流速较高，故补气管开口处的局部负压也较大，易于吸入空气。但补气管中央的竖管也是必须的。开孔的方向应背向水流，以避免四周压力较高的水流进入出气孔而堵塞补气管。

　　d. 孔口开口面积应不小于补气管进气断面面积，以便空气顺畅进入。补气管最高点距离上冠应有一定的距离。

　　e. 补气对水轮机效率的影响。关于补气对水轮机效率的影响问题，目前看法很不一致，一种认为补气降低了尾水管的真空度，从而降低了水轮机的有效水头。据某水电厂试验，当补气量大于1%的过流量时，效率降低约1%。另一种看法是补气能消减涡流，同时补气装置本身是一种稳流结构物，可破坏水流原来的流态，适量的补气不但不会降低效率，甚至在装补气管后，效率还有升高的趋势，也有一些国内外研究资料证明了该种看法。

　　5.检修

　　对已受到空蚀损坏的水轮机转轮叶片，在检修中进行处理。一般对深度为1mm左右的空蚀损伤，只进行打磨使其平整。对于空蚀损坏较严重的，可根据同一个转轮上叶片损坏最轻微的那个叶片或者根据厂家图纸，制成叶片样板，然后把叶片损坏处铲磨清理至母材并堆焊，再根据样板线形打磨光滑。

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