九浴溪水電站水輪機空蝕原因分析及對策

摘 要 九浴溪電站是一個運行30余年的老電站，其2、3、4號機組為ZD510—LH—180的老型號軸流定槳式水輪機組。自1981年運行以來，水輪機轉輪葉片遭受較嚴重的浸蝕破壞，主要是由于間隙空蝕引起。主要原因有轉輪空化性能差、材質抗空蝕穩定性差、輪緣間隙過大等。針對上述情況，電站在2004年用新型高效的ZDJP502—LH—180轉輪替代原ZD510—LH—180水輪機轉輪，或更換不銹鋼轉輪，以及嚴格控制輪緣間隙和合理擬定運行工況，很好地解決了水輪機空蝕的問題，并提高了機組出力。

關鍵詞 軸流定槳式水輪機 間隙空蝕 對策

中圖分類號：TV734.1 文獻標識碼：A

九浴溪水電站位于通江縣大通江河上，安裝有4臺軸流定槳式水輪機組。3、4號兩臺機組水輪機型號為ZD510—LH—180，設計水頭15.0m，設計流量18.4m3/s，單機出力2200kw，于1981年5月建成投入運行。2號機組的機型與3、4號機相同，于1993年5月建成投入運行。1號機組于2007年5月建成投入運行，水輪機型號為ZDJP502—LH—180，設計水頭15.8m，設計流量21.36m3/s，單機出力為2980kw。四臺水輪機的吸出高度均為-7.5米。2、3、4號機組自投入運行以來，水輪機轉輪空蝕破壞比較嚴重，造成機組大修周期縮短，檢修難度及工作量增大，對水輪機組的經濟穩定運行構成威脅。

1 空蝕狀況

電站1985年4月對3、4號兩臺機組進行檢修時，發現兩臺機組水輪機轉輪葉片背面的進口邊靠外緣處及外緣端面浸蝕破壞嚴重，大面積地出現麻面和蜂窩狀浸蝕損傷，造成一寬約100mm、長約250mm的帶狀浸蝕破壞區域，葉片進口邊外緣處破壞最顯著。蜂窩狀深度達3～8mm，有的地方在8mm以上，葉片外緣端面出水邊呈鋸齒狀破壞。不同葉片的浸蝕破壞程度有所不同，但浸蝕區域相似。當時采用不銹鋼焊條進行了補焊處理。經過補焊處理的3、4號兩臺水輪機運行2年后檢查發現，葉片背面補焊的不銹鋼焊條有部分脫落，并同樣又被浸蝕破壞成孔洞，補焊區域邊界浸蝕嚴重，面積逐年有所擴大，最嚴重時達300mm€?50mm，浸蝕深度也有增大的趨勢。由于葉片外緣受到浸蝕破壞，造成水輪機葉片與轉輪室間隙加大，漏水量增加，導致水輪機效率和出力下降；由于水力不平衡及轉輪質量不平衡等原因，還造成機組振動過大，運行噪聲大。鑒于兩臺水輪機浸蝕破壞嚴重的情況，每2～3年就必須對上述兩臺水輪機進行大修。1993年5月投入運行的2號機組水輪機的浸蝕破壞情況與3、4號水輪機大致相同。

2 空蝕原因分析

許多電站水輪機遭受空蝕破壞的情況表明，水輪機運行中往往受到空蝕與泥沙磨損的聯合共同作用。水中存在磨粒(主要是泥沙)時，除了磨粒本身對固體表面的磨削外，它還促進空蝕。而九浴溪電站所在的大通江河水質較好，含沙量較少（汛期平均含沙量7.36 kg/m3，最大含沙量155 kg/m3）因此，可以說水中雜質對過流部件的磨損很輕微。從水輪機轉輪遭受破壞的浸蝕區情況來看，金屬表面呈海綿狀的針孔，表面有呈灰暗無光澤的大小蜂窩及透孔，金屬疏松脫落，而沒有明顯的與水流方向一致的刮痕——小磨溝及魚鱗坑，這說明九浴溪電站水輪機轉輪的浸蝕破壞主要是空蝕引起的，泥沙磨損也存在，但很輕微。

