水轮机汽蚀的产生和防治措施

小型水电站转轮汽蚀处理改造　◎洪玉生福建路港（集团）有限公司　摘要：水轮机汽蚀产生会引起机组转轮材料破坏、金属剥蚀，水轮机效率降低，发出噪　声、产生振动，并威胁水轮机的安全运行。本文从水电站初始设计存在考虑不足、水源来源　变化、机械材料使用机组安装偏差、运行维护存在问题等方面找出产生水轮机汽蚀的原因，　具体分析产生原因，根据目前的运行情况、运行工况、存在问题等分门别类，综合考虑，深入　研究，找到解决问题的关键所在，确定最优的解决方案，保证机组处在最优的运行方式下运　转，减少汽蚀，降低汽蚀产生的不良影响，提高水资源的利用效率，为小水电解决水轮机转　轮汽蚀问题，提供一定的参考意见。　关键词：转轮汽蚀机组效率改造处理方法　１．水轮机的气蚀问题　新兰水电站属于河床式水电站，水　轮机型号ＺＤ７６０一ＬＨ－２００，装机容量　４×１０００ｋｗ，额定转速２１４　３ｒ／ｍｉｎ，流量　１９．９ｍ３／ｓ，设计水头Ｈ＝６　７１ｍ。１９８８年　开始正式投产运行，运行几年后，发现　转轮叶的汽蚀问题相当严重，在１个大　修期限内（４年），在转轮背面离外缘约　２００ｍｍ的范围内，靠近出水边外有的地　方汽蚀深度达２０ｍｍ，也就是剥蚀指数　Ｋ＝１６．７×１０．４ｍｍ／ｈ，属于ｕ级汽蚀，在　转轮叶背面的外缘，发生从进水边到出　水边，宽２０ｍｍ，深ｌＯｍｍ的间隙汽蚀，　还有整个叶片的外缘的部分向下凹，尤　其是出水边，转轮室也存在大量汽蚀空　洞，有的地方１５ｍｍ厚钢结构的转轮室　几乎洞穿。　水轮机的汽蚀是一种复杂的物理　与化学现象，它使水轮机效率降低，材　料破坏，并威胁水轮机的安全运行。　水轮机发生汽蚀时，常引起金属剥　蚀，工况变坏，发出噪声等破坏现象。　水轮机中水流的平均温度不变，而　在某些工况下压力下降到一定的数值，　水流的连续性破坏，而形成充满蒸汽和　其它气体的泡，然后流到压力较高处而　迅速凝缩，这个动力过程，我们称之为　汽蚀。　水轮机装置在普通常温之下，为什　么会产生低压呢？根据能量方程式，水　流中任意点的压力水头和流速水头之和　是常数，若流速过高。则压力水头就会　降低，水轮机转轮叶多半是高速水流，　所以很容易产生低压区，水轮机过流　部件如有不合乎流线的地方，如急骤转　弯，突然放大或突出胞块，就会产生脱　流现象，这些地方是产生低压的根源。　因此，低压产生气泡，汽泡对金属　表面的作用会带来汽蚀现象。影响气泡　产生强度的因素很复杂，如水轮机的安　装高程，转轮叶的型线，转轮叶表面的　光洁度等，这些是汽蚀现象的外因，转　轮叶材质的抗汽蚀强度，是汽蚀现象的　内因。这对内外因的相互作用促使汽蚀　现象得以产生。　１．１机组的结构和运行方式因素　（１）水轮机组单位转速ｖ＝１６５．５ｒ／　ｍｉｎ，单位流量Ｑ＝１９２０Ｌ／ｓ，可以查得　出模型效率，ｆｌ＝８２％，所以修正单位转　速ｖ＝１８２ｒ／ｍｉｎ，从有关水轮机的资料　上可以查得出模型汽蚀系数６模＝１　１０，　那么原机的汽蚀系数６原＝１．２０×６模　＝１．２０×１．１０＝１．３２。这样，水轮机的理论　吸程ＨＳ＜１０．０一ｖ／９００—６原Ｈ＝１０．０—　２７　５０５／９００—１．３２×６．７１＝１．１ｌｍ，这样当　水轮机发单机满负荷时，水轮机的吸程　ＨＳ１为１．４０５ｍ，发２台机满负荷时水轮　机的吸程ＨＳ２＝Ｉ．２０５ｍ，发３台机满负荷　水轮机的吸程ＨＳ３＝Ｉ．Ｏ０５ｍ，发４台机满　负荷水轮机的吸程ＨＳ４＝０．８０５米，所以　ＨＳ３、ＨＳ４＜ＨＳ＜ＨＳ１、ＨＳ２也就是说当　发单机或２台机时，水轮机的实际吸程　大于理论吸程，水轮机容易产生汽蚀现　象，当发３台机或４台机时，水轮机的实　际吸程小于理论吸程，水轮机比较不会　产生汽蚀现象，因此，水轮机的安装高　程偏高。　（２）从水轮机制造方面考虑，在转　轮叶直径分别为２．０ｍ、１．７ｍ、１．６ｍ、１．４ｍ　的翼栅稠密度值分别为０　４１、０．５９５、　Ｏ．６７２、Ｏ　７６８这些翼栅稠密度值对应的　汽蚀系数６１、６２、６３，都大于６原：１．３２、　６４＝１．０＜６原：１．３２，所以水轮机转轮在　转轮叶的背面离外缘约３０ｃｍ的范围内　是最易发生气蚀现象的区域。　（３）转轮叶的轴向分布在同一个　相对点有高有低，型线不但偏离ＺＤ７６０　的型线，而且本身的型线也不一样，福　建南平水轮机厂家用的材料是２５号铸　钢，１号机大修时，发现外缘部分向下　凹，并且表面粗糙。这些因素等等的相　互作用，引起水轮机的汽蚀产生。　１．２机组的外部环境和运行状态因素　

