水轮机汽蚀安全裕量问题探讨

水轮机汽蚀安全裕量问题探讨

冯继松

黄河万家寨水利枢纽有限公司 山西省太原市 030002

摘要：在水电站的建设中，水轮机汽蚀问题一直是人们长期关注的一个非常重要问题，不仅在水轮机的设计、制造、材质等方面给予充分重视，而且在水轮机的运行和检修等方面也采取了很多措施。尽管在减轻水轮机汽蚀方面取得了一些成效，但始终没有找到解决水轮机汽蚀问题的更为满意的途径。正确确定水轮机安装高程(或吸出高度)，科学合理地选择汽蚀安全裕量，便成为直接影响水能资源的合理利用和工程建设的投资规模，影响机组运行寿命和维修管理费用而必须认真考虑的问题。

关键词：水轮机；汽蚀；安全裕量

1水轮机汽蚀的种类

汽蚀是流体力学的一种现象，它受流体的动力特性及物理特性所制约，汽蚀一般可分为三种，一种是翼型汽蚀：水轮机的转轮叶片改变水流的动量矩，并通过叶片将水流动量矩转换成轴上的旋转力矩，水流动量矩的改变意味着叶片工作面（正面）和非工作面（背面）存在压差，因此翼型汽蚀主要出现在翼型中部近旁到出口区域，即叶片非工作面接近出口的区域，因为此区域的压力最低。二是间隙汽蚀：叶片在安装调试过程中，由于制造工艺、安装水平原因，使叶片外缘出现不规则的缝隙，所以缝隙汽蚀主要是水流通过某些狭小通道或缝隙时，使局部流速升高和压力降低而引起的，汽蚀主要出现在导叶上下端部附近以及垂直面的后方。三是空腔汽蚀：反击式水轮机，特别是混流式水轮机在非设计工况下运行时，转轮出口水流具有一定的圆周速度分量，在转轮后产生涡带，使涡带中心形成很大的真空，出现大尺寸的汽蚀空腔，这种旋转涡带以低于水轮机转速的频率在尾水中旋转，其真空中心周期性地冲击在尾水管管壁上，使尾水管管壁受到汽蚀破坏。

2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。

3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。

4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。

4.1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。

4.2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。

4.3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。

5汽蚀安全裕量取值初探

水轮机的汽蚀性能是通过模型试验获得的。据汽蚀比例效应，模型与真机汽蚀性能也存在差异，在工程设计中给予适当的汽蚀安全裕量是合理的，也是必要的，问题是汽蚀安全裕量应取多大才算合理，这正是需要认真加以探讨和研究。过大的汽蚀安全裕量，会使机组吸出高度降得过低，导致厂房开挖深、基建投资增加、电站运行条件恶化、维护管理困难，对电站的建设都十分不利。目前，国内外学者们，对取值问题是众说不一，笔者初步论证了过于加大汽蚀安全裕量是没有必要的。据巴桑克水轮机试验的装机深度与汽蚀侵蚀的关系曲线，明显看出：汽蚀安全裕量一1．15～1．41时，侵蚀增加；当>1．41时，侵蚀减少。据我国水电站调查统计资料表明，有的水电站K一1．09～1．2，汽蚀现象不严重；有些电站一1．6～2．2，汽蚀损坏非常严重；有些机器在同一个电站，条件基本相同，而汽蚀现象是明显的不同，不能一概说，增大Kd值就改善了机器的汽蚀性能，必须要区别对待，例如，高比速和低比速的机器；用碳钢和不锈钢的机器等，其值均有所不同。对于碳钢转轮和高比速水轮机，汽蚀安全裕量建议取：一1．4～1．6对于不锈钢转轮和低比速水轮机，汽蚀安全裕量建议取：K一1．2～1．4上述汽蚀安全裕量能防止水轮机翼型汽蚀的发生和发展，改善水轮机的汽蚀性能。当前世界各国能保证水轮机无汽蚀运行的电站是极少的，特别是水轮机因制造工艺所引起的局部汽蚀或间隙汽蚀，绝非是增大汽蚀安全裕量所能解决得了的。

结束语

总之，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：

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