1、2021/8/51第一部分第一部分水轮机常见故障诊断及处理水轮机常见故障诊断及处理 2021/8/52第一讲第一讲 ：水轮机故障原因及分类：水轮机故障原因及分类 水轮机故障水轮机故障是是指水轮机完全或部分丧失工作能力指水轮机完全或部分丧失工作能力，也就是丧失了，也就是丧失了基本工作参数所确定的全部或部分技术能力的工作状态。基本工作参数所确定的全部或部分技术能力的工作状态。一、故障原因一、故障原因根据水轮机故障特性，水轮机故障原因一般有：根据水轮机故障特性，水轮机故障原因一般有：1.1.由于由于介质侵蚀作用或相邻零件相互摩擦作用的结果介质侵蚀作用或相邻零件相互摩擦作用的结果。例如气蚀、。例如气蚀
2、、泥砂磨损、相邻运动零件间的磨损、橡胶密封件的老化等。泥砂磨损、相邻运动零件间的磨损、橡胶密封件的老化等。2.2.由于由于突变荷载作用超过材料允许应力突变荷载作用超过材料允许应力而使零件折断或产生不允而使零件折断或产生不允许的变形，例如剪断销被剪断等。许的变形，例如剪断销被剪断等。3.3.由于交由于交变荷载长期作用，使零件产生疲劳坡坏变荷载长期作用，使零件产生疲劳坡坏，例如转轮叶片，例如转轮叶片裂纹等。裂纹等。4.4.由于由于制造质量隐患制造质量隐患的突然发展。的突然发展。5.5.由于水轮机以外的间接原因。由于水轮机以外的间接原因。6.由于由于安装、检修、运行人员的错误安装、检修、运行人员的错
3、误处理。处理。2021/8/53二、故障分类二、故障分类 根据水轮机根据水轮机故障出现的性质故障出现的性质，故障可分为，故障可分为渐变故障和突发故障渐变故障和突发故障。渐变故障：渐变故障：多由零件磨损和疲劳现象的累积结果产生多由零件磨损和疲劳现象的累积结果产生。这种故障使水轮机某些零部件或整机的参数逐渐变化，例如过这种故障使水轮机某些零部件或整机的参数逐渐变化，例如过流部件的泥砂磨损和气蚀将导致水轮机效率逐渐下降。这种流部件的泥砂磨损和气蚀将导致水轮机效率逐渐下降。这种故障的发展及后果有规律性，可用一定精度的允许值故障的发展及后果有规律性，可用一定精度的允许值(如振动、如振动、摆度、效率下降摆
4、度、效率下降)来表示。来表示。突发故障：突发故障：具有随机性，整个运行期间都可能发生具有随机性，整个运行期间都可能发生。其其现象为运行参数或状态突然或阶跃变化现象为运行参数或状态突然或阶跃变化。例如另部件突然断。例如另部件突然断裂、振动突然增大等。突发故障的原因多为设计、制造、安裂、振动突然增大等。突发故障的原因多为设计、制造、安装或检修中存在较严重缺陷或设计运行条件与某些随机运行装或检修中存在较严重缺陷或设计运行条件与某些随机运行条件不符或设备中突然落入异物等。条件不符或设备中突然落入异物等。第一讲第一讲 :水轮机故障原因及分类水轮机故障原因及分类 2021/8/54 通过加强运行中的维护，
5、进行定期的停机检通过加强运行中的维护，进行定期的停机检修，使设备保养在最佳运行状态，可以减缓渐修，使设备保养在最佳运行状态，可以减缓渐变故障的发展过程，预防突发故障及渐变故障变故障的发展过程，预防突发故障及渐变故障在突发因素下转化为突发故障。在突发因素下转化为突发故障。第一讲第一讲 :水轮机故障原因及分类水轮机故障原因及分类 2021/8/55一、出力下降一、出力下降 并列运行机组在并列运行机组在原来开度下出力下降或单独运行机组开原来开度下出力下降或单独运行机组开度不变时转速下降度不变时转速下降。这两种情况。这两种情况多由多由拦污栅被杂物堵塞拦污栅被杂物堵塞而引而引起，尤其是在洪水期容易发生。
6、对于长引水渠的引水式电站，起，尤其是在洪水期容易发生。对于长引水渠的引水式电站，也可能由于也可能由于渠道堵塞或渗漏渠道堵塞或渗漏使水量减小而引起。另外，也可使水量减小而引起。另外，也可能因能因导叶或转轮叶片间有杂物堵塞导叶或转轮叶片间有杂物堵塞使流量减小而引起。使流量减小而引起。清除堵塞处的杂物清除堵塞处的杂物可消除这种故障，在洪水期应注意定时可消除这种故障，在洪水期应注意定时清除拦污栅上的杂物。清除拦污栅上的杂物。如果出力下降逐渐严重，且无流道堵塞现象，则可能是如果出力下降逐渐严重，且无流道堵塞现象，则可能是转轮转轮或尾水管有损坏或尾水管有损坏使效率下降使效率下降，应停机检查，进行相应处理。
