基于Cordon法的水輪機抗空蝕研究

桂家章，梁 興

（南昌工程學院，南昌 330099）

前言

自19世紀后期第一例水力機械空蝕現象被發現以來，國內外學者投入了大量的時間和精力，從多相流體力學、材料力學到葉輪設計、加工工藝、材料應用，從理論分析到試驗研究，多學科交叉研究，雖然取得了一定成果，但仍然存在一定的問題。目前，水輪機空蝕的機理基本明確，即在水溫基本不變時，當流體內部壓力降低到某一臨界點后，流體將汽化進而形成空穴；當由于水輪機內部流場變化劇烈，空穴會在極短的時間內潰滅，形成高達數百MPa的壓力波沖擊到葉片上，導致水輪機振動加劇、效率降低，甚至會使葉片塑性變形、材料脫落，在葉片表面上留下點狀、孔狀、蜂窩狀痕跡[1-7]。

但是，水輪機空蝕誘因較復雜，不僅涉及水力因素（水質、流速等）、機械因素（水輪機設計、轉輪材料等），還與水輪機工作狀態、水電站布置情況以及工作環境等有密切關系，不同水電站水輪機的空蝕誘因往往不盡相同，相同電站不同機組的空蝕原因也可能不同，這無疑增加了空蝕預測及防范的困難。本文以南方某水電站為例，利用cordon法預測空蝕破壞量，并與電站實際做比較，進而分解cordon法，探討該電站空蝕誘因，因地制宜地制訂抗空蝕措施，獲得良好的抗空蝕效果，為水電站設計、修護及技術改造提供具有實用性的借鑒意見。

1 工程實例簡介

南方某水電站共兩臺機組，總裝機容量 10MW，水輪機型號為HL220-LJ-380，單機設計流量112.0m3/s，設計水頭51.0m，最大水頭55.2m。水電站運行后，在2005年大修中發現，1號機組葉片背面出現蜂窩狀凹坑，面積20cm×12cm，最深達8mm（如圖1所示），轉輪其他部位也有輕微空蝕痕跡，同時，在設計工況下運行時，機組效率比設計效率也有所降低。顯然，該電站水輪機有空蝕現象發生。

2 空蝕破壞預測公式

2.1 空蝕破壞預測

目前預測空蝕破壞的方法相對較少，而且幾乎都是經驗性的公式。本文采用cordon法。它是通過綜合比較北美748臺水輪機實測空化特性而獲得預測水輪機空蝕失重量的經驗公式。水輪機運行八千小時后葉片失重量W（kg），可按式（1）計算。

圖1 空蝕痕跡

式中：

K1——水輪機空化強度系數；

d——轉輪喉徑，m；

水輪機空化強度系數K1，可按式（2）計算：

其中：

式中：

n——空化強度系數K1的影響指數；

v——機組平均流速，m/s；

b——轉輪葉片數；

Cf——機組負荷利用系數；

Sa——水輪機的淹沒深度，m；

R1——水輪機材料系數；

B——當地大氣壓力，m。

依據公式（1）、（2）、（3），結合電站實際參數，可預估水輪機1年內失重為162.6kg，而2009年內水輪機實際失重為150kg，兩者誤差僅12.6kg（見表1）。因此，采用cordon法預估水輪機空蝕破壞不僅可行也可信。

2.2 水輪機空蝕誘因

由于cordon法較好地預測了該電站的空蝕破壞情況，因此可通過分解cordon法分析該電站的空蝕誘因。由cordon法可知，影響空化系數K1的主要因素是：平均流速、葉片數、負荷利用系數、淹沒深度、材料系數和當地大氣壓。排除水輪機設計因素（平均流速、葉片數等）和當地氣壓等不可變因素之外，該電站空蝕的影響因素如下：

表1 水輪機空蝕失重損失預測對比表

（1）轉輪材料。該電站轉輪采用ZG45碳鋼鑄造，ZG45碳鋼韌性和塑性較好，便于鑄造，但是材質較軟。在cordon法中，ZG45碳鋼的材料系數僅為2.8，比不銹鋼的材料系數 4.5或碳鋼表面加不銹鋼堆焊層的材料系數3.8小一些。顯然，ZG45碳鋼抗空蝕性能較差。這是水輪機空蝕嚴重的一個重要原因。

（2）下游淹沒深度。空蝕發生的必要條件就是水輪機過流流體壓力較低，引發空穴產生。水力機組運行時的實際吸出高度直接影響著過流流體壓力，而吸出高度又與下游尾水位的淹沒深度密切相關。研究表明[1]，吸出高度較大時，水輪機發生空蝕的幾率也將增大。本文所研究的電站允許吸出高度為0.75m，而在電站的運行中，實際吸出高度均值為 0.86m，最高達到1.02m。過高的吸出高度也是誘發該電站水輪機空蝕的原因之一。

（3）負荷利用系數。水輪機滿負荷運行時間與全年正常運行時間之比為負荷利用系數，它也能反應機組出力對空化空蝕的影響。研究表明[1，3]，長期運行的水輪機其空化特性最優的負荷范圍約為滿負荷的75%，過高或過低的負荷利用系數都將導致水輪機葉片空蝕幾率增大。

2.3 水輪機抗空蝕措施

針對上述空蝕誘發因素，可采用如下有針對性的抗空蝕措施：

（1）制訂合理的運行方案，減小吸出高度。根據電站當地水文水質條件，以季度為單位，基于上下游水位波動情況，在確保發電量的前提下，制訂合理的運行方案，力求降低實際吸出高度，減小 Cf，減小空蝕發生率。

（2）健全檢修制度，及時檢修。雖然此電站轉輪材質較軟，抗空蝕能力差，但基于經濟性考慮不宜直接更換轉輪。因此，健全檢修制度異常重要。在總結電站實際檢修經驗的基礎上，利用cordon法預估空蝕發展過程，合理制訂檢修計劃，及時檢修，定期補焊，不僅可以減少檢修時間，延長轉輪使用壽命，同時也提高了電站經濟效益，保證電站安全運行。

（3）轉輪補焊。對轉輪空蝕部位補焊時，宜選擇新型抗空蝕磨蝕的不銹鋼焊條，比如OCr13Ni4～6Mo不銹鋼焊條，它適用于母材是碳鋼的機械設備，具有易焊接、易加工、抗空蝕性及抗裂性等優點，且已經被應用于國內多個大中型水電站中。

（4）涂層保護。為進一步增強水輪機抗空蝕性能，可對水輪機進行涂層保護。常見的噴涂材料有金屬、合金、陶瓷、塑料等多種類別。噴涂工藝有表面刷涂、堆焊、電鍍等多種方法，近年來還出現火焰噴涂、電弧噴涂、等離子噴涂等方法，比如東川電站就采用電鍍的方法，在水機表面形成了以稀土鉻合金為主的電鍍層硬度高達HV1000，獲得了較好的抗空蝕性能[8-10]。電站可采用電鍍方法。

電站采用上述抗空蝕方法后，2011年空蝕破壞失重量僅60kg，機組空蝕破壞情況得到了明顯改善。

3 結論

空蝕機理簡單但誘因較多，所采用的抗空蝕措施也千變萬化，效果也有好有壞。因此，總結檢修經驗，采用cordon法研究空蝕機理，明確空蝕誘因，有針對性地選擇抗空蝕措施，對水電站經濟運行和技術改造具有很大的參考價值和指導意義。對已投產電站來說，發展新型抗磨蝕材料、采用高新噴涂工藝是提高水電站經濟運行的有力措施。

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