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。
能源・电力 ￡ｏ ＣＡＲＢＯＮ ＯＲＬＤ ２０１５／１０
混流式水轮机转轮泥沙磨损和空蚀破坏的修复
潘 杰（国网四川电力公司雅电集团科元电力建设有限公司发电检修安装分公司，Ｉ￣）ｔｌ雅安６２５０００）
【摘 要】水轮机的转轮作为整个水轮发电机组最主要的工作部件，长期工作在含沙水流中必然会遭受到磨蚀破坏，这是普遍存在的问题，同
时也长期困扰着多泥沙河流水电站。泥沙的磨损以及空蚀破坏是影响转轮寿命及性能最为重要的因素，要想延长水轮机转轮的寿命并提升水
轮机性能，水轮机的转轮在受到泥沙磨损以及空蚀破坏之后就要进行及时的修复。本文主要阐述了混流式水轮机转轮经泥沙磨损以及空蚀破
坏的情况，并提出了相应的修复方案，希望对相关人士能有所帮助。
【关键词】水轮机转轮ｉ泥沙磨损ｉ空蚀破坏ｉ修复
【中图分类号】ＴＫ７３０．８ 【文献标识码】Ａ 【文章编号】２０９５—２０６６（２０１５）２８—００６３—０２
引言
相比于冲击式水轮机而言，混流式水轮机的静压水头相
对比较高。并且转速以及效率也较高，所ｓ，Ｘ水电站常常采用混
流式水轮机．这样可以降低发电机以及整个发电厂房的造价
费用 转轮是混流式水轮机最为重要的组成部件，它的主要作
用就是进行相关能量的转换．即将水的动能转换成为机械的
旋转机械能．转轮的性能直接决定着水轮机的性能。转轮有两
个核心的参数指标，包括效率指标以及空蚀指标。性能较好的
转轮就应该是效率较高且空蚀系数较小。虽然混流式水轮机
的转轮形式多样，各有不同，但是大体结构是相同的，主要包 括几个部分：上冠、下环、叶片、止漏环、泄水锥以及减压装置
等等．其中叶片的数量一般在１３～１５片左右。水轮机转轮结构
如图１所示。
图１水轮机转轮
１水轮机转轮的泥水磨损
泥水磨损属于一种物理性质的破坏，水轮机经过泥沙磨 损造成的较为严重的后果就是使其通流部件的逐渐恶化，特
别是水轮机的转轮经过严重磨损之后会造成较为严重的经济
２００２年３月 水利水电快报 ＥＷＲＨＩ 第２３卷第５期
机 电
文章编号：１００６—００８１Ｉ２００２｝０５．０００８ ０３
水轮机空化的智能诊断和监测
［德］布兰科－巴吉克
摘要：通过一项新的多堆技术．可深剖了解水轮机的空化过程
主题词：水轮机空蚀：诊 技术；新技术；监测系统
中图分类号：ＴＫ７３０ ８ 文献标识码：Ｂ
在许多情况下，需要ｒ解水轮机空化性能的数据 例如
在新水轮机投运．或在水轮机小修或大修以后 这是指对水轮
机部件．如转轮叶片或活动导叶进行改进或修理。在正常运
行期间，ｒ解足否存在困各种损坏影响引起水轮机牵化性能
的变化、也是有用和重要的
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空化水流及由其引起磨蚀的信息 无数经验表明山结构产生
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安放振动声响传感器、 驯量１午适当频带内的噪声强度、计算
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功率设定值下所收集的噪声频谱 首先．选用这些量的平均
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ｌ 多维算法
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到实际运用．井在２０００年８ Ｉｒ１ ＩＡＨＲ“水力机械和系统论文
集”上发表。该多维方法是一种独特的采集 处理和描述振动
==================""""机电
