第二章 水电站机组设备的运行与维护
第一节 水轮机的型式与特性
水力发电是利用水流的能量来发电，也就是将水能转换为机械能。这种转换机械称之为水轮机。水轮机是水力发电必不可少的原动机，它和发电机构成水轮发电机组，通常称为机组，是水电站的主要设备。
根据水流能量转换特征不同，把水轮机分为反击式和冲击式两类。利用水流的势能（位能和压能）和动能的水轮机称为反击式水轮机。其转轮由若干个具有空间扭曲面的叶片组成。当压力水通过转轮时，扭曲叶片迫使水流压力、流速的大小和方向发生改变，因而水流便以其压能和动能给转轮以反作用力，并形成旋转力矩使转轮转动。它按水流进入和流出转轮的方向不同，又分为混流式、轴流式、斜流式和贯流式水轮机。只利用水流动能的水轮机称为冲击式水轮机。它是在大气压力下进行工作的。水流能量全部以动能形态转换为转轮的机械能。根据转轮的进水特征，冲击式水轮机又分为水斗式、斜击式和双击式等。冲击式水轮机适用于较高水头，不受气蚀的影响和限制，运行稳定；特点是水流量不大，经高速水流喷射转轮使之旋转，水头较高，可达80～800m。反击式水轮机在我国应用较为普遍。混流式水头5～700m，大、中、小型电站都可用。轴流式水头2～80m，用于低水头、大流量的水电站。贯流式水轮机的水头最低，0.5～16m即可。
一、水轮机的基本工作参数
当水流流过水轮机时，水流的能量被转换为水轮机的机械能。现用一些参数来表征能量的转换过程，水轮机的基本工作参数主要有：工作水头H、流量Q、出力N、效率η、转速n以及标称直径D等。
（一）工作水头
工作水头是水轮机进口断面与出口断面的单位能量差。它的大小表征水轮机利用水流单位能量的多少，影响水电站的开发方式、机组类型和经济效益。它有几个特征水头值。
（1）水轮机设计水头Hr，是水轮机按额定转速运转发出额定出力所必需的最小水头。
（2）水轮机的最大水头Hmax，是水轮机运行中允许的最大工作水头。
（3）运行中的水轮机，其工作水头应在最大水头和最小水头之间。
（二）水轮机流量Q
单位时间内通过水轮机的水流体积称为流量，代表符号Q，单位m/s。正常运行中，流量大小决定水轮机导叶的开度。
（三）出力N和效率η
单位时间内水轮机主轴所输出的功率称为水轮机出力。出力也叫功率，代表符号N，单位kW。
具有一定水头和流量的水通过水轮机时，水流的功率为
水轮机不可能将水流的功率Ns全部转换和输出，因为水轮机在能量转换中，会产生一些损耗，因此水轮机的功率必然小于水流的功率。
把水轮机出力与水流功率之比，称为水轮机效率，用η表示，即
因此，水轮机出力可写成
效率为小于1的系数，表示水轮机对水流能量的有效利用程度。
（四）转速
水轮机的转速是指水轮机转轮在单位时间内旋转的次数，用n表示，单位为r/min。
就水轮机而言，其转速的任意性较大，但只有在某一特定的转速时，它的效率才最高。当水轮机主轴和发电机主轴采用直接连接时，应满足下列关系式
式中 f——电流频率，我国规定为50Hz；
p——发电机的磁极对数。
当水轮机突然丢弃全部负荷或其他原因使水轮机导水机构不能关闭，水流流入水轮机的全部能量除了小部分消耗于机械损失外，大部分驱动机组的转动系统加速，使得转速急剧升高，直至达到某一最大值，这种状态称作机组进入飞逸状态，这个转速也称飞逸转速，也用n表示，单位r/min。机组飞逸是极有害的。