7、应停机检查，进行相应处理。第二讲第二讲 水轮机常见故障处理水轮机常见故障处理（出力下降）（出力下降）2021/8/56二、水轮机振动二、水轮机振动 水轮机在运行中发生较强烈的振动，水轮机在运行中发生较强烈的振动，多由于超出多由于超出正常运行范围而引起，正常运行范围而引起，如如过负荷、低水头低负荷运过负荷、低水头低负荷运行或在气蚀振动严重区域运行。行或在气蚀振动严重区域运行。这时，只要这时，只要调整水轮机运行工况即可调整水轮机运行工况即可。对于气蚀性能不好对于气蚀性能不好，容易发生气蚀的水轮机，则，容易发生气蚀的水轮机，则应分析气蚀原因，采取相应措施，如抬高下游水位应分析气蚀原因，采取相应措施，
8、如抬高下游水位减小吸出高度、加强减小吸出高度、加强尾水管补气尾水管补气等来减小振动。等来减小振动。水轮机振动水轮机振动2021/8/57测量机组的压力脉动区，尽量使机组避开振动区运行测量机组的压力脉动区，尽量使机组避开振动区运行 水轮机振动水轮机振动（水导轴承摆度曲线）（水导轴承摆度曲线）801201602002402803203604004404805205600255075100水导X向摆度微米工作水头:46.0-51.0m水导X向摆度微米工作水头:51.0-56.0m水导X向摆度微米工作水头:56.0-58.0m水导X向摆度微米工作水头:58.0-60.0m水导X向摆度微米工作水头:60
9、.0-62.0m水导X向摆度微米工作水头:62.0-64.0m水导X向摆度微米工作水头:64.0-66.0m水导X向摆度微米工作水头:66.0-68.0m水导X向摆度微米工作水头:68.0-70.0m有功功率(MW)2021/8/58三、运行时发生异常响声三、运行时发生异常响声 运行时发生的异常响声，如运行时发生的异常响声，如为金属撞击声，多为为金属撞击声，多为转动部分与固定部分之间发生摩擦转动部分与固定部分之间发生摩擦，应立即停机，应立即停机检检查转轮、主轴密封、轴承等查转轮、主轴密封、轴承等处，如确有摩擦，则应处，如确有摩擦，则应进行调整。进行调整。另外，另外，水轮机流道内进入杂物、轴承支
10、座螺栓松动、水轮机流道内进入杂物、轴承支座螺栓松动、轴承润滑系统故障、水轮机气蚀等轴承润滑系统故障、水轮机气蚀等也会引起水轮机也会引起水轮机发生异常响声，应根据响声的特点、发生异常响声，应根据响声的特点、结合其它现象结合其它现象(如振动、轴承温度、压力表指示等如振动、轴承温度、压力表指示等)分析原因分析原因，采取，采取相应处理措施。相应处理措施。（水轮机叶片夹石头等）水轮机叶片夹石头等）运行时发生异常响声运行时发生异常响声2021/8/59四、空载开度变大四、空载开度变大 开机时，开机时，导叶开度超过当时水头下的空载导叶开度超过当时水头下的空载开度时才达到空载额定转速开度时才达到空载额定转速，
11、如果检查拦如果检查拦污栅无堵塞，则是由于进水口工作闸门或污栅无堵塞，则是由于进水口工作闸门或水轮机主阀未全开水轮机主阀未全开而造成。检查它们的开而造成。检查它们的开启位置，并使其全开。启位置，并使其全开。空载开度变大空载开度变大2021/8/510五、停机困难五、停机困难 停机时，转速长时间不能降到制动转速。这种故停机时，转速长时间不能降到制动转速。这种故障的原因是障的原因是导叶间隙密封性变差或多个导叶剪断销导叶间隙密封性变差或多个导叶剪断销剪断剪断，因而不能完全切断水流。，因而不能完全切断水流。如果是导叶剪断销剪断，应迅速关闭主阀或进水如果是导叶剪断销剪断，应迅速关闭主阀或进水口工作闸门切断
12、水流口工作闸门切断水流。对于前一种原因，其故障现。对于前一种原因，其故障现象是逐渐发展的，应在加强维护工作中予以消除。象是逐渐发展的，应在加强维护工作中予以消除。停机困难停机困难2021/8/511六、顶盖淹水六、顶盖淹水 这种故障多为顶盖排水系统工作不正常或主轴密封失效漏水量过大引起。对顶盖自流排水的水轮机，检查排水通道有无堵塞。水泵排水的则检查水位信号器，并将水泵切换为手动。对顶盖射流泵排水则检查射流泵工作水压。如果排水系统无故障，则可能是主轴密封漏水量过大，应对其检查，进行调整或更换密封件。另外，应注意是否因水轮机摆度变大引起主轴密封漏水过大。如果顶盖淹水严重，不能很快处理，则应停机，以
13、免水进如果顶盖淹水严重，不能很快处理，则应停机，以免水进入轴承，使故障扩大。入轴承，使故障扩大。顶盖淹水顶盖淹水2021/8/512七、七、剪断销剪断剪断销剪断故障现象：1、导叶剪断销剪断信号灯亮；2、机组振动增大，摆度增大；3、短时间内产生原因不明的负荷增大。原因分析1、导叶间被杂物卡住；导叶间被杂物卡住；2 2、导叶开关过快，使剪断销受冲击剪切力而剪断；、导叶开关过快，使剪断销受冲击剪切力而剪断；3 3、各导叶连臂尺寸调整不当或锁紧螺母松动；、各导叶连臂尺寸调整不当或锁紧螺母松动；4 4、导叶尼龙套吸水膨胀将导叶轴抱的过紧；、导叶尼龙套吸水膨胀将导叶轴抱的过紧；5、水轮机顶盖和底环抗磨板采
