試論水輪機吸出高度的合理確定

【摘要】從我州某電站水輪機在運行中產生氣蝕及修補的方法、介紹了對水輪機吸出高度的認識。

【關鍵詞】允許吸出高度；安全系數

前言：

目前，在水電站的設計中，對水輪機吸出高度的確定常用下列三種方法：一是從水輪機運轉特性曲線；二是運用轉輪綜合特性曲線選定σ值后由公式求出；三是依據比速與真機氣蝕系數的大量統計規律來進行確定。

1、三種辦法中，第一種辦法只注重考慮了尺寸的影響，且查取的數據比較粗略，第二種辦法是依據相似理論，雖運用較廣，但制造中由于線形及加工工藝等因素的影響，故存在原型間與模型間的誤差，真機的氣蝕系數可能增大。第三種辦法是來源于對大量運行真機的實際資料抽象出來的統計規律來確定真機的吸出高度。這種辦法雖較前兩種辦法接近真機，但統計抽象出來的規律畢竟是普遍規律，不屬特殊規律，不宜用于電站水輪機的吸出高度的計算。

常用的計算吸出高度的公式：

一式為Hs≤10--（1.05～1.1）H；

二式為Hs≤10--（σ+Δσ）H；

三式為Hs≤10--KσσH；

四式為Hs≤10--H。

2、一式中給出一個考慮氣蝕系數誤差的安全裕量5%～10%，二式中考慮了水頭變化時，氣蝕系數的變化量，在數值上基本與一式相當，只是在高水頭段略大于10%，三式系在一、二式基礎上修改而成，引進了裝置氣蝕系數與模型氣蝕系數的比值Kσ，實際也是一個考慮安全裕量的系數。四式是根據實踐統計出來的吸出高度與比速的指數關系來考慮安全裕量，系試驗公式。

3、從理論角度來看，按照上述公式計算吸出高度，應能保證水輪機的無氣蝕運行，即使在水輪機運行遵守Hs的限制條件下，氣蝕侵蝕還是經常發生。如我州某水電站，已投入運行的2臺單機2660kW的HL220型水輪機，電站最大水頭、設計水頭均為44m，最小水頭為43.6m，水輪機吸出高度為+0.76m，水輪機處海拔高程為214.26m，尾水變幅不大，按照上述理論公式計算，應該能夠滿足無氣蝕侵蝕要求，但實際運行的結果并非如此。經電站運行一年后檢查，2臺水輪機葉片翼型氣蝕嚴重，每塊葉片均遭到氣蝕侵蝕，嚴重處出現金屬整塊被蝕刮疏松脫落現象，少量葉片發生侵蝕穿透成孔洞。其中1號機運行3589h，發電669萬kW·h，其葉片總氣蝕面積達393.78cm2，單葉最大氣蝕侵蝕面積為55.3cm2，2號機運行5730h，發電1165萬kW·h，其葉片總氣蝕面積達483.91cm2，單葉最大氣蝕侵蝕面積為59.5cm2。這說明，目前確定氣蝕系數及吸出高度的方法是不完善的，其主要原因：一是對水輪機的氣蝕系數σ的確定是律定在氣蝕對水輪機的能量參數開始產生影響時刻的相應值，而實際在此之前，氣蝕已發展到相當充分的階段了。二是理論計算公式雖然考慮了一定的安全裕量和水頭的影響，但沒有足夠考慮運行工況及運行條件的影響，且給出的安全裕量只是一個含糊的數值，對于不同機型，它具體考慮了哪些不安全因素，其安全裕量究竟應取多大，則沒有深層次區別地加以研究。因此，很有必要改進吸出高度的計算方法，探索無氣蝕運行的途徑，以期實現最優吸出高度的選擇。

4、分析前述吸出高度的幾個計算公式不難看出，影響吸出高度Hs值的關鍵是氣蝕系數σ及安全系數K這兩個因素，對于氣蝕系數σ主要是探討如何進一步合理律定，從無氣蝕運行的角度來看，氣蝕系數σ應定在氣蝕剛剛發生的時刻，以此時刻的相應值作為臨界值才比較合理，不同系列的轉輪其臨界值各有不同。其臨界值究竟為多少，則只能借助于先進的技術設備和先進的測試手段來進行廣泛綜合的模型與原型試驗的研究，系統地積累和總結運行經驗，才能得出準確完整的實際數據。對于安全系數K，則應結合電站、機型等內外部因素及特點，在原計算公式的基礎上分別情況考慮引進轉輪材質因素影響的安全系數Kσ、轉輪翼型結構及加工工藝因素影響的安全系數Kj、水質水溫及運行工況變化因素影響的安全系數Ks等一些不可忽視的因素，使原式中的安全系數K值得到進一步合理的修正和完善，當上述各種影響因素都同時并存時，則K=Kσ×Kc×Kj×Ks。

5、材質因素對轉輪氣蝕的影響問題，主要是抗蝕能力強弱的影響。材質不同，其抗蝕性能也不同，這一點已經得到科學界的研究證明。材料硬度是抗氣蝕損壞的重要因素，硬度越來越高抗蝕能力越強，材料的極限拉伸強度越高，抗蝕能力越高，材料的彈性越好，抗蝕能力越好，材料的晶粒越細密，抗蝕能力越強。若定貨時決定采用抗蝕能力較差的材料。則設計時必須引進考慮材質因素影響的安全系數Kc。

6、至于加工工藝的影響，主要是轉輪的制造線形質量、葉片的表面波度與糙度大小及葉片的進出水邊的角度、鈍度及厚薄度的影響，若線形不好，表面凹凸不平，頭部不圓滑，尾部不夠薄等均將誘發氣蝕。對于水質的影響，目前，精確的實驗已證明，均一質量的純水，具有非常高的拉伸強度，但實際中，水和普通的液體中含有許多固體微粒子，這些固體微粒子在液體中具有侵蝕性質，在其裂縫中寄生著氣體泡，這些氣泡破壞了液體的拉伸強度。雖然在高壓下一些寄生的氣泡能夠破裂，但在一定的壓力下完全破裂實不可能，因此存在著寄生氣泡核，其次是水中空氣溶有量，如一些水層較淺，引水及水流跌蕩過程較多，進水口淹沒較淺或時有露口的電站，均可能使水中溶入大量的空氣，這些氣體在進入轉輪低壓區時有可能析出誘發氣蝕，對于水溫的影響，如長距離淺水層明渠或露天鋼管引水，均可能使水溫的變化較大，使水的汽化壓力改變，氣蝕提早出現，至于運行工況的影響，主要是低負荷長時間運行及水頭變化的影響，低負荷長時間的運行及長時高水頭運行，都易加劇轉輪的氣蝕侵蝕。

結束語：

解決吸出高度的問題，根本的途徑是研究出氣蝕性能更好的轉輪及其過流部件，同時探索新的無氣蝕運行的措施，但在目前沒有更完善的方法以前，筆者試論從上述辦法來選擇合理的吸出高度，以便和同行讀者商磋。

參考文獻：

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