浅析水轮机组液压设备中气穴的产生及危害

摘 要：文章从液压系统中的气穴现象入手，阐述了其产生的原因及产生过程，介绍了气穴现象所造成的危害，分析了其对水轮机组液压设备所造成的实际影响，并提出相应防治措施。

关键词：气穴现象；水轮机组液压设备；危害

中图分类号：TV734.2 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）31-0066-02

1 概述

在液压系统中，由气穴现象所产生的大量气泡会使液压系统油介质的一体性遭到破坏，直接导致设备反应迟钝、爬行。同时气穴也会间接导致气蚀现象在液压缸内发生，使得设备出现震动、漏油、及噪音等二次危害。现阶段国内外对于气穴现象的研究大都是以相关流体动力学为理论基础，数值仿真模拟（Matlab/Simulink仿真分析、FLUENT仿真模拟）与理论分析相结合为主要方法进行。研究者们对于气穴现象的产生过程都有着详细的研究，对于气穴现象对液压设备的危害，也提出了如增设补气装置，提高液压油质量等一系列的有效防治措施。水轮机组液压设备作为水轮机工作的重要工作系统，因为气穴现象的存在，会对其工作稳定性造成危害，从而影响水轮机的正常工作。本文以气穴现象为出发点，想为大家介绍气穴现象的产生机理、危害，并且通过查询相关资料，列举出气穴现象对水轮机组液压设备造成的实际危害，为今后水轮机组的运行与维护提供参考。

2 气穴产生的原因

气穴简单来说就是指有空气混入液压设备之中，然后与油介质形成汽液混合物，下面就是对气穴形成的两个原因的简单介绍。

2.1 外部空气进入

通常我们所接触到的液压设备都是在大气压环境下工作，尤其是在维修以及更换液压元器件的过程中，空气会不可避免地掺入，有的设计不合理或者密封性差的設备也会导致空气进入。这时空气的混入对液压中的油液性质产生了影响，即不再是不可压缩性液体，这违背了液压设备对油液介质的基本要求[1]。空气以气泡状态掺混于油液中的现象，称为气泡油，这些气泡油也是气穴现象产生的部分原因。

2.2 油介质内有溶解空气

在油介质的运输和装填过程中，周围的空气难免会溶解入油介质，溶解空气量的多与少取决于油液的性质和油液与气体的接触及搅动的实际情况，此外在压力升高的情况下，部分混入液压设备的气体会溶于油液中，空气在油液中的溶解度与油液的压力成正比，即压力越高，溶解于油液的空气体积量越大。

3 气穴产生过程

由于上述两种原因，液压系统的油介质内不可避免的存在有溶解空气，这些溶解空气随油液介质在液压系统内流动时，一旦流通所经的有效面积发生变化，就会使得静压力降低，当静压力降至低于油液空气分离压时，溶解的空气便从油液中析出，形成大量气泡，流体力学中称为气穴[1]。大量气泡的混入，会使油液的体积弹性模量急剧降低，粘度增大，严重影响传动系统的正常工作。当气泡随着油液流入高压区时，便突然收缩，形成局部真空。此时四周的液体质点以极大的速度冲向真空区域，在高压下气泡破裂而产生局部液压冲击，将质点的动能突然转换为压力能，这时局部高压区的温度可高达1000℃。而在管壁或元件的表面上，因长期承受液压冲击和高温作用而逐渐腐蚀，表面剥落形成蜂窝状小坑，这种现象称为气蚀[2]。气蚀现象会对设备造成如油污染、卡阻等二次伤害。

4 气穴的危害

4.1 气穴对液压设备造成的影响

（1）导致液压系统反应迟滞。由于油介质中混有了空气泡形成气泡油，流动的油液就会变成了气-液两相流[1]，这会导致液压设备内的油介质体积弹性模量剧减、刚性降低，从而导致系统反应迟滞及爬行现象。（2）会使产生噪声和剧烈振动。在气穴产生后，气泡随油液运动至高压区，在高压区内由于气压差，会导致含有高能量的气泡被瞬时挤破产生噪声，同时管路及管接头由于受到冲击会产生振动。（3）漏油现象，由气蚀导致。当气泡随油介质行至高压区时，气泡在压力波作用下，体积急剧变小，当这些小气泡发生破灭时会释放巨大能量，它所产生的局部高温和高压，会导致油缸活塞处密封圈碎裂而造成油缸内油液泄露。（4）劣化油液介质性能。非固体颗粒污染物的产生，主要来源于油液氧化分解产生的沉淀物，这是由于水和空气对油液的污染及油温变化引起的[3]。被压缩的气泡在发生破灭时，会产生极大的热量，致使油液介质碳化，使得碳游离出来，在液压缸中形成微小颗粒，而使油液介质粘度变大，污染度等级变高，导致液压系统故障增多。

