水轮机汽蚀分析及改进措施

电力18讯：    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349 km2，总库容820 km2，属引水式水电站，装机容量为2×100 kW，总投资25.7万元。设计水头7.5 m，单机引用流量1.84 m3/s，水轮机型号为ZD760-LM-60，φ = 15°，转速n = 750 r/min；发电机型号为TS11-8P-100，转速n = 750 r/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7.5 m，最高水头9.5 m，单机最大出力85 kW，每年运行时间约为6000 h。  

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5.3 cm，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80 cm2，占整个叶片面积的20.5%，缺尖面积25 cm2，严重汽蚀面积50 cm2，平均汽蚀深度3.5 mm，汽蚀指数为0.598×10-4 mm/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 = 750 r/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5.3～7.5 m，相应出力范围为85～118 kw，而实际运行时水头范围7.5～9.5 m，水轮机出力67～95 kw，发电机出力60～85 kw，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

周家洞电站压力前池容积较小，几何形状不佳，水流极不稳定，进水处产生较大的漩涡，带入空气（发电时常听到进水处有哈欠声），尤其是2号机组更为严重。当空气进入转轮室达到叶片尖端下面时，由于压力的突然降低，气泡体积迅速膨胀而破灭，四周的水瞬间向气泡中心撞击，形成正水锤。该水锤似尖刀一般剥蚀叶片和水轮机座环内壁。

2.3 人为降低尾水位

电站投产后，由于机组出力不足，为了提高水头，增加出力，周家洞站于1988年初，将尾水下游不远处一自然拦水坎打掉，使尾水位下降了30～50 cm，结果出力仍未提高（虽然水头提高了，但从该机的运转特性曲线可知，此时效率显著下降）。这时，造成电站吸出高度增加，加上该型号水轮机本身的汽蚀系数较大，从而加剧了汽蚀进程。

2.4 制造工艺差

由于水轮机叶片表面、座环内壁加工粗糙，人为地改变了水流条件，对汽蚀的产生和发展起到了一定作用。

2.5 检修不够及时

该站从第一次发现转轮叶片、座环汽蚀到2000年底已达9年之久，从未分析汽蚀产生的原因，也未进行必要的处理，只是在叶片汽蚀后更换转轮，同时也没有检查转轮的质量，特别是座环在汽蚀穿孔的情况下，没有及时进行焊补等处理，致使汽蚀愈演愈烈。

3 改进措施

经过分析，要解决周家洞水电站的汽蚀问题，必须重新选择更换水轮机，同时改善进水条件，更换加长尾水管。

3.1 更换水轮机

2000年底，我们对周家洞电站进行了更新改造。为了提高电站发电能力，避免水轮机汽蚀，经分析，选用了ZD760-LMY-60型水轮机替换。由ZD760-LMY-60，（φ = 15°，转速= 750 r/min）运转特性曲线可知，当水头为7.5～9.5 m时，其效率可达72%～78%，水轮机基本上处于高效区，其汽蚀程度可大大减轻，并且可提高机组出力20%～30%。

3.2 改善水流条件

根据周家洞电站的地理条件，加宽了引水渠，扩大了压力前池容积，对进水处的几何形状进行了改进，从而避免了进水处水流漩涡的产生，防止了空气进入水轮机室。同时还更换了尾水管，使尾水管在尾水位最低时，能保持淹没深度不小于30～50 cm。

4 结束语

该电站采用了ZD560-LM-60型水轮机，改造后，机组出力达到了设计要求，单机最大出力112 kw，平均出力98 kw，从2000年5月开始运行到2006年5月为止，共发电4.7 Gwh，创产值82.6万元，比改造前增长37.2%。运行近6年来，机组振动消除了，汽蚀程度大大减轻，每个转轮可正常运行7～9年，座环可正常运行11～14年。周家洞水电站汽蚀的消除为壁山县其它小水电站的技术改造提供了经验，取得了很好的经济效益。