14、用尼龙材料，尼龙抗磨板凸出。水轮机顶盖和底环抗磨板采用尼龙材料，尼龙抗磨板凸出。剪断销剪断剪断销剪断2021/8/513 这是一种很常见的故障，特别是卧轴机组。这种这是一种很常见的故障，特别是卧轴机组。这种故障也是对机组正常运行影响最大的一种故障。故障也是对机组正常运行影响最大的一种故障。从根本上讲，引起轴承温度过高甚至损坏的原因，从根本上讲，引起轴承温度过高甚至损坏的原因，一是运行时一是运行时轴承发热量超过正常散热量轴承发热量超过正常散热量；二是轴承二是轴承实际散热量小于正常散热量实际散热量小于正常散热量。八、轴承温度过高八、轴承温度过高 2021/8/514 1 1、由于轴承、由于轴承冷却
15、水水压不足或中断造成冷却冷却水水压不足或中断造成冷却效果效果差，引起轴承瓦温升高而警报。差，引起轴承瓦温升高而警报。此时轴承油槽此时轴承油槽油温较高油温较高，轴承各瓦间，轴承各瓦间温差较小温差较小。并有。并有轴承冷却水中断故障报警。轴承冷却水中断故障报警。2 2、轴承间隙变化轴承间隙变化而不能保持安装或检修时调整的而不能保持安装或检修时调整的合理间隙值。其次是由于合理间隙值。其次是由于机械、水力或电气等方面机械、水力或电气等方面因素引起机组强烈振动因素引起机组强烈振动，使轴承工作条件恶化；，使轴承工作条件恶化；此时轴承各瓦间此时轴承各瓦间温差较大温差较大。八、轴承温度过高八、轴承温度过高 引起
16、的原因引起的原因2021/8/515 3 3、由于、由于轴承绝缘不良，产生轴电流轴承绝缘不良，产生轴电流，破坏油膜，造成推力，破坏油膜，造成推力瓦与镜板间摩擦力增大，使轴承瓦温升高而警报。瓦与镜板间摩擦力增大，使轴承瓦温升高而警报。此时轴承各瓦间温差较小，此时轴承各瓦间温差较小，油色变深变黑油色变深变黑。其他轴承也同样受。其他轴承也同样受影响。影响。4 4、机组机组振动摆度增大振动摆度增大引起轴承瓦间受力不均，受力大的轴引起轴承瓦间受力不均，受力大的轴瓦瓦温升高而警报。瓦瓦温升高而警报。此时轴承此时轴承各瓦间温差较大，相邻轴承瓦间温度相差不大各瓦间温差较大，相邻轴承瓦间温度相差不大。5 5、由
17、于、由于轴承油槽油质劣化或不清洁轴承油槽油质劣化或不清洁造成润滑条件下降，引造成润滑条件下降，引起轴承瓦温升高而警报。起轴承瓦温升高而警报。（轴承油槽进水）（轴承油槽进水）此时可能有轴电流，或油轴承油槽油面升高。此时可能有轴电流，或油轴承油槽油面升高。八、轴承温度过高八、轴承温度过高 引起的原因引起的原因2021/8/516 6 6、轴承油槽、轴承油槽油面降低油面降低引起润滑条件下降造成轴承瓦温引起润滑条件下降造成轴承瓦温升高。升高。（轴承甩油）（轴承甩油）此时油轴承油槽油面下降掉牌。此时油轴承油槽油面下降掉牌。7、由于轴承测温元件损坏、温度计或巡检仪故障引起、由于轴承测温元件损坏、温度计或巡
18、检仪故障引起误警报。误警报。8 8、强油循环系统，供油量不足或断流，以及油循环系、强油循环系统，供油量不足或断流，以及油循环系统工作不正常。统工作不正常。9 9、导轴承瓦间隙设计部合理或调整不当；、导轴承瓦间隙设计部合理或调整不当；八、轴承温度过高八、轴承温度过高 引起的原因引起的原因2021/8/517 这种故障的原因是测量这种故障的原因是测量管路中有空气管路中有空气或或堵塞，应进行排气或清扫。如测量管路正堵塞，应进行排气或清扫。如测量管路正常，则可能是常，则可能是表计损坏，应予以更换。表计损坏，应予以更换。所以所以油和水的表阀要装设三通阀油和水的表阀要装设三通阀，目的，目的是为了排气；是为
19、了排气；而气阀不装三通阀，目的是防止漏气。而气阀不装三通阀，目的是防止漏气。九、压力表计指示不正常九、压力表计指示不正常2021/8/5181 1）转轮叶片裂纹；（停机修复）转轮叶片裂纹；（停机修复）2 2）尾水管人孔门川水；）尾水管人孔门川水；3 3）补气阀川水；）补气阀川水；4 4）水轮机导轴承轴颈裂纹或磨损严重（返厂修复）。）水轮机导轴承轴颈裂纹或磨损严重（返厂修复）。5 5）水导轴承严重甩油（严重时导致烧瓦）；）水导轴承严重甩油（严重时导致烧瓦）；6 6）机组停机状态潜动；（导叶漏水量大引起）。）机组停机状态潜动；（导叶漏水量大引起）。2021/8/519 总之，水轮机运行性能的好坏与
