混流式水轮机汽蚀机理与措施分析

混流式水轮机汽蚀机理与措施分析

杨绍良王浩

（华能澜沧江水电股份有限公司黄登•大华桥水电厂云南省兰坪县671406）

摘要：随着经济的发展和社会的进步，使得人们对于生活质量的要求也得到了很大的提升。水电站对于人们的生活质量有着十分重要的作用，因此对其运行情况进行关注是十分必要的。水电站运行的核心就是其混流式水轮机的运行，只有保证该水轮机的运行符合标准才能源源不断的电力的传输。在水轮机的正常运行过程中，气蚀问题时影响其正常运行的十分重要的元素，会在一定程度上使得其实际的使用寿命下降，造成水电站的工作出现问题。本文主要根据笔者的实际工作经验以及相关的理论研究对混流式水轮机汽蚀机理与措施进行一定的分析，希望能够为后期的研究者提供一定的参考。

关键词：水轮机；气蚀；热处理；零气蚀检修

0、引言

在水电站进行正常运行的过程中，混流式水轮机是其中最为关键的部件，水轮机的工作的效率以及稳定性对整个水电站的工作都有着十分重要的影响。水轮机在进行运行额过程中，主要是通过水的流动带动其进行转动，在经过一系列的电学元件将机械能及时的转化为电能，并将其电能传输给千家万户。而水作为水轮机工作的介质，当水温到达了一定的程度的时候，就会产生一定的气蚀现象，另外由于实际的水的纯净度会会大大的影响水轮机的实际工作，含泥量较大的水质会对水轮机造成一定的磨损，使得其表面出现很多的刻痕。这就会使得水轮机的实际使用寿命得到大幅度的下降。

1、混流式水轮机气蚀的产生原理

由于水体中的杂质是十分多变的，而其中的介质在一定程度上会对水轮机的实际工作造成一定的影响，因此，当水轮机在进行实际的运行过程中，当其水体中的杂质含量出现了一定的变化之后，气蚀就有可能由于其变化而出现。由于水轮机的工作是由于水体的流动带动水轮机的叶片进行转动，将水中的动能及时的转化为叶片的动能，从而使得水轮机能够进行正常的运行的。因此当水的动力弯矩出现变化时，就有可能使得叶片的背面由于水流弯矩的变化而产生一定的负压，使得叶片承受的荷载更大，对其正常工作有一定的影响。根据相关的理论可知，气核以及空气在水中的比例大概为百分之五左右，因此为了使得水轮机的正常工作能够得到保障，就需要对其实际的水压比进行一定的限制，而当其实际的水压比比空气压力要大的时候，由于空气压力与水压比之间已经不能构成较为稳定的平衡，就会使得气泡冒出，而气蚀的产生就是在气泡冒出的瞬间。当水轮机在进行正常的运行的过程中时，由于水体的高速流动，使得水轮机内部的压力较高，这就在一定程度上会产生一定的气泡，而在高压的过程中，气泡的内部压力小于外界的压力，也就造成了气泡存在的条件被破坏。使得气泡破裂，当其破裂的时候，就有可能使得气泡周围的水体由于压力的减小而出现一定的激射，对水轮机的金属材料将会造成较大的破坏。而金属材料由于其实际的特性，使得其在一定的受力范围内会出现弹性变形，而超出了该范围之后其变形与其承受的应力将成正比，也就是其变形将会急剧的增大，这将导致水轮机的金属材料在承受相关荷载的过程中会出现金属颗粒剥落的情况，使得是水轮机的质量受到极大的影响。

2、混流式水轮机防气蚀原理

根据上述的原因可以发现，在水轮机进行正常运行的过程中，发生气蚀时不可避免的，因此，我们能做的就是在其进行使用的过程中对其进行一定的防治，使得气蚀对水轮机的正常运行的影响较小，尽可能的减小气蚀的现象，并且使得其实际的检修费用下降，通过笔者的相关研究，可以将其实际的防护分为以下几个步骤：

