九浴溪水电站水轮机空蚀原因分析

九浴溪水电站水轮机空蚀原因分析及对策摘要九浴溪电站是一个运行30余年的老电站，其2、3、4号机组为zd510—lh—180的老型号轴流定桨式水轮机组。自1981年运行以来，水轮机转轮叶片遭受较严重的浸蚀破坏，主要是由于间隙空蚀引起。主要原因有转轮空化性能差、材质抗空蚀稳定性差、轮缘间隙过大等。针对上述情况，电站在2004年用新型高效的zdjp502—lh—180转轮替代原zd510—lh—180水轮机转轮，或更换不锈钢转轮，以及严格控制轮缘间隙和合理拟定运行工况，很好地解决了水轮机空蚀的问题，并提高了机组出力。关键词轴流定桨式水轮机间隙空蚀对策九浴溪水电站位于通江县大通江河上，安装有4台轴流定桨式水轮机组。3、4号两台机组水轮机型号为zd510—lh—180，设计水头15.0m,设计流量18.4m3/s，单机出力2200kw，于1981年5月建成投入运行。2号机组的机型与3、4号机相同，于1993年5月建成投入运行。1号机组于2007年5月建成投入运行，水轮机型号为zdjp502—lh—180，设计水头15.8m，设计流量21.36m3/s，单机出力为2980kw。四台水轮机的吸出高度均为-7.5米。2、3、4号机组自投入运行以来，水轮机转轮空蚀破坏比较严重，造成机组大修周期缩短，检修难度及工作量增大，对水轮机组的经济稳定运行构成威胁。1空蚀状况电站1985年4月对3、4号两台机组进行检修时，发现两台机组水轮机转轮叶片背面的进口边靠外缘处及外缘端面浸蚀破坏严重，大面积地出现麻面和蜂窝状浸蚀损伤，造成一宽约100mm、长约250mm的带状浸蚀破坏区域，叶片进口边外缘处破坏最显著。蜂窝状深度达3～8mm，有的地方在8mm以上，叶片外缘端面出水边呈锯齿状破坏。不同叶片的浸蚀破坏程度有所不同，但浸蚀区域相似。当时采用不锈钢焊条进行了补焊处理。经过补焊处理的3、4号两台水轮机运行2年后检查发现，叶片背面补焊的不锈钢焊条有部分脱落，并同样又被浸蚀破坏成孔洞，补焊区域边界浸蚀严重，面积逐年有所扩大，最严重时达300mm??50mm，浸蚀深度也有增大的趋势。由于叶片外缘受到浸蚀破坏，造成水轮机叶片与转轮室间隙加大，漏水量增加，导致水轮机效率和出力下降；由于水力不平衡及转轮质量不平衡等原因，还造成机组振动过大，运行噪声大。鉴于两台水轮机浸蚀破坏严重的情况，每2～3年就必须对上述两台水轮机进行大修。1993年5月投入运行的2号机组水轮机的浸蚀破坏情况与3、4号水轮机大致相同。2空蚀原因分析许多电站水轮机遭受空蚀破坏的情况表明，水轮机运行中往往受到空蚀与泥沙磨损的联合共同作用。水中存在磨粒(主要是泥沙)时，除了磨粒本身对固体表面的磨削外,它还促进空蚀。而九浴溪电站所在的大通江河水质较好，含沙量较少（汛期平均含沙量7.36kg/m3，最大含沙量155kg/m3）因此，可以说水中杂质对过流部件的磨损很轻微。从水轮机转轮遭受破坏的浸蚀区情况来看，金属表面呈海绵状的针孔，表面有呈灰暗无光泽的大小蜂窝及透孔，金属疏松脱落，而没有明显的与水流方向一致的刮痕——小磨沟及鱼鳞坑，这说明九浴溪电站水轮机转轮的浸蚀破坏主要是空蚀引起的，泥沙磨损也存在，但很轻微。从理论上讲，空蚀现象属于流体力学中的一个问题，水轮机空蚀的内在原因是流动液体中的空化现象——在环境温度基本不变的状态下，由于动压下降所引起的汽化状态称为“空化”，空化是液体中减压的结果，空蚀则是空化的直接后果，造成材料的损害，空蚀总是伴随高流速和低压力发生。