20、机组的设计、制造、总之，水轮机运行性能的好坏与机组的设计、制造、安装、检修、维护的质量有关。安装、检修、维护的质量有关。在实际工作中，应根据设备的运行情况，及存在的在实际工作中，应根据设备的运行情况，及存在的设备缺陷及隐患，充分利用当代新技术、新工艺、新采设备缺陷及隐患，充分利用当代新技术、新工艺、新采料，针对性地进行改进或改造，使机组始终处于良好的料，针对性地进行改进或改造，使机组始终处于良好的状态运行。状态运行。如果条件条件允许，针对设备的薄弱环节，安装机如果条件条件允许，针对设备的薄弱环节，安装机组状态监测与故障诊断分析系统，定期对机组的运行状组状态监测与故障诊断分析系统，定期对机组的运
21、行状态进行诊断分析，安排机组的检修计划。态进行诊断分析，安排机组的检修计划。2021/8/520 一、水轮机的气蚀特性一、水轮机的气蚀特性 （一）气蚀现象（一）气蚀现象 气蚀现象最早发现于气蚀现象最早发现于1891年，英国高速驱逐舰年，英国高速驱逐舰“达令达令”号在试航中，发现螺旋桨在较短时间遭到破坏，其后在水泵号在试航中，发现螺旋桨在较短时间遭到破坏，其后在水泵和水轮机叶片中也发现类似的破坏现象。和水轮机叶片中也发现类似的破坏现象。由于当时水力机械由于当时水力机械处于低速阶段，这种破坏并不显著。处于低速阶段，这种破坏并不显著。随着水轮机向大容量、随着水轮机向大容量、高水头和高转速方面的发展，
22、这种破坏日趋严重，经研究，高水头和高转速方面的发展，这种破坏日趋严重，经研究，发现这是一种叫做发现这是一种叫做“气蚀气蚀”的现象所造成的的现象所造成的。日常生活中存在日常生活中存在-种普通的物理现象，即任何液体在一定种普通的物理现象，即任何液体在一定的压力下，当温度升高到一定数值时的压力下，当温度升高到一定数值时.液体开始沸腾；反过来液体开始沸腾；反过来说，若将液体保持在一定的温度，而改变作用在液体上的压说，若将液体保持在一定的温度，而改变作用在液体上的压力，则当压力变化到某一数值时，液体也开始沸腾。力，则当压力变化到某一数值时，液体也开始沸腾。第三讲：气蚀、泥沙磨损和振动第三讲：气蚀、泥沙磨
23、损和振动 2021/8/521 例如，水在一个标准大气压下，加热到100才会沸腾汽化；如果改变作用在水面的压力，当压力降低到0.24mH20时，水温仅20 便汽化了。在一定温在一定温度下水开始汽化的临界压力度下水开始汽化的临界压力.称为汽化压力称为汽化压力。水在各种温度下的汽化压力列于表1-12-1中。.第三讲第三讲 气蚀、泥沙磨损和振动气蚀、泥沙磨损和振动 2021/8/522 在反击式水轮机的流道中，由于边界条件的变在反击式水轮机的流道中，由于边界条件的变化，某些地方流速会增加，致使压力降低。由于水化，某些地方流速会增加，致使压力降低。由于水中含有气蚀核中含有气蚀核(小气泡、空气等小气泡、
24、空气等)，当压力低于汽化压，当压力低于汽化压力时会发生汽化，释放出蒸汽泡，溶解在水中的气力时会发生汽化，释放出蒸汽泡，溶解在水中的气体也会分离出来，变成空气泡，这些蒸汽泡和空气体也会分离出来，变成空气泡，这些蒸汽泡和空气泡的混合物，一般称为汽穴泡的混合物，一般称为汽穴。这。这些微泡的形成、发些微泡的形成、发展、溃裂以及对过流表面所产生的破坏过程称为气展、溃裂以及对过流表面所产生的破坏过程称为气蚀。蚀。第三讲第三讲 气蚀、泥沙磨损和振动气蚀、泥沙磨损和振动 2021/8/5231 1机械破坏作用机械破坏作用 在通流部件压力低于汽化压力的地方会有蒸汽和空气从在通流部件压力低于汽化压力的地方会有蒸汽
25、和空气从水中析出，成为夹杂在水中的气泡群，它随着水流运动被带水中析出，成为夹杂在水中的气泡群，它随着水流运动被带到高压区，到高压区，在高压作用下，气泡受压，被压缩到一定的程度在高压作用下，气泡受压，被压缩到一定的程度开始溃裂重新凝结成水。开始溃裂重新凝结成水。在在气泡瞬息破裂气泡瞬息破裂时伴随发生两种水时伴随发生两种水击压力，一种是水流力图在瞬间充满原气泡占据的空间而产击压力，一种是水流力图在瞬间充满原气泡占据的空间而产生的生的冲击压力冲击压力；另一种是气泡破裂自身所产生的；另一种是气泡破裂自身所产生的聚能压力聚能压力。这些压力形成微观的水击效应，由于发生在极短的瞬间，因这些压力形成微观的水击
