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【摘 要】目前我国在运行水电站中，水轮机作为主要的机组部位，其正常运行有效的保证了电力的生产。但是长久以来，水轮机汽蚀现象对其的影响有增无减，严重影响了我国水电生产。然后汽蚀现象又是无法避免的，所以我们必须加强对其的防治。
【关键词】水轮机；汽蚀；原因；措施
前言：在本文中笔者首先介绍了水轮机汽蚀的危害，同时通过对汽蚀产生机理的阐述，分析了水轮机汽蚀的破坏作用，并提出了相应的防范措施。
1 水轮机汽蚀的危害
水轮机汽蚀对于水电站的危害是比较大的，它不仅影响机组的正常运行，同时也会降低机组的运行寿命。它主要会对水轮机过流部件、导叶、转轮、尾水管等造成破坏；由于气蚀会扰乱水流的正常运行规律以及能量转换，增加水流的漏损以及水力损失，它会直接降低水轮机的出力和效率；一旦出现严重的气蚀，它将会引起机组的强烈振动、噪音、出力波动，继而造成机组的不安全运行；增加机组的检修频次与复杂性，同时空化与空蚀检修不但增加了钢材的耗费，并且会增加工期，对电力生产有产生严重影响。
2 水轮机汽蚀产生的主要原因
在水流能量转换的过程中会出现一种特殊现象，即水轮机汽蚀。该现象主要是由于水流中不分区域的压力下降至气化压力产生大量气泡，在气泡的生成与溃灭的过程中对水轮机过流部件产生的破坏作用。其中液体的气化特性是决定气蚀现象的根源。因为任何液体都是具有一定气化特性的，一旦液体处于相应的物理状态下，非常容易产生汽化现象。众所周知，由于高温产生的气化现象叫做“沸腾”，但是在环境温度不变的情况下，由于压力下降所产生的汽化现象叫做空化。水是水轮机的主要工作介质，一般空化压力为0.24mH2O （2.354x103Pa）， 当水轮机中的压力降低到空化压力时，就会出现汽化现象，那么这是水轮机就非常容易气蚀。一般在反击式水轮机流道中，受到边界条件变化的影响。部分流速会增高，继而造成压力下降；由于转轮造成的水流动矩发生改变，会造成转轮叶片背面产生负压。同时由于水中含有大约5%的空气及汽核，一旦压力低于空化压力，就会出现空化现象产生大量的气泡，继而产生汽蚀现象。
3 水轮机汽蚀的破坏作用
汽蚀主要是对金属材料表面的侵蚀，它包括机械、化学、电化三种作用，其中机械作用是主要的破坏作用。
3.1 机械作用
当水流在水轮机流道中运动时，由于局部压力的降低，产生气化压力，造成水的汽化，产生气泡。这些气泡主要是由大量的空气和水蒸气混合而成，一旦其随着水流进入到压力高于汽化压力的区域，随着气泡外动水压力的增加，以及其内部水蒸气的迅速凝结造成压力下降，就会是气泡内部压力远远大于维持气泡现状的张力，导致气泡瞬间溃裂。此时在压差的作用下，产生的极大流速会产生巨大的冲击压力，这股压力在不断汇聚之后，便会对过流部件表面产生高速撞击。这种撞击具有高频脉冲的特点，它对过流部件表面极易造成材料破坏。
3.2 化学作用
一旦出现汽蚀，气泡会增加金属材料表面的局部温度。这种高温主要是由于气泡在高压区被压缩释放的热量，同时也可能是由于其高速撞击过流部件所释放的热量。当气泡凝结，局部产生的瞬间气温可高达300℃以上。在这种高温、高压的工作作用下，气泡就会产生对技术材料的强烈氧化腐蚀作用。
3.3 电化作用