2.1设计方面

前文已经说到，气蚀产生的主要原因就是水体在结构的内部进行流动的过程中由于其速度过快，使得水轮机的叶片承受的压力较大而使得其质量下降的过程。因此在进行设计的阶段，就需要为后期的防护进行铺垫，对其水轮机的内部结构进行一定的优化，使得水流在其中流动的过程中更加顺利，尽可能的减小水轮机的叶片承受较大的压力。在进行设计的过程中，可以考虑对其叶片的头部进行一定的改善，使得其水轮叶片更加具有流线型，并且考虑水体在水轮机中的运行过程以及叶片的受力，对其流线型进行一定的改善，使得叶片在承受压力的过程中能够更加均匀的受力，尽可能的避免局部受力过大的问题。在对叶片的边缘进行设计时，可以考虑将其边缘的厚度尽可能的较小，这就可以使得其才水流中承受的荷载尽可能的减小，在叶片的迎水面不应该设置凹槽以及凸起等形式的构件，使得水的流动更加顺利，减小水对叶片的冲击。

2.2提升材料表面的抗气蚀的能力

对于抗气蚀问题的研究的过程中，可以将研究的眼光聚集与对叶片的材料的选择上，不同的材料的抗气蚀能力是不一样的。例如铝合金作为合金，其具有多种金属的优点，使得其在进行抗气蚀方面能够具有更好的抗腐蚀性，并且不锈钢材料本身的弹性较好，因此当水流经过时，不锈钢材料制成的叶片可以及时的将一部分的压力进行传递，使得叶片本身不会承受大于其实际承载能力的情况。但是铝合金材料的成本问题是当前相关的人员需要考虑的问题。如果将整个铝合金作为其实际的叶片，则将造成该叶片的成本过高，因此当前一般是将铝合金贴合在叶片的表面，但是这样也存在一定的缺点，就是贴片当遭遇较大的压力时就有可能使得其掉落。因此相关的研究人员为了及时的应对这种问题，就及时的提出了将铝合金的焊液直接堆焊在叶片的母材上，并且对其经常出现气蚀的部分进行严格的保护，使得其质量能够得到一定的保障。

2.3热处理

由于金属材料是制造水轮机的主要材料，因此当研究人员对其实际的抗腐蚀性能进行研究的过程中，首先需要的就是将其眼光放在对其材料的抗腐蚀性能的研究上。而为了使得相关的材料的抗腐蚀性能得到提升，就需要对其材料进行一定的热处理，使得其抗腐蚀性能得到提升。当钢材经过热处理的步骤之后，材料的内部结构将会出现一定的变化，而在进行实际的热处理的过程中，如果由于整个叶片的尺寸太大时，可以根据实际的情况对其表面进行局部的热处理的方式。当水轮机的叶片经过长时间的使用已经造成其上部的气蚀现象十分严重时，为了对其进行一定的修复，可以对其气蚀部位进行一定的乙炔焊，并且之后需要对其进行一定的淬火，但是应该注意的是，需要尽可能的避免材料的内部出现温度应力，因此需要对其进行一定额回火处理，消除其温度应力。

3、机组检修

为了使得其实际的使用时间得到延长，因此需要对其进行一定的检修，首先应该对其转轮室的气蚀进行处理，将转轮室内部的气蚀部位进行一定的铲除，之后为了使得其表面更加光滑，需要采用砂轮机对其进行一定的打磨，使得其表面更加适合水体的流动。其次在进行堆焊的过程中，应该将桨叶的变形考虑进去，应该尽可能的避免对其采用连续施焊，避免其在进行焊接的过程中出现应力集中而破坏。前文已经提到，需要保证整个叶片的足够光滑，因此需要对其焊缝进行一定的处理，首先应该在裂缝的两段对其进行打孔，之后利用气刨对其进行光滑的打磨，在对其进行打磨之后需要对焊缝部位的光滑程度进行实际的测量，保证其光滑程度符合相关的设计要求。

4、结语

混流式水轮机一旦发生汽蚀的现象会导致水轮机效率以及出力的降低。如果混流式水轮机在气灼区继续运行，机组的稳定性会遭到破坏，同时机组会产生振动以及负荷波动，这样会大大降低混流式水轮机的使用寿命，影响水电站的运行效率。因此，对混流式水轮机的运行工况进行改善，对水库调度方案进行科学合理的制定，定时安排维修人员进行混流式水轮机组的维修。对水轮机发生汽蚀的位置及时进行补焊处理，这是确保水电站安全运行的关键。

参考文献：

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