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一、前言

隨著水輪發電機組單機容量的提高以及水輪發電機組在電力系統中所占的比重越來越大,如何確保大型機組的可靠和穩定運行,已成為電力業一個極為關注的問題。汽蝕是水輪機運行中最為常見的故障之一,嚴重時的它直接危及到機組的安全運行。因此,對水輪發電機組汽蝕進行在線監測是十分必要的。美國O.R.E公司CMS汽蝕監測系統,可以提供水輪機轉輪受汽蝕程度的在線監測。該系統使用DSP(數字、信號處理)技術來監測汽蝕噪聲,并實時顯示汽蝕的開始和相應的汽蝕強度,不斷測量并累計汽蝕的損害程度。根據測量結果,可以對機組運行工況進行優化,如果將CMS數據和轉輪實際維護的歷史數據相互對照,則該系統可對檢修周期提供技術參考依據。本文闡述了汽蝕現象和成因,分析了在線汽蝕檢測的原理,并結合CMS汽蝕監測系統在白山電廠的應用對汽蝕的檢查和評定做了進一步的討論。

二、汽蝕現象

水輪機的工作介質是液體。水流流速在水輪機中各點大小不同,進而引起壓力高低不同,當某點的壓力達到(或低于)該溫度下水的汽化壓力時,水就開始局部汽化產生大量汽泡,同時水體中存在的許多眼看不見的氣核體積驟然增大也形成可見氣泡,這些氣泡隨著水流進入高壓區(壓力高于汽化壓力)時,氣泡瞬時破滅,由于汽泡中心壓力較低,氣泡周圍的水質點將以很高的速度向汽泡中心撞擊形成巨大的壓力(可達幾百甚至上千個大氣壓力),并以很高的頻率沖擊金屬表面,高頻率沖擊的結果,使水輪機過流部件的金屬表面產生破壞,這一系列的現象就稱為汽蝕現象,簡稱汽蝕。在發生汽蝕過程,水輪機部件被高壓水反復沖擊而產生大量的熱量,在不受沖擊的部位溫度較低,這樣部件表面存在局部溫差,在晶粒中形成熱電偶,冷熱端間存在著電位差,在材料中有電流產生,引起熱電效應,對金屬表面產生電解作用,形成電化學腐蝕。金屬表面因電解作用而發暗變毛糙,加速了機械作用的破壞。當汽泡在高壓區受壓縮時體積縮小而溫度升高,再加上水錘對金屬表面的沖擊使得金屬材料的表面局部出現高溫,這是發生電化學反應的主要原因。據實驗測定,在汽泡凝結時局部溫升可達幾百攝氏度,這種高溫高壓促進了汽泡對金屬材料表面局部加熱到熔點或使其局部強度降低而產生破壞。

三、汽蝕分類

根據汽蝕發生的條件,水輪機中的汽蝕一般可分為下列幾類:

1、翼型(葉型)汽蝕

這是反擊式水輪機普遍具有的汽蝕現象。水流流經葉片時,在葉片表面形成壓力差,使轉輪旋轉作功。通常葉片的正面是正壓力,而背面是負壓力,這種負壓是轉輪作功所必須的,但它又造成了產生汽蝕的條件。從理論上講,這個汽蝕條件可從水輪機安裝高度上加以解決,所以葉型汽蝕的產生的主要原因是由于轉輪葉片制造中不符合模型要求而引起的。在運行中由于運行工況不良也會引起葉型汽蝕。

2、間隙汽蝕

在導葉下端面間隙處,導葉關閉時導葉與導葉立面間隙處,以及轉輪止漏裝置間隙處,當水流通過這些較小的間隙時,流速產生局部增高和壓力降低因而產生汽蝕,這種現象稱為間隙汽蝕。當機組在低負荷運行時,導葉開度較小,局部流速增高,壓力降低,很容易產生間隙汽蝕。

3、空腔汽蝕

所謂空腔汽蝕,就是在非最優工況時,水流在尾水管中發生旋轉形成一種對稱真空渦帶,引起尾水管中水流速度和壓力脈動,在尾水管進口處產生汽蝕破壞,造成尾水管振動。空腔汽蝕通常發生在尾水管壁。

4、局部氣蝕

水輪機過流部件局部凸凹不平時,引起局部壓力降低形成局部氣蝕。局部氣蝕主要發生在轉輪室聯接處、葉片固定螺釘及密封螺釘處。混流式水輪機則是轉輪上冠泄水孔后面。

以上汽蝕最普遍、危害最大的是翼型(葉型)汽蝕,他造成電站機組的經常檢修,空腔汽蝕危害也很大,但不象葉型汽蝕那樣普遍。所以,在實際的應用中,翼型(葉型)汽蝕監測是關鍵。

水輪機產生汽蝕時,破壞轉輪,使水輪機效率降低和出力不穩。因此在水輪機運行時應盡量設法消除汽蝕。