由于汽蚀作用，局部受热材料与周围的低温材料会产生一个局部温差，产生热电偶，而材料中同时伴有微电流，引发热电效应，继而产生电化腐蚀，造成对技术材料表面的破坏，使其发暗毛糙，加速可机械侵蚀作用。机械破坏作为汽蚀破坏的主要部分，在其发生的同时，也会由于化学破坏与电化腐蚀加速其破坏过程。在汽蚀破坏作用的发生过程中，金属表面一般会出现暗淡光泽，毛糙部分会逐渐扩展成为针孔状麻点，其深度一般在1～2m之间。尔后经过进一步发展，金属表面则会出现深度为3mm至几十毫米的疏松海绵状 （蜂窝状）。一般汽蚀达到一定程度，水轮机叶片即出现穿孔破坏。
4 水轮机汽蚀的处理措施
水轮机出现汽蚀会造成水轮机过流部件表面的侵蚀与剥落，并造成其表面出现麻点、蜂窝空洞，严重时会破坏叶片，造成转轮停止工作。其不仅降低水轮机的出力与效率，严重时还会产生机组的振动与出力波动，由此增加了检修频次，所以必须加强对水轮机汽蚀的预防与处理。
4.1 改善水轮机转轮的水力性能
针对水轮机转轮的实际情况对其进行改变，从而增强其水力性能。比如通过对叶片的形状进行改变，缩短其低压区，从而将叶片背面的压力最低值尽可能的分布与叶片的出口边，这样就可以将气泡的溃灭转移到叶片以外的区域发生；同时也可以通过增加叶片的厚度来增加其汽蚀系数，从而抑制汽蚀产生的破坏作用。
4.2 改进检修工艺方法
在对出现水轮机转轮汽蚀现象的水电站进行检修时，可以通过改进检修工艺方法来达到预期效果。比如，通过对检修周期的减缩，以小修为主的检修方法。同时在汽蚀现象发生的早期，应该对其进行及时的检查、处理，防止汽蚀凹陷的产生。对于已经遭到汽蚀破坏的处理，首先应该对汽蚀部分表面产生的蜂窝状进行清除，在清除的过程中可以使用磨光机对其进行打磨指平滑，然后在使用不锈钢焊条进行焊接。要求在焊接完成之后，焊堆必须出现均匀、平整、整齐的状态。然后在用磨光机对其进行打磨直至光滑，在使用样板对其进行控制，最后涂上柔性陶瓷，以此来加强打磨后部位表面的光洁度，以及保持原有的型线。
4.3 采用抗汽蚀材料
对叶片表面使用抗汽蚀材料也是预防汽蚀一种行之有效的方法。抗汽蚀的材料要求具有良好的韧性、硬度、疲劳极限、应变硬化、晶格以及可焊性等。就目前我国冶金与技术材料而言，不锈钢与铝铁青铜是可以同时拥有以上优点的材料
4.4 改善水轮机运行条件
水轮机运行条件良好对于防治水轮机汽蚀是非常重要的。在水轮机运行过程中，可以通过对水库的调度方式进行调节，将水轮机运行的时间进行合理的分配，降低低负荷的运行时间，增加设计工况的运行时间，使低负荷运行时间进行一定的减少，其次就是加强对尾水管的补气，对原有的水轮机补气装置进行优化，从一定程度上降低尾水管的真空度，抑制真空涡带，从而有效的降低空腔汽蚀的发生对水轮机的破坏。因为尾水管补气会直接影响水轮机的出力效果，所以应该在水轮机运行偏离最优工况时进行补气，而不是在其工况运行时进行补气，补气量则主要根据实际的工况偏离情况进行调节。
5 结语
通过本文对水电站水轮机汽蚀产生原因及防范措施的探讨，可以看出水轮机汽蚀破坏作用主要有机械作用，其次就是化学作用与电化作用，三者主要以机械作用为主，共同对水轮机产生汽蚀破坏。根据以上三种破坏机理，笔者提出了相应的解决措施。然而随着现代科技的发展，本文提出的几点防范措施显然只是皮毛，希望通过本文对水轮机汽蚀破坏的讨论，可以使更多的科技人才加入到对水电站水轮机损害的研究中来。
参考文献：
[1]钟山，汪克焱，夏勇，王志远.水泵叶轮室汽蚀原因分析及改造方案探讨[J]. 中国农村水利水电，2011（01）.
[2]李照，高磊. 混流式水轮机转轮汽蚀的预防[J].黑龙江水利科技.2007（05）.