26、效应，由于发生在极短的瞬间，因此此这种瞬时水击压力相当大，可达几百个大气压。这种瞬时水击压力相当大，可达几百个大气压。(二）气蚀的破坏作用二）气蚀的破坏作用 2021/8/5241 1机械破坏作用机械破坏作用 过流表面的某些局部区域，气泡的产生与溃灭处于反复过流表面的某些局部区域，气泡的产生与溃灭处于反复循环的动态过程。循环的动态过程。产生周期性的脉冲水击压力，使过流表面产生周期性的脉冲水击压力，使过流表面承受反复的冲击载荷。这样，材料在两种形式上遭到破坏，承受反复的冲击载荷。这样，材料在两种形式上遭到破坏，一种属于在屈服点内的疲劳破坏，一种属于在屈服点内的疲劳破坏，气泡溃灭后周围流体高速气泡
27、溃灭后周围流体高速射流挤入金属晶格，冲击过去之后流体又力图从这些金属品射流挤入金属晶格，冲击过去之后流体又力图从这些金属品格中流出，正反两种作用都导致晶粒脱落。格中流出，正反两种作用都导致晶粒脱落。另一种形式属于另一种形式属于超过屈服点后产生塑性变形而直至破坏超过屈服点后产生塑性变形而直至破坏。在气蚀脱下材料破坏的过程本质上是一种疲劳过程，其形在气蚀脱下材料破坏的过程本质上是一种疲劳过程，其形式是表面发生剥蚀。对于粗糙的表面，这一过程由于应力集式是表面发生剥蚀。对于粗糙的表面，这一过程由于应力集中而加速破坏。中而加速破坏。(二）气蚀的破坏作用二）气蚀的破坏作用 2021/8/5252 2化学破
28、坏作用化学破坏作用 一些试验研究认为，化学作用来源于局部高温一些试验研究认为，化学作用来源于局部高温和氧化。和氧化。当气泡被压缩时要放出热量当气泡被压缩时要放出热量。气泡溃灭时。气泡溃灭时形成的高速射流可以产生局部高温。从理论上讲，形成的高速射流可以产生局部高温。从理论上讲，当射流速度高达当射流速度高达16002000m/s16002000m/s时，可使钢材熔化。时，可使钢材熔化。有的实验表明，有的实验表明，在气泡破裂时，局部高温可达数百在气泡破裂时，局部高温可达数百度，在度，在这种高温高压的作用下，这种高温高压的作用下，引起金属材料的引起金属材料的局局部氧化部氧化。化学破坏作用化学破坏作用2
29、021/8/5263 3电化破坏作用电化破坏作用 气泡在高温高压下产生放电现象气泡在高温高压下产生放电现象，即产生电化，即产生电化作用，金属表面的局部温差也形成热电偶，从而对作用，金属表面的局部温差也形成热电偶，从而对金属表面产生电解作用。金属表面产生电解作用。气蚀对金属表面的破坏作用，目前的研究还很不气蚀对金属表面的破坏作用，目前的研究还很不完善。一般认为主要是机械破坏作用。在机械作用完善。一般认为主要是机械破坏作用。在机械作用的同时，化学破坏作用和电化破坏作用，加速了机的同时，化学破坏作用和电化破坏作用，加速了机械破坏过程。械破坏过程。气蚀对金属材料的破坏，一般是首先使金属表面气蚀对金属材
30、料的破坏，一般是首先使金属表面失去光泽而变暗，接着变毛糙而发展成为麻点，进失去光泽而变暗，接着变毛糙而发展成为麻点，进而成蜂窝状而成蜂窝状(海棉状海棉状)，严重时可使叶片穿孔、开裂和，严重时可使叶片穿孔、开裂和成块脱落。成块脱落。电化破坏作用电化破坏作用2021/8/5273 3电化破坏作用电化破坏作用 气蚀破坏造成的后果和影响是十分有害的：气蚀气蚀破坏造成的后果和影响是十分有害的：气蚀直接破坏水轮机的过流部件，直接破坏水轮机的过流部件，特别是转轮叶片，严特别是转轮叶片，严重时可使叶片穿孔、缺口甚至脱落；水轮机在气蚀重时可使叶片穿孔、缺口甚至脱落；水轮机在气蚀情况下运行、出力和效率都要显著降低
31、，并且要引情况下运行、出力和效率都要显著降低，并且要引起噪音、机组的强烈振动和运行不稳定；起噪音、机组的强烈振动和运行不稳定；气蚀缩短气蚀缩短了检修周期、了检修周期、延长了检修工期，延长了检修工期，气蚀检修要耗用大气蚀检修要耗用大量的贵重金属材料和人力物力。量的贵重金属材料和人力物力。因此，在设计、制造、安装、运行和维修中，采因此，在设计、制造、安装、运行和维修中，采取有效措施，以防止和减缓水轮机的气蚀程度，是取有效措施，以防止和减缓水轮机的气蚀程度，是极为必要极为必要|的。的。电化破坏作用电化破坏作用2021/8/528 根据汽蚀发生的部位和发生条件的不同，水轮机的气蚀一般根据汽蚀发生的部位