空蚀破坏机理主要有3个方面：机械作用、氧化腐蚀和电化腐蚀作用。实验表明，在液体流动时，由于空化作用，气泡溃裂产生的极度应力对过流部件表面材料破坏的性质主要属于机械性能的作用，即气泡溃裂的瞬间，径向内流产生极高的射流速度,形成对固体边界的高速冲击，在这种交变应力作用下，材料逐渐由韧性状态转变到脆性状态的疲劳破坏。在空蚀破坏的诸因素中，机械破坏比非机械破坏发生要早得多，初期空蚀的主因是机械作用。水轮机转轮上的空蚀按发生空蚀原因和位置的不同分为翼型空蚀、间隙空蚀和局部空蚀三种。九浴溪电站的2号、3号、4号水轮机中，翼型空蚀、间隙空蚀和局部空蚀同时存在。考虑到三台水轮机的实际吸出高度均为-7.5米，其空蚀安全系数的取值远大于国内推荐值（正是由于水轮机吸出高度过小，安装高程过低，造成电站机组抬机严重，对水轮机运行十分不利，后采用导叶分段关闭装置解决），结合转轮空蚀破坏区域分布情况及其特征，所以认为引起水轮转轮空蚀破坏的主要原因不是翼型空蚀，而是间隙空蚀。轴流式水轮机转轮叶片外缘与转轮室之间存在着一定的间隙（一般情况下工厂取该间隙值为0.001），这种间隙造成了轴流式水轮机轮缘间隙泄漏流动。间隙泄漏流动首先是导致水流速度升高，压力降低，从而在轮缘间隙中产生空蚀。此外，从间隙泄出的高速水流，在叶片外缘的背面形成泄漏涡带，从而造成叶片外缘背面的空蚀破坏，严重时会造成一种带状的空蚀破坏区域。轴流式水轮机轮缘间隙流动极为复杂，叶片安装角、导叶开度、间隙形状和大小，都会对泄漏流动、泄漏涡带的大小和强度，以及涡带发生的位置产生影响，也就影响到空蚀形态。有的文献指出，在叶片安装角不为00（如=+5?埃┫拢犊?=0?笆保晃?0时好。轮缘间隙越小，越能推迟初生空蚀，而扩大轮缘间隙，就会加剧间隙泄漏流动，增加泄漏涡带的大小和强度，扩大低压区域，增大间隙空蚀区域。漩涡涡带不仅造成空蚀破坏，还要恶化叶片流道内的流态，导致效率下降。造成九浴溪电站的2、3、4号机组的水轮机较严重的间隙空蚀损坏的原因有以下几个方面：（1）水轮机空化性能差。zd510转轮机型是上世纪50年代末从前苏联引入，该型号转轮缺陷较多，空化性能差，由于轮叶外圆过小，叶片容易受到较严重的空蚀破坏。（2）轮缘间隙过大。三台水轮机轮缘间隙均达2mm～3mm，最宽的地方达3.5mm，为一般取值的2倍左右。（3）叶片安装角不为00，造成轮缘间隙沿叶片旋转枢轴向两侧增大，这样会增大间隙空蚀区域。（4）zd510转轮轮叶扭角过小，翼型流速分布不好；叶片头部形状不好，进水边较薄，头部圆弧较小，对工况点的适应性较差。当来流角度变化时，必产生一定的冲角，导致叶片进口边背面脱流产生空蚀。（5）空蚀补焊时，保持叶片型线不好，导致局部压力降低和产生局部空蚀。（6）zd510转轮材质为zg25碳钢，这种材料的抗空蚀稳定性低，也是叶片遭到较严重空蚀破坏的原因之一。3应该采取的对策3.1采用性能优良的新型水轮机转轮对于上世纪70～80年代及以前建设投入运行的小水电站，由于受当时条件所限，其水轮机都是zd510、zd661、zd560等的老型号转轮，其性能差，材料抗空蚀稳定性低，制造质量差，不仅空蚀振动严重，而且效率低，已不适应现代电站运行要求。