浅析西藏高原水轮机气蚀的防护

浅析西藏高原水轮机气蚀的防护

刘易鑫

西藏农牧学院西藏林芝860000

摘要：水轮机气蚀主要由于空化和空蚀现象造成的。由于高原所处特殊的自然环境，导致水轮机气蚀成因较平原地区有所不同。本文从水的含沙量及温度两方面对高原地区水轮机气蚀进行分析，提出相关的防护措施。

关键词：西藏；高原；水轮机气蚀；防护

中图分类号：TV734文献标识码：A

1.前言

西藏的水力资源理论蕴藏量17640亿kW·h，约占全国总量的29%，技术可开发装机容量1.1亿kW，可开发巨型、大型水电站装机容量9.71×106kW，水电站规模大部分在1×106kW以上，小部分为1×107kW的巨型电站[1]，各梯级电站单机容量可达5×105kW以上。在西南国际诸河四大流域中，西藏坐拥雅江流域和怒江流域，为其水力发电提供了得天独厚的优势，但由于高原地区与平原地区的自然环境有诸多差异，致使水轮机的气蚀产生原因较内地有所不同，因此在高原对于水轮机材料的选择以及气蚀的防护侧重应与内地有所差异。

2.水轮机气蚀的分类

水轮机的气蚀现象实际上包括了空化和空蚀两个过程，而空蚀是空化的直接后果（空化可发生在液体内部或固体边界，空蚀只能发生在固体边界），所以说水轮机的气蚀主要是由于水体的空化现象（由于液体中形成的空穴崩溃而产生的高温、高压、放电、发光和激震波等的作用）所引起的。按照气蚀发生部位的不同，可将水轮机的气蚀分为以下几种。

2.1翼型气蚀

水体绕流叶片时，转轮叶片背面的压力往往为负压，且从绕至转轮叶片背面开始将发生明显的压力降低，当压力低至环境汽化压力以下时，将导致空化区出现，这种气蚀现象称为翼型气蚀。翼型气蚀的破坏区域多发生在叶片背侧，会使叶面背侧形成小凹坑，进而发展成海绵状。

2.2间隙气蚀

当水体流经狭小通道或间隙时引起局部流速升高，而当压力降低下降到一定程度时就发生了空化和空蚀现象，这种气蚀现象称为间隙气蚀，主要发生在叶片上侧或根部与转轮接触处间隙以及导叶全关位置区域，或是喷嘴喷针之间。

2.3局部气蚀

当水体流经不平整表面，有砂眼和气孔处，局部流态发生剧变导致局部压力下降从而形成局部空化和空蚀，这种气蚀现象称为局部气蚀。主要发生在不平整表面处，凹陷处后方及螺丝固定处或其他针孔密封处。

2.4空腔气蚀

转轮出口水流存在一定的圆周速度分量，在该圆周速度分量作用下，在轮转后产生涡带，在其中心形成极大负压，该涡带的转速频率一般低于水轮机，在其尾水管中旋转，引起尾水管中流速场及压力场的相关变化，致使运行不稳定并在尾水管进口段产生空蚀，该气蚀现象称为空腔气蚀，其为反击式水轮机特有的气蚀种类，多发生在混流式水轮机中。

3.结合西藏高原自然环境的对气蚀的简单分析

3.1水的含沙量

西藏地区的河流由于植被葱郁，暴雨少且强度小，其河流含沙量，水质较好。以雅鲁藏布江为例，其多年平均含沙量仅为0.30kg/m3，而其历年最大含沙量不过2.31kg/m3。因此对于局部气蚀来说，在水轮机运行后水流泥沙对于水轮机材料的磨损较内地要少，所以高原地区对于水轮机局部气蚀的防护应侧重于水轮机构件本身，应在铸造及加工时尽量保证叶片表面的光洁度，尽量减少表面的砂眼和气孔，在材料的选择上可以选用高硬度高拉伸强度的材料和具有良好弹性的材料。此外，材料的晶粒组成越细密，金属材料中杂质越少，抗蚀能力越好，推荐采用耐候钢等镍铬不锈钢，不仅可以抗蚀还能提高机械性能。