從理論上講，空蝕現象屬于流體力學中的一個問題，水輪機空蝕的內在原因是流動液體中的空化現象——在環境溫度基本不變的狀態下，由于動壓下降所引起的汽化狀態稱為“空化”，空化是液體中減壓的結果，空蝕則是空化的直接后果，造成材料的損害，空蝕總是伴隨高流速和低壓力發生。空蝕破壞機理主要有3個方面：機械作用、氧化腐蝕和電化腐蝕作用。實驗表明，在液體流動時，由于空化作用，氣泡潰裂產生的極度應力對過流部件表面材料破壞的性質主要屬于機械性能的作用，即氣泡潰裂的瞬間，徑向內流產生極高的射流速度，形成對固體邊界的高速沖擊，在這種交變應力作用下，材料逐漸由韌性狀態轉變到脆性狀態的疲勞破壞。在空蝕破壞的諸因素中，機械破壞比非機械破壞發生要早得多，初期空蝕的主因是機械作用。

水輪機轉輪上的空蝕按發生空蝕原因和位置的不同分為翼型空蝕、間隙空蝕和局部空蝕三種。九浴溪電站的2號、3號、4號水輪機中，翼型空蝕、間隙空蝕和局部空蝕同時存在。考慮到三臺水輪機的實際吸出高度均為-7.5米，其空蝕安全系數的取值遠大于國內推薦值（正是由于水輪機吸出高度過小，安裝高程過低，造成電站機組抬機嚴重，對水輪機運行十分不利，后采用導葉分段關閉裝置解決），結合轉輪空蝕破壞區域分布情況及其特征，所以認為引起水輪轉輪空蝕破壞的主要原因不是翼型空蝕，而是間隙空蝕。

軸流式水輪機轉輪葉片外緣與轉輪室之間存在著一定的間隙（一般情況下工廠取該間隙值為0.001），這種間隙造成了軸流式水輪機輪緣間隙泄漏流動。間隙泄漏流動首先是導致水流速度升高，壓力降低，從而在輪緣間隙中產生空蝕。此外，從間隙泄出的高速水流，在葉片外緣的背面形成泄漏渦帶，從而造成葉片外緣背面的空蝕破壞，嚴重時會造成一種帶狀的空蝕破壞區域。軸流式水輪機輪緣間隙流動極為復雜，葉片安裝角、導葉開度、間隙形狀和大小，都會對泄漏流動、泄漏渦帶的大小和強度，以及渦帶發生的位置產生影響，也就影響到空蝕形態。有的文獻指出，在葉片安裝角不為00（如 = +5€埃┫攏雜σ歡ǖ牡家犢齲湎讀鞫男孤┪寫右鍍詒趁嫻穆衷低凡浚恢狽⒄溝鉸衷檔奈膊浚灰鍍滄敖?= 0€笆保孤┪寫刖緞。災髁韉撓跋煨。棧閱鼙紉鍍滄敖遣晃?0時好。輪緣間隙越小，越能推遲初生空蝕，而擴大輪緣間隙，就會加劇間隙泄漏流動，增加泄漏渦帶的大小和強度，擴大低壓區域，增大間隙空蝕區域。漩渦渦帶不僅造成空蝕破壞，還要惡化葉片流道內的流態，導致效率下降。

造成九浴溪電站的2、3、4號機組的水輪機較嚴重的間隙空蝕損壞的原因有以下幾個方面：

（1）水輪機空化性能差。ZD510轉輪機型是上世紀50年代末從前蘇聯引入，該型號轉輪缺陷較多，空化性能差，由于輪葉外圓過小，葉片容易受到較嚴重的空蝕破壞。

（2）輪緣間隙過大。三臺水輪機輪緣間隙均達2mm～3mm，最寬的地方達3.5mm，為一般取值的2倍左右。

（3）葉片安裝角不為00，造成輪緣間隙沿葉片旋轉樞軸向兩側增大，這樣會增大間隙空蝕區域。

（4）ZD510轉輪輪葉扭角過小，翼型流速分布不好；葉片頭部形狀不好，進水邊較薄，頭部圓弧較小，對工況點的適應性較差。當來流角度變化時，必產生一定的沖角，導致葉片進口邊背面脫流產生空蝕。