32、和发生条件的不同，水轮机的气蚀一般可分为三类。可分为三类。1 1翼型汽蚀翼型汽蚀 翼型气蚀一般指发生在转轮叶片上的气蚀。翼型气蚀一般指发生在转轮叶片上的气蚀。它在反击式水它在反击式水轮机中普遍存在。轮机中普遍存在。反击式水轮机转轮叶片迫使水流的动量矩发生改变它意味着叶反击式水轮机转轮叶片迫使水流的动量矩发生改变它意味着叶片的正面和背面必然存在压差叶片的正面片的正面和背面必然存在压差叶片的正面(工作面工作面)为正压而为正压而背背面面(非工作面非工作面)一般为负压。当负压区的压力低于汽化压力就可一般为负压。当负压区的压力低于汽化压力就可能发生气蚀。能发生气蚀。因此因此背面的低压区是造成气蚀的条件。
33、背面的低压区是造成气蚀的条件。（三）（三）气蚀的类型气蚀的类型（翼型汽蚀）（翼型汽蚀）2021/8/5292021/8/5302.2.空腔气蚀空腔气蚀 反击式水轮机在非设计工况下运行时转轮出口水反击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分量水流在尾水管中产生旋转，流具有一定的圆周分量水流在尾水管中产生旋转，旋转水流的中心产生涡带旋转水流的中心产生涡带（图（图1-12-3）。）。涡带的中心涡带的中心形成很大的真空。真空涡带周期性的扫射尾水管管形成很大的真空。真空涡带周期性的扫射尾水管管壁，造成尾水管管壁的汽蚀破坏。壁，造成尾水管管壁的汽蚀破坏。这种气蚀形式，这种气蚀形式，称为空腔
34、气蚀。称为空腔气蚀。空腔气蚀空腔气蚀2021/8/531 为了衡量和比较水轮机汽蚀的程度需要制定对气蚀浸蚀的评定标准。目前使用的标准有多种我国采用单位时间叶片背面单位面积上平均浸蚀深度浸蚀深度作为评定标准即 （1-12-1）式中 K-浸蚀指数，mm/h V-浸蚀体积，m2.mm T-有效运行时间，h（不包括调相运行时间）F一一叶片背面总面积 m2 (四四)气蚀的等级气蚀的等级 FTVK 2021/8/532为了区别各种水轮机的气蚀程度一般将浸蚀指数分成五级并换算成相应的年平均浸蚀速度见表1-l2-2。-般在级以上的属于严重气蚀情况。(四四)气蚀的等级气蚀的等级 浸蚀等级浸 蚀 指 数 K（1
35、0-4mm/h）浸蚀速度（mm/年）汽蚀程度0.0570.057-0.2281.1400.20.50.51.01.0中等较重严重2021/8/5332021/8/534二、水轮机的气蚀系数二、水轮机的气蚀系数 动态真空与水头的比值为水轮机的气蚀系数 （1-12-13）式中尾水管的恢复系数 -尾水管的阻力系数。hv-动态真空Z2-Za =Hs Hs-静态真空或吸出高度 gHvgHwwHhk22222212021/8/535二、水轮机的气蚀系数二、水轮机的气蚀系数 Pvk-K点的真空值为 =Hs+hv （1-12-9）K点的真空由两部分组成其静态真空Hs与水轮机的安装高度有关而动态真空hv由转轮和
36、尾水管共同形成它主要与运行工况有关且与水头成正比。水轮机的汽蚀系数水轮机的汽蚀系数是一个无因次系数，它与转轮翼、型运行工况、水是一个无因次系数，它与转轮翼、型运行工况、水轮机形状、转轮出口动能、尾水管的性能及恢复系数等诸多因素有关。轮机形状、转轮出口动能、尾水管的性能及恢复系数等诸多因素有关。对于不同的水轮机，在相同的水头条件下，越大则动态真空越大，发生汽蚀的可能性越大。设计和选择水轮机在保证良好的能量特性的同时，应尽可能减小水轮机的汽蚀系数。影响气蚀系数的因素比较复杂直接用理论计算或进行测量均有较大困难。目前通常是用模型试验方法求得水轮机的气蚀系数称为模型气蚀系数常用表示vkP2021/8/
37、536二、水轮机的气蚀系数二、水轮机的气蚀系数 在工程上是用模型气蚀系数m的大小来反映不同系列水轮机的气蚀性能。HHppsak2021/8/537三、水轮机的吸出高度和安装高程三、水轮机的吸出高度和安装高程 反击式水轮机转轮压力最低点出现在叶片背面接近出口边的K点该区域最可能发生翼型气蚀其真空值由静态真空和动态真空两部分组成。对于一台给定的水轮机动态真空与该水轮机动态真空与该水轮机的结构及运行工况有关。的结构及运行工况有关。但静态真空则与水轮机本身无关它仅取决于转轮装置于下游静态真空则与水轮机本身无关它仅取决于转轮装置于下游水面的相对高度常用水面的相对高度常用HsHs表示水轮机的吸出高度。在装