收稿日期：2001-09-28文章编号：1006-0081（2002）05-0008-03水轮机空化的智能诊断和监测［德］布兰科・巴吉克摘要：通过一项新的多维技术，可深刻了解水轮机的空化过程。主题词：水轮机空蚀；诊断技术；新技术；监测系统中图分类号：TK730.8文献标识码：B在许多情况下，需要了解水轮机空化性能的数据。例如在新水轮机投运，或在水轮机小修或大修以后，这是指对水轮机部件，如转轮叶片或活动导叶进行改进或修理。在正常运行期间，了解是否存在因各种损坏影响引起水轮机空化性能的变化，也是有用和重要的。评估运行中水轮机空化强度和洞察其状况的唯一方法是听空化声。空化产生振动声场，从水传至水轮机无水侧，传输空化水流及由其引起磨蚀的信息。无数经验表明由结构产生的声音和水轮机部件的高频振动，提供了一种空化“指纹”。用振动声描述空化最简单的方法是在水轮机的适当位置安放振动声响传感器，以测量在适当频带内的噪声强度，计算反映水轮机空化脉冲性能的噪声脉冲频率，或者比较在各种功率设定值下所收集的噪声频谱。首先，选用这些量的平均值作为空化强度估计量，虽然这种方法在广泛使用，但不是最好的。在一台60MW转桨式水轮机转轮周围安装12个传感器，记录了峰值调制曲线（实线表示传感器位置）（曲线略）。由于取用简单的平均值，因而这些曲线所含的水轮机部件作用的宝贵数据被忽略。如仅用一个传感器，可能会得出完全错误的空化描述。在不同的位置可得到水轮机部件空化强度分布形态和估算的振幅。1多维算法多维水轮机空化评估方法，与平均值方法显著不同，它是由Korto空化服务部通过一系列原型试验和研究开发出的。该方法已得到证明，已在混流式、转桨式和灯泡式水轮机上得到实际运用，并在2000年8月IAHR“水力机械和系统论文集”上发表。该多维方法是一种独特的采集、处理和描述振动声响数据的方法，这些数据可用传感器位置、噪声频率、转轮瞬时角度位置和水轮机负荷大小的函数来表示。该方法可用于如下两种方式：在工厂对水轮机空化进行诊断测试中，多维法作为测量、分析和描述工具。在多维空化监测系统中，作为信号和数据处理算法的基础。Korto空化服务部将该法作为上述两种应用的标准工具。在一个典型的诊断测试中，要采集和利用大量数据：用20个传感器测量大于40GB的振动声音数据，频率范围从旋转频率到1MHz，每个参数或函数平均100多转，每项均在20个水轮机功率设定值下完成，在圆周上分解的分辨率为0.2≠。这些诊断测试可提供空化的详尽描述。这种方法的特殊工具能在测试期间对机组正常运行的扰动最小，但仍能提供许多数据记录。以后，实际上可在实验室模拟空化，并进行各种可能的分析。如需永久监测，则所得到的空化描述，可用于定做监测器，以减少传感器数量及管理的数据，但仍能测得有关水轮机任何重要的反常情况。Korto空化服务部的最终成果：・对水轮机和水电站与空化有关的运行进行优化。・表明任何改进水轮机的空化性能。・检查小修、大修或更新的成果。・安装为水轮机部件选择的、定做的高分辨率空化监测器（也可安装一般水力设备的空化监测器）。在多维方法中处理调制曲线的方式见图1。在一台17MW混流式水轮机中识别出的两种空化机理由2个图描述。空化强度的变化以标称形式表示，因此平均值为1。正如能看到的那样，由机理1所产生的信号中，没有调制（上图），而采集到的很强声音峰值出现在与机理2有关的水轮机功率和噪声频率范围（中图）。虽然这些模式是不规则的，但仍然有严格的次序在控制它们。下图表示怎样利用这些数据来评估・8・2002年3月水利水电快报EWRHI第23卷第5期不同的轮叶和导叶所起的作用。［德］布兰科・巴吉克水轮机空化的智能诊断和监测的主要原因。另外的数据表明机理3与活动导叶有关，在修理导叶所用金属量的数据以及和机理3侵蚀率成正比的振动声音得到的量表明空化强度达到全标定侵蚀估计。1.2水轮机检修就研究的这台混流式机组而论，转叶区别不大，但是对不同的导叶，空化强度区别很大。相邻导叶之间的差别反映了它们各自空化特性的差别。这些是由叶片断面形状或未优化角度设定引起。多维方法不能解释一个特定导叶轻弱空化特性的原因，但是，它能指明哪个导叶必须进行检查和维理，同时，也可用于对修理进行检验。1.3运行优化就空化而论，综合空化特性（图2，4a和4b）可很好地适合于优化电厂的运行。的确，根据电力需求，可对空化强度极限值适度范围进行设定，并使水轮机避开空化强度超过限制值的负荷区。期