3.2水的温度

磨光时尽量保留原叶形。修补时采用的抗磨蚀涂层用料推荐使用复合尼龙喷涂粉末，环氧金刚砂材料和弹性橡胶材料等，这些材料可有效延长水轮机过流部件的使用寿命，降低维护成本。但是需要注意的是，对于气蚀严重，修复价格极高的转轮，应进行及时更换，保证水轮机的持续高效运行；另外，还要适当调整水轮机叶片数量。西藏是高寒地带，河川径流多为融化的雪水，因而水温较低，由西藏水文资料看出，雅鲁藏布江江孜格沙历年水温表统计，大部分月平均水温在13℃～18℃，月平均最低气温为0℃～0.3℃，年平均水温为7℃～10℃。由于水温的变化引起饱和汽化压力的变化，水温越低，水的汽化压力越小，则不易发生翼型气蚀。由产生的空蚀条件可知，若想不发生空蚀，须有>，对有

式中Ha为水轮机安装处的大气压力（mH2O）；Hv为该处相应于平均水温下的水的饱和汽化压力；为装置的空蚀系数。若西藏年平均水温按10℃计，则相应的汽化压力值Hv=0.12mH2O；水温通常按20℃计，则相应的汽化压力值Hv=0.24mH2O，两者汽化压力差值为0.24-0.12=0.12mH2O，故值较大，计算结果>值，即装置空蚀系数大于水轮机空蚀系数，且Hs值大，则水轮机不发生翼型气蚀。[2]

以上数据和计算证明了在西藏地区优厚的低水温条件下，水轮机发生空蚀的可能性较内地大大降低。但是需要注意的是，对于翼型气蚀气蚀的防护只是较内地视情况减轻，据西藏水温数据走向来看，受全球变暖的大环境条件影响，西藏水温也正逐年稳步上升，不过短期内应该不会产生较大影响，但也需要逐渐时时测定水温，据其上升情况及时做出调整。

4.一般情况水轮机材料选用和防护措施

4.1及时检修，补焊，更新转轮

首先对水轮机的维护，一定要做到定期检修，及时的检修处理，以小修代替大修，既能缩短每次检修水轮机的时间，又能保证水轮机长期运行的平均质量，增加水轮机组的寿命，如果未能及时发现问题将造成难以预料的后果。以河南省驻马店市板桥水电站为例，曾因为未及时检修，导致其4台机组剥蚀严重，大大延长了其大修时间，不仅损害了水轮机的寿命，而且导致其机能下降。此外要对水轮机进行及时补焊，对于在什么时间对什么气蚀程度补焊视水轮机实际情况而定。补焊前需要清除补焊处的锈迹和水垢油垢，多次补焊要将之前的焊渣清除，补焊的先后顺序，温度条件也需要注意。另外对水轮机叶片数量优化也可以提高抗蚀效率。

4.2采用适当的运行措施，改进叶片形状

根据不同机型的水轮机结合其电站的实际运行需要，合理模拟运行情况避免低负荷运行发生空蚀。在运行时可适当补气，补气可以破坏真空条件，防止水轮机表面因真空气压低而造成的空蚀效果。补气分自然补气和强迫补气两种方式。一般均采用自然补气，只有在水轮机吸出高度的负值较大，尾水管内压力较高，很难用自然补气方式补气时，才采用压缩空气强迫补气方式。常用的补气装置有轴心孔补气装置、尾水十字架补气装置和尾水短管补气装置。此外可以改变水轮机叶片的形状，使其更符合水的流动规律：水轮机叶片的背面应设计的应能均匀受水压力，进水处边缘应为圆弧形，整体尽量接近翼型。可参照《水轮机设计手册》进行数据计算，用Bladegen进行模拟，从AutoCAD中导出木模，这样更加能够满足需要，且准确。

结语

综上分析，西藏的水电在水轮机气蚀这一项上是有着优于内地的条件的。本文分析了水含沙量和水温两个方面，得出对西藏地区水轮机而言可对局部气蚀和翼型气蚀的防护较内地可有所减轻，那么相应的可在间隙气蚀和空腔气蚀的防护上多做些措施，对于一般的空蚀防护本文也在选用材料和针对情况提出对应的方法措施，希望能对西藏高原地水轮机气蚀问题有所帮助。

参考文献：

[1]赵明琴，高瑜.西藏高原大型机组参数选择探讨［J］.水力发电，2013，（39）：61-64.

[2]管德灵.西藏高原水轮机空蚀问题的探讨[J].水利水电科技进展，1996，（3）：58-61.