38、置水轮机时可通过选择适宜的吸出高度Hs来控制转轮出口处的压力值以避免翼型气蚀的发生。显然吸出高度越小则吸出高度越小则水轮机装得越低，水轮机不易发生气蚀，但电站的挖方量增水轮机装得越低，水轮机不易发生气蚀，但电站的挖方量增加基建投资加大。加基建投资加大。因此选择合理的吸出高度Hs是一个重要的技术经济问题。2021/8/538三、水轮机的吸出高度和安装高程三、水轮机的吸出高度和安装高程 不发生气蚀的条件是：Hs 不发生翼型气蚀的基本条件,即吸出高度Hs不大于公式右端的数值就可避免发生翼型气蚀。式中左边各项数值完全取决于水轮机安装处的环境条件称它为水轮机的装置气蚀系数,用表示。y=（1-12-18）
39、即 y （1-12-19）式（1-12-19）为不发生气蚀的另一种表达形式.即水轮机的装置气蚀系数应大于水轮机的汽蚀系数，水轮机才不发生翼型气蚀。y=称为临界状态。HppvaHHHHsa2021/8/539三、水轮机的吸出高度和安装高程三、水轮机的吸出高度和安装高程 吸出高度的计算 -(0.51)(m)一些设计、制造部门考虑气蚀系数修正的方法是对模型气蚀系数乘上安全系数 K即 (m)(1-12-24)式中K-气蚀安全系数即装置气蚀系数y与模型气蚀系数y之比K=y/；对轴流式水轮机K=1.l1.2；对混流式水轮机 K=1.21.5H-一般按设计水头计算对混流式水轮机还应以最大水头、轴流式水轮机以
40、最小水头对应的进行核算。HHS)(90010HkHS900102021/8/540三、水轮机的吸出高度和安装高程三、水轮机的吸出高度和安装高程 从图l-12-5可知 HsHs是下游水面至转轮叶片上压力最低是下游水面至转轮叶片上压力最低点点K K的距离的距离，由于K点的位置难以确定，而且该点随工况变化而变动，为计算方便工程实践中，对不同型式对不同型式和装置方式的水轮机作了统一规定：和装置方式的水轮机作了统一规定：(1)(1)立轴混流式的立轴混流式的HsHs为下游水面至导水机构底环平固的为下游水面至导水机构底环平固的距离；距离；(2)(2)立轴轴流式和斜流式的立轴轴流式和斜流式的HsHs指下游水面
41、至转轮叶片旋指下游水面至转轮叶片旋转中心线与转轮室内壁交点的距离；转中心线与转轮室内壁交点的距离；(3)(3)卧轴反击型水轮机的卧轴反击型水轮机的HsHs指下游水面至叶片最高点的指下游水面至叶片最高点的距离。距离。2021/8/5412021/8/542三、水轮机的吸出高度和安装高程三、水轮机的吸出高度和安装高程 上述计算出的上述计算出的HsHs为正值则说明规定处装在下游水位以为正值则说明规定处装在下游水位以上；若上；若HsHs为负值则处于下游水位以下。为负值则处于下游水位以下。上述吸出高度上述吸出高度HsHs是一个相对值反映不出绝对海拔高程。是一个相对值反映不出绝对海拔高程。在实际工程中要确
42、定安装的标记基准即安装高程。在实际工程中要确定安装的标记基准即安装高程。不同型式、装置的不同型式、装置的水轮机安装高程水轮机安装高程为为(1)(1)对立轴混流式水轮机。为导水叶中心对立轴混流式水轮机。为导水叶中心(水平线水平线)处的处的海拔高程。海拔高程。(2)(2)对立轴轴流式水轮机为导转轮叶片中心线处的海拔对立轴轴流式水轮机为导转轮叶片中心线处的海拔高程。高程。(3)(3)对卧轴反击型水轮机为主轴中心所处的海拔高程。对卧轴反击型水轮机为主轴中心所处的海拔高程。2021/8/543三、水轮机的吸出高度和安装高程三、水轮机的吸出高度和安装高程 安装高程可按下式计算 （m）（1-12-25）式中
43、安安-安装高程；下下-下游尾水位；Hs-吸出高度E B-尺寸对立轴混流式B=b0/2 b0为导叶高度；对立轴轴流式B=0；对卧轴反击型 B=-D1/2BHs下安2021/8/544三、水轮机的吸出高度和安装高程三、水轮机的吸出高度和安装高程 对于立轴轴流式水轮机也有用导叶中心的海拔高程作为安装高程的估算时可取B=0.41D1式(1-12-25)中的下游尾水位下下 在实际中有多个。采用的下游尾水位不同计算出来的安装高程也不同。对中小型水电站可按下述方法确定。装机1-2台的中小型水电站取一台机50%额定出力时相应的下游水位；对装机多于两台的中小型电站取一台机满出力运行时相应的下游水位。水斗式水轮机
44、的安装高程与气蚀系数无关。对立轴机组，水斗中心线至最高尾水位的距离一般D1；卧轴机组转轮最低点距下游最高水位的距离根据结构和设计的可能取0.3-0.5m即可。也可查有关设计手册。2021/8/545四、空腔气蚀对水轮机运行稳定性的影响四、空腔气蚀对水轮机运行稳定性的影响 水轮机的运行稳定性水轮机的运行稳定性一般指水轮机稳定于某一一般指水轮机稳定于某一工况下运行而工况下运行而无出力或开度的摆振也没有超出规范无出力或开度的摆振也没有超出规范的振动、噪音和压力脉动的振动、噪音和压力脉动。水轮机的工作稳定性是水轮机的工作稳定性是一项重要的性能指标。一项重要的性能指标。混流式水轮机振动和运行不稳定一般在