（五）标称直径D
表征转轮的主要几何尺寸，称为转轮的标称直径（或名义直径），用D表示，以cm为单位。
混流式水轮机D是指轮叶片进水边的最大直径。
轴流式和斜流式水轮机D指叶片旋转中心线与转轮室表面相交处的室内径。水斗式水轮机D指转轮和射流中心相切处的圆直径。
我国对于D小于1m的混流式水轮机及D小于1.4m的轴流式水轮机称为中、小型水轮机。
二、水轮机的气蚀
（一）气蚀现象
我们先从高原煮饭谈起。在高原人们通常用高压锅，这是因为高原的气压低，水的沸点也相应降低，使用一般的锅煮饭，即使水烧开了，但温度低，饭还是没熟。所以通常讲水的沸点为100℃隐含了常温常压这个条件，随着压力的降低，水的沸点也不断降低，当压力降到一定程度，即使在常温下，水也会发生“沸腾”，由液态转为气态。
类似的道理，水流在局部区域因流速增大而导致压力下降，如果压力降到低于此时温度下的汽化压力，水就由液态变成气态，形成水流的“沸腾”，这一现象称为汽化。
比如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，致使压力下降。一方面水中本身就含有气蚀核（小气泡、空气等）可分离出来形成空气泡，另一方面压力下降，水发生汽化，产生出蒸汽泡，这样就形成了蒸汽泡和空气泡的混合物，一般称为气穴。这些气穴的形成、发展、溃裂以及对流过表面所产生的破坏过程叫气蚀。
（二）气蚀的危害
1.机械破坏作用
气泡溃灭后周围流体挤入金属晶格，冲击过去之后流体又力图从这些金属晶格中流出，这两种情况都导致晶粒脱落，另外金属超过屈服点后产生塑性变形而直至破坏。形式是表面发生剥蚀。
2.化学破坏作用
在气泡破裂时，局部高温可超过数百度，引起金属材料的局部氧化。
3.电化破坏作用
气泡在高温高压下产生放电现象，即产生电化作用，金属表面的局部温差也形成热电偶，从而对金属表面产生电解作用。
化学破坏作用和电化作用加速机械破坏过程。
气蚀对金属材料的破坏，先是使金属表面失去光泽而变暗，接着变毛糙发展为麻点，进而成蜂窝状，严重时可使叶片穿孔、开裂和成块脱落。
气蚀造成的破坏和影响是十分有害的，气蚀直接破坏水轮机的过流部件，特别是转轮叶片，严重时可使叶片穿孔、缺口，甚至脱落；水轮机在气蚀情况下运行，出力和效率都显著降低，并且要引起噪音、机组的强烈振动和运行不稳定；气蚀缩短检修周期、延长检修工期，气蚀检修要消耗大量的贵重金属材料和人力物力。因此要采取措施，防止和减缓水轮机的气蚀程度。
（三）气蚀的种类
根据气蚀发生的部位，水轮机气蚀可分为四类。
1.翼型气蚀
翼型气蚀一般是指发生在转轮叶片上的气蚀，它在反击式水轮机中普遍存在。
反击式水轮机转轮叶片迫使水流的动量矩发生改变，它意味着叶片的正面和背面必然存在压差，叶片的正面（工作面）为正压，而背面（反面）为负压。当负压区的压力低于汽化压力，就可能产生气蚀。因此，背面的低压是造成气蚀的条件。
混流式水轮机发生气蚀的部位如图2-1所示。
轴流式水轮机发生气蚀的部位如图2-2所示。
2.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。涡带的中心形成很大的真空。真空度很大的涡带周期性地扫射尾管尾壁，造成尾水管管壁的气蚀。这种气蚀形式，称为空腔气蚀。空腔气蚀不但使尾水管管壁遭到破坏，而且由于涡带产生压力脉冲，形成强烈的噪音和剧烈的振动，严重时使机组不能稳定运行。
