浅谈水轮机的空化和空蚀

技术报告——浅谈水轮机的空化和空蚀

水轮机在运行中存在四大问题：动能指标（流量、出力、转速）、效率、空化性能、稳定性。在上述问题中，空化、空蚀被喻为水轮机的“癌症”。所以在水电厂水轮机运行生产过程中空化、空蚀是一个必须注意和避免的问题，我们必须了解其物理性质，然后找到避免和处理的方法。

空化是一种液体现象，固体或气体都不会发生空化。当液体温度一定时，降低压力到某一临界压力时，液体也会汽化或溶解于液体中的空气发育成空穴，这种现象称为空化。沸腾也是一种汽化，但沸腾是液体在衡定压力下加热，液体温度高于某一温度时发生的汽化，与空化不同之处就在于沸腾主要是热能交换的过程，而空化可近似看作是一个冷过程。

空化包括了空穴的出生、发育和溃灭。当液体的压力降到某一临界值时，液体中便会产生空穴，这些空穴进入压力较低区域时，就开始发育成较大的气泡，气泡被流体带到高于压力临界值的区域时就会溃灭。在空化区，空泡的不断产生又不断溃灭过程中，将产生高频高压的微观水击，由于高频高压的水击直接作用于过流表面，形成机械破坏，长期反复作用形成疲劳破坏。同时空泡在溃灭时产生高温（可达到300—500摄氏度），与周围介质形成温差，产生温差电势，造成电化学腐蚀，而高温作用下产生氧，并增加其他有害气体的活性，产生腐蚀。由于以上几种因素的联合作用，加快了过流表面的腐蚀破坏，这就是空蚀。空蚀是空化的直接结果，空蚀只发生在固体表面。

由以上分析我们知道空化、空蚀的根本原因是水轮机自身产生的低压造成的。而液体在混流式机组过流管道中低压的形成主要有：

1)、翼型绕流：当水流绕流水轮机翼型叶片时，叶片背面的压力往往为负压，当叶片背面压力降低到环境汽化压力以下时，将会出现空化区空蚀水轮机叶片，对水轮机叶片造成破坏，即翼型空蚀。

2）、狭小空隙：当水流流过混流式机组导叶上下断面、立面密封、迷宫环等狭小通道或间隙时，将会导致局部流速升高，压力降低，当压力降低到环境汽化压力以下时，同样会产生空化区，空蚀导叶、叶片等，即间隙空蚀。

3)、局部脱流：由于加工和铸造的缺陷形成水轮机表面不平整、沙眼、气孔等引起局部流态突然变化，形成低压，产生空化区，造成水轮机的局部破坏，即局部空蚀。

4）、漩涡中心：当混流式水轮机偏离设计工况运行时，在水轮机叶片出口处水流存在一定的圆周速度分量，在转轮后产生涡带。在涡带中心形成负压，产生空化区，由于该漩涡在尾水管中旋转，对尾水管进口边壁造成破坏，及空腔空蚀。

以上是造成混流式水轮机空化、空蚀的主要原因。由于空化、空蚀是水轮机的癌症，空蚀会使被空蚀部位产生麻点、麻坑，形成蜂窝状的侵蚀，威胁着水轮机的安全运行，我们必须对其高度重视，进行综合治理。

对于我厂来说，由于还未投产发电，水轮机还处于设计、铸造、加工中，在这一过程中，我们必须和设计单位沟通协调改善水轮机的设计，同时加强对水轮机铸造、加工的监督，使其尽量提高其加工精度、提高加工工艺，保证使加工后的转轮叶片与模型一致，同时也可以使用抗腐蚀材料。在施工过程中，监督施工单位对流道内的螺钉孔填平，把裸露的螺钉挫平，防止局部空蚀的发生。

水轮机的空化、空蚀不仅和设计、铸造、加工、施工有关系，同时和水轮机的运行条件有密切关系，这就要求我们运行人员在水轮机的运行生产工程中高度

重视。在我厂投运以后，运行人员在监盘、巡检过程中，密切关注水轮机在运转中的声音，振动、摆度情况，水轮机的效率、功率。因为当水轮机发生空化后会发出闷雷样低频噪声，同时伴有机组振动明显加剧、水轮机效率下降或功率摆动。如有以上情况时，应该检查尾水管补气情况，补气是否正常，不正常检查补气阀工作情况，检查机组是否运行在非设计工况区。同时运行人员应该根据水轮机的运行情况与调度协调，让水轮机组在运行过程中避开低负荷、低水头、超负荷等不良运行工况。维护人员在机组检修时，仔细检查机组各部位空蚀情况，对被空蚀部位进行及时处理，并采取措施提高其抗空蚀强度。

空化、空蚀是水轮机的一大危害，在以后的生产过程中，我们运行人员必须高度重视。