45、低负荷运行混流式水轮机振动和运行不稳定一般在低负荷运行即即导叶开度在导叶开度在40%-60%时出现其压力脉动值可达运时出现其压力脉动值可达运行水头的行水头的12%左右。左右。2021/8/546五、水轮机的气蚀破坏与防护五、水轮机的气蚀破坏与防护 (一一)原型水轮机的气蚀破坏原型水轮机的气蚀破坏 气蚀在反击式水轮机中是普遍存在的。气蚀在反击式水轮机中是普遍存在的。(1)(1)对气蚀影响大的因素有对气蚀影响大的因素有值、制造材料、运行工况和泥砂性值、制造材料、运行工况和泥砂性质等质等。据统计转轮叶片形状是对气蚀影响最大的因素。据统计转轮叶片形状是对气蚀影响最大的因素。在同样的条件在同样的条件下具
46、有优良翼型型线的抗气蚀性能较好。因此在制造上保证下具有优良翼型型线的抗气蚀性能较好。因此在制造上保证有优良的翼型对防止和减轻气蚀极为重要。有优良的翼型对防止和减轻气蚀极为重要。(2)转轮叶片上的气蚀一般只在局部区域发生如图转轮叶片上的气蚀一般只在局部区域发生如图1-12-1的的A、B、C、D区。区。2021/8/547(一一)原型水轮机的气蚀破坏原型水轮机的气蚀破坏 (3)制造材料影响气蚀制造材料影响气蚀。用不锈钢制造的转轮抗气蚀性能较好。用不锈钢制造的转轮抗气蚀性能较好。(4)同一转轮的不同叶片上气蚀程度不同同一转轮的不同叶片上气蚀程度不同若干水电广都存在这若干水电广都存在这一情况。一情况。
47、(5)检修是否及时检修是否及时对气蚀破坏的程度亦不同。对气蚀破坏的程度亦不同。(6)不同型号转轮气蚀程度不一样。不同型号转轮气蚀程度不一样。（7）同一型号不同厂家制造的水轮机气蚀情况不一样。）同一型号不同厂家制造的水轮机气蚀情况不一样。(8)同一水轮机在不同工况下运行气蚀破坏程度不同。同一水轮机在不同工况下运行气蚀破坏程度不同。2021/8/548(一一)原型水轮机的气蚀破坏原型水轮机的气蚀破坏 (9)(9)不同的水电站气蚀侵蚀规律不同；不同的水电站气蚀侵蚀规律不同；1 1)气蚀面积随运行时间而变气蚀面积随运行时间而变。某水电站运行时间从。某水电站运行时间从3447h3447h增到增到6123
48、h6123h气蚀面积增加一倍而气蚀深度没有气蚀面积增加一倍而气蚀深度没有什么变化。什么变化。2)2)气蚀深度气蚀深度随运行时间而变化。某水电站运行时间从随运行时间而变化。某水电站运行时间从3061h3061h增到增到5054h5054h气蚀深度增大气蚀深度增大6 6倍而气蚀面积无明显倍而气蚀面积无明显增加。增加。3)气蚀面积和深度均随运行时间增加气蚀面积和深度均随运行时间增加。大多数属这种类。大多数属这种类型某水电站运行时间从型某水电站运行时间从6194h增加到增加到8750h气蚀面积气蚀面积及深度均增加一倍。及深度均增加一倍。2021/8/549（二）水轮机的气蚀防护（二）水轮机的气蚀防护
49、对气蚀的防护措施主要有下列几个方面。对气蚀的防护措施主要有下列几个方面。1 1设计方面设计方面（1 1）改善水轮机转轮的水力设计改善水轮机转轮的水力设计转轮叶片翼型对气蚀性能有显著影响因此转轮叶片翼型对气蚀性能有显著影响因此应注重翼型的设计应注重翼型的设计。近年一些水力设计与试验成果表明近年一些水力设计与试验成果表明改进尾水管及转轮上冠的改进尾水管及转轮上冠的设计设计，能有效减轻空腔气蚀提高运行稳定性。目前的设计倾，能有效减轻空腔气蚀提高运行稳定性。目前的设计倾向是加长锥管和加大扩散角以及加长转轮的泄水锥。向是加长锥管和加大扩散角以及加长转轮的泄水锥。（2 2）优化选型设计）优化选型设计水轮机
50、翼型气蚀与水轮机翼型气蚀与HsHs有密切关系。为了减轻汽蚀破坏，有密切关系。为了减轻汽蚀破坏，应选择应选择适合电站自然条件而气蚀性能好的水轮机适合电站自然条件而气蚀性能好的水轮机。选型设计中水轮选型设计中水轮机的比转速机的比转速n nS S、气蚀系数、气蚀系数、吸出高度、吸出高度HsHs均是密切相关的均是密切相关的。比转速越高气蚀系数越大，比转速越高气蚀系数越大，HsHs越小，挖方与土建投资越大。越小，挖方与土建投资越大。这几者之间不能过分强调某一方面，不可顾此失彼，应统筹这几者之间不能过分强调某一方面，不可顾此失彼，应统筹比较采用优化配合。比较采用优化配合。2021/8/5502 2制造方面