最好的办法是结合水电站的技术改造，更换一个符合电站实际情况而且性能优良的新型轴流定桨式水轮机，新型转轮无论在空化性能、过流能力，还是效率等方面都显著优于老式转轮。九浴溪电站的3、4号机组水轮机在2004年用新型高效的zdjp502—lh—180转轮替代原zd510—lh—180水轮机转轮，2007年5月安装的1号机组也采用的是zdjp502—lh—180水轮机。上述三台水轮机运行至今，经检查无明显空蚀破坏痕迹，机组运行稳定性提高，噪音下降，同时出力由原来的2200kw增加到2980kw，即出力增加13.5%左右，取得了明显的经济效益。3.2采用抗空蚀性能好的不锈钢转轮不锈钢的抗空蚀稳定性要明显优于普通碳钢和低合金钢，因此，对于采用普通碳钢或低合金钢制造的遭到严重空蚀破坏的转轮，可以将转轮换成同型号的不锈钢新转轮，同样可以提高转轮抗空蚀破坏的能力。九浴溪电站的2号机组水轮机在2004年更换了同型号的不锈钢转轮，2008年大修检查转轮无明显空蚀破坏痕迹。3.3严格控制转轮叶片与转轮室之间的间隙前已述及，叶片与转轮室之间间隙的形状和大小对间隙空蚀引起的破坏有着明显的影响，所以必须严格控制转轮叶片与转轮室之间的间隙的大小。九浴溪电站改造后水轮机轮缘间隙都控制在2mm以下。3.4在叶片背面外缘加设裙边尽管现在一些水电站对加设裙边的效果持怀疑态度，但许多轴流式水轮机运行情况表明，在叶片背面外缘加设裙边，对减缓间隙磨蚀还是有一定作用的。3.5及时检修，提高修复工艺水平对存在空蚀破坏的水轮机必须做到及时检修，以避免水轮机遭到严重的空蚀破坏，这样既能缩短检修时间，又能延长转轮的使用寿命和运行质量。在对空蚀破坏区域进行补焊处理时，一是要采用正确合理的补焊工艺方法，如充分清理空蚀区，使空蚀部位显露完好的金属本体，且最浅深度不小于4mm,对待补焊表面局部要预热80℃，采用手工电弧焊进行补焊，补焊过程中要避免咬边、气孔、夹渣、变形与应力集中。二是要采用优良抗蚀材料的焊条，如18—8不锈钢、铝青铜系列的焊条或ocr13ni46more新型抗磨蚀不锈钢焊条。后者已在葛洲坝、刘家峡等许多大中型水电站得到广泛应用。这是延缓空蚀破坏的有效方法。转轮叶片修复补焊后应严格打磨光滑平整，并达到高的光洁度和符合叶片型线要求，这能显著提高叶片抗空蚀的能力，这虽早已在理论与实践中得到验证，但在检修中往往被忽视。3.6采用抗空蚀材料作表面防护鉴于空蚀主要是力学性质的破坏,采用各种合成树脂、合成橡胶、工程塑料等高分子化合物作涂料保护金属表面，可减缓空蚀破坏。4结语小型老水电站轴流定桨式水轮机在运行中普遍存在较严重的空蚀现象，其危害性大，导致机组效率下降、振动加剧、噪音加大、水轮机使用寿命缩短，严重时将危及安全运行。因此，必须根据电站的实际情况，采取科学合理的对策加以解决。九浴溪电站的3、4号机组的水轮机通过更换新型高效的jp502转轮，2号机组的水轮机通过更换同型号的不锈钢转轮，以及严格控制叶片与转轮室间隙和合理拟定运行工况等措施，很好地解决了水轮机空蚀的问题，延长了机组大修周期，并提高了机组出力，给电站带来了很大的经济效益。参考文献[1]常近时,寿梅华,于希哲.水轮机运行[m].水利电力出版社,1983.[2]廖伟丽,刘胜柱,张乐福.轴流转桨式水轮机轮缘间隙空蚀的试验研究[j].水力发电学报,2005.8.[3]华东水利学院.水轮机（下册）[m].电力工业出版社,1980.