（5）空蝕補焊時，保持葉片型線不好，導致局部壓力降低和產生局部空蝕。

（6）ZD510轉輪材質為ZG25碳鋼，這種材料的抗空蝕穩定性低，也是葉片遭到較嚴重空蝕破壞的原因之一。

3 應該采取的對策

3.1 采用性能優良的新型水輪機轉輪

對于上世紀70～80年代及以前建設投入運行的小水電站，由于受當時條件所限，其水輪機都是ZD510、ZD661、ZD560等的老型號轉輪，其性能差，材料抗空蝕穩定性低，制造質量差，不僅空蝕振動嚴重，而且效率低，已不適應現代電站運行要求。最好的辦法是結合水電站的技術改造，更換一個符合電站實際情況而且性能優良的新型軸流定槳式水輪機，新型轉輪無論在空化性能、過流能力，還是效率等方面都顯著優于老式轉輪。九浴溪電站的3、4號機組水輪機在2004年用新型高效的ZDJP502—LH—180轉輪替代原ZD510—LH—180水輪機轉輪，2007年5月安裝的1號機組也采用的是ZDJP502—LH—180水輪機。上述三臺水輪機運行至今，經檢查無明顯空蝕破壞痕跡，機組運行穩定性提高，噪音下降，同時出力由原來的2200kw增加到2980kw，即出力增加13.5%左右，取得了明顯的經濟效益。

3.2 采用抗空蝕性能好的不銹鋼轉輪

不銹鋼的抗空蝕穩定性要明顯優于普通碳鋼和低合金鋼，因此，對于采用普通碳鋼或低合金鋼制造的遭到嚴重空蝕破壞的轉輪，可以將轉輪換成同型號的不銹鋼新轉輪，同樣可以提高轉輪抗空蝕破壞的能力。九浴溪電站的2號機組水輪機在2004年更換了同型號的不銹鋼轉輪，2008年大修檢查轉輪無明顯空蝕破壞痕跡。

3.3 嚴格控制轉輪葉片與轉輪室之間的間隙

前已述及，葉片與轉輪室之間間隙的形狀和大小對間隙空蝕引起的破壞有著明顯的影響，所以必須嚴格控制轉輪葉片與轉輪室之間的間隙的大小。九浴溪電站改造后水輪機輪緣間隙都控制在2mm以下。

3.4 在葉片背面外緣加設裙邊

盡管現在一些水電站對加設裙邊的效果持懷疑態度，但許多軸流式水輪機運行情況表明，在葉片背面外緣加設裙邊，對減緩間隙磨蝕還是有一定作用的。

3.5 及時檢修，提高修復工藝水平

對存在空蝕破壞的水輪機必須做到及時檢修，以避免水輪機遭到嚴重的空蝕破壞，這樣既能縮短檢修時間，又能延長轉輪的使用壽命和運行質量。在對空蝕破壞區域進行補焊處理時，一是要采用正確合理的補焊工藝方法，如充分清理空蝕區，使空蝕部位顯露完好的金屬本體，且最淺深度不小于4mm，對待補焊表面局部要預熱80℃，采用手工電弧焊進行補焊，補焊過程中要避免咬邊、氣孔、夾渣、變形與應力集中。二是要采用優良抗蝕材料的焊條，如18—8不銹鋼、鋁青銅系列的焊條或OCr13Ni46MoRe新型抗磨蝕不銹鋼焊條。后者已在葛洲壩、劉家峽等許多大中型水電站得到廣泛應用。這是延緩空蝕破壞的有效方法。轉輪葉片修復補焊后應嚴格打磨光滑平整，并達到高的光潔度和符合葉片型線要求，這能顯著提高葉片抗空蝕的能力，這雖早已在理論與實踐中得到驗證，但在檢修中往往被忽視。

3.6 采用抗空蝕材料作表面防護

鑒于空蝕主要是力學性質的破壞，采用各種合成樹脂、合成橡膠、工程塑料等高分子化合物作涂料保護金屬表面，可減緩空蝕破壞。

4 結語

小型老水電站軸流定槳式水輪機在運行中普遍存在較嚴重的空蝕現象，其危害性大，導致機組效率下降、振動加劇、噪音加大、水輪機使用壽命縮短，嚴重時將危及安全運行。因此，必須根據電站的實際情況，采取科學合理的對策加以解決。九浴溪電站的3、4號機組的水輪機通過更換新型高效的JP502轉輪，2號機組的水輪機通過更換同型號的不銹鋼轉輪，以及嚴格控制葉片與轉輪室間隙和合理擬定運行工況等措施，很好地解決了水輪機空蝕的問題，延長了機組大修周期，并提高了機組出力，給電站帶來了很大的經濟效益。

參考文獻

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