浅述水轮机磨损原因及应对措施

摘要：水轮机磨蚀是指水轮机在汽蚀破坏和泥沙磨损的联合作用下的破坏情况，这个问题一直困扰着运行在多泥沙河流上的水电站。水轮机中的过流部件，像水轮机叶片、转轮本体、导叶、尾水管等，常常会受到水沙的磨蚀而造成过流部件表面的金属流失，让设备在运行中出现振动与噪音，导致设备低下的运行效率、频繁大修、缩短使用寿命，严重影响机组的稳定与安全。

关键词：水轮机；磨损；措施

一、水轮机的磨损形式

1气蚀

汽蚀是指水轮机的过流通道中水压太低让水汽化形成汽泡与水压高时，汽泡的凝结破灭经过所引发的一连串物理化学情况对机器表面的破坏。这种破坏是一种高压细射流冲击、金属氧化与电解，对机器表面相对严重的损坏。我们常常见到的机器表面针孔形状、麻面与海绵状等都是以为你气蚀所导致的。气蚀在机器材料表面的破坏没有显著的方向性，我们不可以小看这种破坏，在破坏严重的时候会让水轮机的叶片非常快失效。

2泥沙磨损

泥沙磨损是指水流中含有的泥沙对水轮机过流部件导致的磨损破坏。高速含沙水流通过部件表面时，会导致摩擦与切削功能，含沙水流冲击部件表面的瞬间，能形成高温高压让金属表面氧化，温度的急剧变化会引发金属保护膜的破坏而造成部分冲蚀。在冲蚀经过中不一样材料的冲蚀规律随冲蚀角的改变而异。当冲蚀角相对低时，材料的冲蚀率有一峰值，这是由于韧性材料的微切削是冲蚀的关键机理，抗冲蚀功能的重要原因是水轮机叶片的弹性模量；另外流速、沙粒直径与介质流态等也是关键的影响原因。当中激烈的偏流会引发部分增大流速，导致增加材料的部分损坏，偏流还会引发侧向加速度，让沙粒与材料表面的接触应力增加了，加剧了材料的冲蚀磨损。

3冲蚀和气蚀的复合磨损

高速水流在含量有泥沙与气泡的状况下对流过的材料形成磨损被称之为冲蚀和气蚀的复合磨损，一般水电行业把其称之为磨蚀。水轮机形成冲蚀和气蚀的复合磨损关键是在水、气与沙的一起作用下产生的，这是中国水电设备严重受磨蚀的关键因素。

防止汽蚀的措施

1汽蚀状况

璧山县周家洞水电站位于璧南河下游右岸，集雨面积349km2，总库容820km2，属引水式水电站，装机容量为2某100kW，总投资25.7万元。设计水头7.5m，单机引用流量1.84m3/，水轮机型号为ZD760-LM-60，φ=15°，转速n=750r/min； 发电机型号为TS11-8P-100，转速n=750r/min，机组直联运行。该站于1989年5月正式并网发电，运行时的最低水头7.5m，最高水头9.5m，单机最大出力85kW，每年运行时间约为6000h。

该站投产后，1号水轮机每年更换1个转轮，2号水轮机每2年更换1个转轮。到2000年底，2号水轮机座环内壁均被严重汽蚀，个别地方已穿孔，最大孔洞直径达5.3cm，2号转轮4个叶片均被汽蚀缺尖，最严重的叶片汽蚀面积达80cm2，占整个叶片面积的20.5%，缺尖面积25cm2，严重汽蚀面积50cm2，平均汽蚀深度3.5mm，汽蚀指数为0.598某10-4mm/h，属Ⅲ级汽蚀程度。1号水轮机座环和转轮叶片有相似的汽蚀规律，程度稍轻。

2水轮机汽蚀分析

造成水轮机汽蚀的原因很多，情况又非常复杂，经过周家洞水电站现场观察和详细分析，认为造成该水电站水轮机汽蚀的主要原因有以下几个方面。

2.1水轮机型号选择不合理

周家洞站于1985年5月设计，同步施工，由于当时考虑资金、运输等原因，故选用了当地水轮机厂生产的ZD760-LM-60型水轮机，φ=15°，转速n=750r/min。从该水轮机运转特性曲线可以看出：水轮机适用水头范围为5.3～7.5m，相应出力范围为85～118kw，而实际运行时水头范围7.5～9.5m，水轮机出力67～95kw，发电机出力60～85kw，水轮机效率极低。由此可见，水轮机基本处于汽蚀状况下运行，因为在低效区运行，水流的入射角改变，在叶片正面形成部分负压区，造成汽蚀，剥蚀金属。

2.2水轮机室进入空气

浅析水电站水轮机汽蚀产生原因及防范措施

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。