[3]王华仁.水轮机过流部件的磨蚀与表面防护[J].东方电气评论，2008（04）.
【关键词】水轮机；汽蚀；原因；措施
前言：在本文中笔者首先介绍了水轮机汽蚀的危害，同时通过对汽蚀产生机理的阐述，分析了水轮机汽蚀的破坏作用，并提出了相应的防范措施。
1 水轮机汽蚀的危害
水轮机汽蚀对于水电站的危害是比较大的，它不仅影响机组的正常运行，同时也会降低机组的运行寿命。它主要会对水轮机过流部件、导叶、转轮、尾水管等造成破坏；由于气蚀会扰乱水流的正常运行规律以及能量转换，增加水流的漏损以及水力损失，它会直接降低水轮机的出力和效率；一旦出现严重的气蚀，它将会引起机组的强烈振动、噪音、出力波动，继而造成机组的不安全运行；增加机组的检修频次与复杂性，同时空化与空蚀检修不但增加了钢材的耗费，并且会增加工期，对电力生产有产生严重影响。
2 水轮机汽蚀产生的主要原因
在水流能量转换的过程中会出现一种特殊现象，即水轮机汽蚀。该现象主要是由于水流中不分区域的压力下降至气化压力产生大量气泡，在气泡的生成与溃灭的过程中对水轮机过流部件产生的破坏作用。其中液体的气化特性是决定气蚀现象的根源。因为任何液体都是具有一定气化特性的，一旦液体处于相应的物理状态下，非常容易产生汽化现象。众所周知，由于高温产生的气化现象叫做“沸腾”，但是在环境温度不变的情况下，由于压力下降所产生的汽化现象叫做空化。水是水轮机的主要工作介质，一般空化压力为0.24mH2O （2.354x103Pa）， 当水轮机中的压力降低到空化压力时，就会出现汽化现象，那么这是水轮机就非常容易气蚀。一般在反击式水轮机流道中，受到边界条件变化的影响。部分流速会增高，继而造成压力下降；由于转轮造成的水流动矩发生改变，会造成转轮叶片背面产生负压。同时由于水中含有大约5%的空气及汽核，一旦压力低于空化压力，就会出现空化现象产生大量的气泡，继而产生汽蚀现象。
3 水轮机汽蚀的破坏作用
汽蚀主要是对金属材料表面的侵蚀，它包括机械、化学、电化三种作用，其中机械作用是主要的破坏作用。
3.1 机械作用
当水流在水轮机流道中运动时，由于局部压力的降低，产生气化压力，造成水的汽化，产生气泡。这些气泡主要是由大量的空气和水蒸气混合而成，一旦其随着水流进入到压力高于汽化压力的区域，随着气泡外动水压力的增加，以及其内部水蒸气的迅速凝结造成压力下降，就会是气泡内部压力远远大于维持气泡现状的张力，导致气泡瞬间溃裂。此时在压差的作用下，产生的极大流速会产生巨大的冲击压力，这股压力在不断汇聚之后，便会对过流部件表面产生高速撞击。这种撞击具有高频脉冲的特点，它对过流部件表面极易造成材料破坏。
3.2 化学作用
一旦出现汽蚀，气泡会增加金属材料表面的局部温度。这种高温主要是由于气泡在高压区被压缩释放的热量，同时也可能是由于其高速撞击过流部件所释放的热量。当气泡凝结，局部产生的瞬间气温可高达300℃以上。在这种高温、高压的工作作用下，气泡就会产生对技术材料的强烈氧化腐蚀作用。
3.3 电化作用
由于汽蚀作用，局部受热材料与周围的低温材料会产生一个局部温差，产生热电偶，而材料中同时伴有微电流，引发热电效应，继而产生电化腐蚀，造成对技术材料表面的破坏，使其发暗毛糙，加速可机械侵蚀作用。机械破坏作为汽蚀破坏的主要部分，在其发生的同时，也会由于化学破坏与电化腐蚀加速其破坏过程。在汽蚀破坏作用的发生过程中，金属表面一般会出现暗淡光泽，毛糙部分会逐渐扩展成为针孔状麻点，其深度一般在1～2m之间。尔后经过进一步发展，金属表面则会出现深度为3mm至几十毫米的疏松海绵状 （蜂窝状）。一般汽蚀达到一定程度，水轮机叶片即出现穿孔破坏。