4.2 对水轮机组液压设备造成的实际危害

（1）爬行、反应迟阻。由于气穴现象而导致的油介质弹性模量剧减，会严重影响水轮机的调速系统，使得传动系统刚度减小，导致飞摆或电液转换器、引导阀、主配压阀等位移迟缓或卡阻，接力器不动时间过长，增减负荷迟缓，开机不成功，调节时间长等现象的发生。致使转速调节任务无法完成，严重的还会造成甩负荷，机组过速和飞逸等事故，严重危及机组安全运行。（2）噪音、震动。携带有溶解空气的油介质在液压系统内流动时，一旦流通所经的有效面积发生变化，就会使得静压力降低，当静压力降至低于油液空气分离压时，溶解的空气便从油液中析出，形成大量气泡，这些气泡在经过高压区时会导致剧烈的震动及噪音。其结果会造成机组无法开机并网，仪表管路破裂，工作部件松动磨损，导致漏油，楼基共振，直接危及安全。[4]（3）卡阻、漏油。由于气穴现象会同时导致气蚀的发生，含有高能量的气泡破裂所产生的巨大热量会同时导致油介质和液压缸的表面金属发生化学变质，使得油系统内有异物产生堵塞输油管或活塞，最终导致传动系统出现卡阻，堵塞现象。另外，由于液压传动系统的密封元件受到高温高压的影响，会导致原件的老化、破坏、传动系统出现漏油的现象，使得传动效果大打折扣，严重时会导致油泵起动频繁，耗费电能，并引起空气渗人，造成漂移、爬行、摆动和震动，影响调节稳定性及安全运行。

5 防治措施

空穴现象作为液压系统内不可避免的现象，它对水轮机组液压系统有着一定程度的危害，严重的甚至会导致水电站安全事故发生。为了避免或者减小气穴的发生，本文列出了以下几点预防措施，以供维护人员供参考。

5.1 提前检查

在设备运行前，我们需对其引导阀、主配压阀所对应的的控制部件进行检查，看控制部件的密封原元件是否受损，是否存在漏油现象，是否有卡阻或爬行现象发生。其次，需观测油管或元件内是否有油气泡产生，若有空气进入其内部，则需进行处理并排除空气。对于严重老化或者已经破坏变形的元件，应该及时更换或者维修。

工作人员还应该对主要部位的灵活性进行测试，加强对老化元件的筛查，如果元件生锈应该及时进行拆卸清理，若条件允许，则可加装百分表来对设备进行分段检查、重新拆卸、调整、装配。

5.2 保证油液质量

保证液压油的质量，是防止产生气穴及气蚀的一个重要因素，若油液的抗泡沫性差，就会容易气化而形成泡沫，从而导致气穴气蚀的发生。油介质在设计、制造、装配、安装、使用、维护的过程中都有可能受到污染，從而影响其质量，以下则是几点防止污染的措施。在设计阶段，我们应避免选用易于产生颗粒杂质而污染系统油液的装置结构。尽量选择油路块和集成油路块，这样可以减少在装置装配和维护时管接头产生磨屑的情况发生，此外油箱的呼吸设计位置应该尽量高一些，并且尽量隐蔽，从而防止雨沙灰尘侵入油介质中。其次，增设滤油器也是控制油污染的主要方法之一，一是在进油处增设吸油滤油器，防止污染源从吸油口进入。二是在某些容易产生碎屑的液压元件回油处增设滤油器。三是在关键性的液压件的进油口处设置辅助滤油器，进而加强过滤效果。四是在污染物侵入量大的液压系统中，增设旁路过滤器，以改善系统的清洁度，延长滤油器的使用寿命。最后，对于现场配制的液压管道，必须进行酸性除锈，管道和油箱要按照脱脂、酸洗、中和、钝化、干燥、涂油、封闭等工艺流程进行处理。酸洗前应将经过脱脂处理后的管子用净化压力水冲去管内外壁的碱性溶液，洗去油污。所有密封面、丝扣等必须涂油覆盖后才能进行清洗，来防止液压管对油介质的污染。

5.3 定期检查

随着机组运行时间的增长，一些本来不存在的问题也会发生，一个问题的发生有可能会导致另一个问题，因此定期的检查是必不可少。首先应该对油液进行定期的化学检验，对有问题的油液应该进行进行及时更换，防止污染油液影响传动系统的正常运行。其次，应该对液压设备的温度进行检查，温度过高会加剧气穴、变质等现象的出现，对于温度过高的部位进行及时的降温，以防影响的扩大。最后，应定期对设备进行，过滤、排水、除脏，以便维护设备正常运行。

6 结束语

水轮机组的液压系统的正常运行对于水轮机的运行具有十分重要的作用。通过分析可知，气穴现象会对水轮机组正常运行造成诸多危害。未来随着我国水力资源开发的不断深化，水轮机组的使用将面临更多更复杂的情况，对于水轮机液压系统的性能和要求也将会更加严格。本文希望可以通过对空穴现象的产生机理和危害的介绍分析来引起大家对液压设备气穴现象的重视。

参考文献：

[1]王艳东，徐有芳.气泡油对液压系统的危害[J].山东冶金，2001（1）：29-30.

[2]吴星星，王旭东.液压系统的气蚀问题及预防措施[J].装备制造技术，2014（7）：139.

[3]王骏逸.液压系统油液污染的危害与控制[J].山西建筑，2002（09）：146.

[4]孙邦彦.水轮机调速器液压系统常见故障及处理[J].小水电，2003（4）：32.