图2-1 混流式转轮翼型气蚀主要部位
3.间隙气蚀
水轮机各过流部件的间隙处产生的气蚀，称为间隙气蚀。
间隙气蚀是水流通过狭窄的间隙和较小的通道时，因局部流速过高，致使压力降低所产生的。它通常发生在导叶间隙处和止漏环间隙处，以及轴流式水轮机叶片面和转轮室间隙处；在水斗式水轮机中，喷嘴和针阀间隙处也有间隙气蚀。
4.其他局部脱流所引起的气蚀
如凸肩、轴颈、锁孔及补气架局部脱流气蚀；混流式压孔局部脱流气蚀。
（四）水轮机的气蚀防护
图2-2 轴流式转轮翼型气蚀主要部位
1.设计方面可采用改善水轮机转轮的水力设计和优化造型设计
转轮叶片翼型对气蚀性能有显著影响，因此应注意翼型设计。翼型断面应呈光滑流线型，使水流平顺流畅，在保证强度的前提下，出水边应尽量薄，整个流道的几何尺寸比例应配合适当。但从能量观点出发，又要求水轮机过流能力尽可能大，从而使叶片背面流速分布变化大而且最低压力点的压力小。可见能量特性与气蚀特性两者难以统一，设计叶片必须统筹考虑。
水轮机翼型气蚀与吸出高度Hs有密切关系，因此要选择正确的Hs值。为了减轻气蚀破坏，应选择适合电站自然条件且气蚀性能好的水轮机，提高运行稳定性。目前的设计方向，是加长锥管和加大扩散角以及加长转轮的泄水锥。
设计中，水轮机的比转速ns、气蚀系数σ、吸出高度Hs均是密切相关的，不可过于强调某一方面，要优化配合，对于混流式机组Hs以负值为好。
2.制造方面可采用提高制造工艺水平和采用抗气蚀材料
制造厂家应采用先进的加工工具和机具，严格控制加工精度，提高检测水平，以保证转轮叶片铸造与加工后的翼型与叶片木模图一致，还需保证翼形表面的质量和内部质量，表面的粗糙度、波浪度、出水边厚薄不均、铸件存在砂眼、夹渣和气孔，都将加剧气蚀破坏。
采用优良的抗气蚀材料是另一措施，抗气蚀材料应具有韧性高、硬度高、抗拉力强、疲劳极限高、晶粒细密、可焊性好等综合性能。现在采用以镍铬为基础的各类高强度不锈钢整铸或铸焊转轮，或者以普通碳钢或低合金钢为母材，堆焊或喷焊镍铬不锈钢作保护层。
3.运行方面可采用改善运行条件和进行气蚀补气
运行条件的改善主要是改善水轮机的负荷，有时可把机组限定于某一出力运行，不让单机在低负荷或超负荷下长期运行。有条件的可改变开机方式、进行机组成组调节。
补气对破坏空腔气蚀、减轻振动有一定的作用。将空气送进气蚀区，可使负压区的气泡内部压力上升，从而减少真空度；也能使水的密度变小，可压性增加，使气泡溃灭时产生的冲击力降低。
补气方式一般有两种：①主轴中心孔自然补气；②尾水管补气。
4.检修方面可以加强气蚀检修
对遭受气蚀破坏的区域采用金属堆焊修整，气蚀是不可避免的。如果在气蚀的初期进行修补，工作量小，而且不会在修补过程中局部过热而使转轮变形；如果在气蚀严重时，出力、效率已大大下降，工作不稳，检修费时费力，还消耗较多的贵重金属。所以应定期检查气蚀情况，修补时采用较好的抗蚀材料，如不锈钢。同时注意补焊质量，不得有气孔和夹渣，表面应磨光、砂平。近些年来，除用不锈钢修补外，还采用非金属材料。比如以球氧为基础材料，加入各种矿石粉或金属粉的刚性涂层。以氯丁、聚氨酯、液态橡胶及硫化聚乙烯为基础的弹性材料，以粉末塑料为基础的热塑性涂层，效果都比较理想。