4 水轮机汽蚀的处理措施
水轮机出现汽蚀会造成水轮机过流部件表面的侵蚀与剥落，并造成其表面出现麻点、蜂窝空洞，严重时会破坏叶片，造成转轮停止工作。其不仅降低水轮机的出力与效率，严重时还会产生机组的振动与出力波动，由此增加了检修频次，所以必须加强对水轮机汽蚀的预防与处理。
4.1 改善水轮机转轮的水力性能
针对水轮机转轮的实际情况对其进行改变，从而增强其水力性能。比如通过对叶片的形状进行改变，缩短其低压区，从而将叶片背面的压力最低值尽可能的分布与叶片的出口边，这样就可以将气泡的溃灭转移到叶片以外的区域发生；同时也可以通过增加叶片的厚度来增加其汽蚀系数，从而抑制汽蚀产生的破坏作用。
4.2 改进检修工艺方法
在对出现水轮机转轮汽蚀现象的水电站进行检修时，可以通过改进检修工艺方法来达到预期效果。比如，通过对检修周期的减缩，以小修为主的检修方法。同时在汽蚀现象发生的早期，应该对其进行及时的检查、处理，防止汽蚀凹陷的产生。对于已经遭到汽蚀破坏的处理，首先应该对汽蚀部分表面产生的蜂窝状进行清除，在清除的过程中可以使用磨光机对其进行打磨指平滑，然后在使用不锈钢焊条进行焊接。要求在焊接完成之后，焊堆必须出现均匀、平整、整齐的状态。然后在用磨光机对其进行打磨直至光滑，在使用样板对其进行控制，最后涂上柔性陶瓷，以此来加强打磨后部位表面的光洁度，以及保持原有的型线。
4.3 采用抗汽蚀材料
对叶片表面使用抗汽蚀材料也是预防汽蚀一种行之有效的方法。抗汽蚀的材料要求具有良好的韧性、硬度、疲劳极限、应变硬化、晶格以及可焊性等。就目前我国冶金与技术材料而言，不锈钢与铝铁青铜是可以同时拥有以上优点的材料
4.4 改善水轮机运行条件
水轮机运行条件良好对于防治水轮机汽蚀是非常重要的。在水轮机运行过程中，可以通过对水库的调度方式进行调节，将水轮机运行的时间进行合理的分配，降低低负荷的运行时间，增加设计工况的运行时间，使低负荷运行时间进行一定的减少，其次就是加强对尾水管的补气，对原有的水轮机补气装置进行优化，从一定程度上降低尾水管的真空度，抑制真空涡带，从而有效的降低空腔汽蚀的发生对水轮机的破坏。因为尾水管补气会直接影响水轮机的出力效果，所以应该在水轮机运行偏离最优工况时进行补气，而不是在其工况运行时进行补气，补气量则主要根据实际的工况偏离情况进行调节。
5 结语
通过本文对水电站水轮机汽蚀产生原因及防范措施的探讨，可以看出水轮机汽蚀破坏作用主要有机械作用，其次就是化学作用与电化作用，三者主要以机械作用为主，共同对水轮机产生汽蚀破坏。根据以上三种破坏机理，笔者提出了相应的解决措施。然而随着现代科技的发展，本文提出的几点防范措施显然只是皮毛，希望通过本文对水轮机汽蚀破坏的讨论，可以使更多的科技人才加入到对水电站水轮机损害的研究中来。
参考文献：
[1]钟山，汪克焱，夏勇，王志远.水泵叶轮室汽蚀原因分析及改造方案探讨[J]. 中国农村水利水电，2011（01）.
[2]李照，高磊. 混流式水轮机转轮汽蚀的预防[J].黑龙江水利科技.2007（05）.
[3]王华仁.水轮机过流部件的磨蚀与表面防护[J].东方电气评论，2008（04）.