小型水电站转轮汽蚀处理改造

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-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10mm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η=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－V/900－6原H＝10.0－27.505/900－1.32×6.71＝1.11m，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=1.205m，发3台机满负荷水轮机的吸程HS3=1.005m，发4台机满负荷水轮机的吸程HS4=0.805米，所以HS3、HS4　　（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、0.672、0.768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

（1）根据原始设计上游最高运行水

位高程为33.3m，由于上游水库扩蓄，该水电站也相应补征达到最高运行水位高程为33.4m，而实际情况是水电站发电运行高水位。经常处在33.5m，比原设计高出0.2m.这种情况造成单台机组或两台机组发电运行时机组负荷加大，转轮受力加大，内应力增加。

（2）该电站是河床式坝后电站，由于多年来汛期排洪泄水，造成水电站下游滩涂淤积，河床抬高，原设计下游水位高程为26.6m，但目前下游水位高程为27.0m，比原设计提高0.2m。这种情况造成相当于水轮机组安装高程偏高，应给与纠正。机组的安装高程偏高，高压水流经转轮能量转换后依旧有较大的水能，引起转轮和转轮室之间的能量冲击，还会造成较严重的间隙汽蚀等。3.运行方式等的改变和水轮机转轮改造后的效果

经过改造后转轮汽蚀大为改观，加上运行方式、外部环境的改变，十年来，机组运行相对平稳很多，纵向、水平方向的振动都在1~2丝米；延长了大修周期，原来2~3年就要大修，现在到4~5年大修时，改造过的转轮只是在转轮外延的局部地方产生麻点和粗糙，经过打磨后，简单的补焊就可以修复达到原来理想状态。另外的直接效益是：转轮改造以后，机组效率普遍提高了5%，4台机组直接多发电量如下，按每台机组年利用小时达4000小时计，这样10年来，增加发电量4×1000×4000×10=1600000KWh也就是160万度电能，得到的直接经济效益是50万元。