峽山水庫水電站小型臥式混流式水輪機頂蓋與葉片氣蝕的原因與防范

韓瑞洪 魏淑英

摘要：結合峽山水水電站160Kw小型臥式混流式水輪機頂蓋與葉片氣蝕的原因，提出了解決頂蓋和葉片空蝕問題簡單易行、效果顯著的相應的幾種措施，已達到避免或減緩頂蓋和葉片氣蝕，有效延長檢修周期，發揮機組最佳效益的目的。

關鍵詞：峽山水庫水電站160KW機組；小型臥式水輪機；頂蓋和葉片氣蝕；解決措施

峽山水庫水電站小電站共有三臺160Kw發電機組，設計水頭10米，設計流量1.5。機組于2006年并網運行。機組運行以來，每年除豐水季節的三、四個月外，其余時間水輪機均處于設計工況運行，機組出力平穩，調速器也正常工作。運行八年來，運行狀況一直良好。但是，今年在運行過程中，小電站3#機組卻發生了頂蓋和葉片的氣蝕破壞，而且水輪機頂蓋和葉片汽蝕破壞強度大，造成了水輪機效率下降，發電效率達不到50%，最后不得不停機檢修，打開水輪機頂蓋一檢查，發現水輪機頂蓋及葉片嚴重氣蝕，給電站造成不小的經濟損失。那么水輪機氣蝕是怎樣產生的呢？又如何防范？

水輪機氣蝕是流體動力學的一種現象，水體在汽化時產生水泡，這些氣泡的形成、發展、潰裂及對過流表面所產生的物理化學作用稱之為氣蝕，氣蝕是水電站運行管理中普遍存在而又突出的技術難題，很多專家在不斷的探討。

一般認為，水輪機氣蝕主要是由于其內部水流壓力降低引起的。當水輪機中某一局部區域流速增高而壓力降低到水的汽化壓力時，就會因水的汽化而產生大量氣泡。這些氣泡進入高水壓區時，會被迅速壓縮而潰裂，在氣泡潰裂時即伴隨著發生強大的沖擊壓力。同時氣泡被壓縮潰裂時要釋放能量，這些熱量和沖擊壓力對金屬表面的反復沖擊會產生局部高溫（可達數百度），加之水流摻氣而使氣泡中還有一定的氣體，就會使金屬表面起氧化作用。由于氣泡的不斷產生和潰裂，使機體受到瞬間的反復的沖擊力，當超過材料的抗疲勞強度時，就使機件產生剝蝕，表面產生麻點，甚至在某些部位被穿透而形成空洞。

氣蝕初生的壓力高低隨著水溫和水中的含氣量多少而不同，水溫越高水中含氣量越多，汽化壓力越大，即水越容易汽化，氣蝕也越容易發生。

氣蝕按照發生的部位情況，水輪機氣蝕可分為四種類型，即葉型氣蝕、空腔氣蝕、間隙氣蝕、其他部位脫落引起的氣蝕。根據峽山水庫水電站小水電3#機組缺陷的情況來看，是典型的葉型氣蝕和間隙氣蝕造成的。葉型氣蝕是指發生在轉輪葉片上的氣蝕，混流式水輪機的葉型氣蝕主要發生在葉片的背面靠下環處的泄水邊附近，在下環處形成空洞深度約3—5mm，面積10cm2—30cm2，連帶著頂蓋氣蝕成同樣面積一圈空洞，主要是今年峽山水庫的水位比較低，在低水頭下運行是比較容易產生氣蝕現象的。間隙氣蝕是指水流通過狹窄間隙繞過固體凹凸表面時，由于流速局部升高引起局部壓力降低形成的氣蝕，常發生在水輪機葉片周圍，峽山水庫水電站小水電3#機組轉輪和頂蓋之間的間隙稍稍大于設計值，在檢修時，發現葉片上有蜂窩狀孔洞，由于該部位使用的材質是優質碳鋼，所以現象相對嚴重，需要很長時間和特殊工藝的處理。

峽山水庫水電站防止和處理氣蝕的措施，除在設計時要選擇合理機型（包括葉型、葉片數量、選用的耐腐材料），俺不發生葉型氣蝕條件的允許吸出高度來確定水輪機高程外，在運行檢修方面主要做好以下工作：

（1）合理擬定水電站的運行方式，避開可能產生嚴重氣蝕的運行工況區域，從有關資料和運行經驗來看，水輪機在低水頭出力下運行最容易發生氣蝕，可以從頂蓋的水壓表、真空表指針擺動情況，尾水管內部的敲擊爆炸聲，頂蓋內流水炒豆似的雜音等現象判斷出規律，盡管避免長期在這種不利工況下運行。為了減輕水輪機的氣蝕、振動和提高機組效率，臥式水輪機都規定了最小出力限制，混流式額定出力的50%。

（2）利用大軸補氣裝置向尾水管送入空氣，以破壞尾水管中高真空的水流渦帶，保持補水閥正向的暢通和逆止的嚴密，進行技術改造，提高補氣閥內彈簧的抗疲勞能力，特別是洪水期尾水較高，既要保證補氣，又要防止倒噴水。大渦軸補氣缺點是補氣量小，往往不足以消除尾水管渦帶引起的壓力脈動，同時補氣噪音很大。

（3）提高檢修工藝水平，對已氣蝕壞的葉片，可采用CrL8Ni8系列不銹鋼電焊條堆焊，堆焊時要嚴格控制葉片型線，防止變形，并要保證檢修后表面光潔，因為粗燥的表面容易產生氣蝕，提高葉片的表面光潔度將減輕氣蝕作用。

（4）采用霧氣蝕檢修工藝方法，經常性小修，由于氣蝕破壞的潛伏期較長，氣蝕區從初生氣蝕到金屬表面起毛變暗這一期間，氣蝕侵蝕的強度較弱，持續時間長。在此期間，及時檢查及處理氣蝕痕跡能有效控制氣蝕破壞，從而避免氣蝕傷痕發展到氣蝕凹坑。因此縮短維修周期，采用小修為主的檢修方法是實現霧氣蝕運行的與運行的有效途徑。

（5）在葉片表面刷涂抗氣蝕涂料。常用的是環氧樹脂、聚酰胺脂、工程塑料等高分子化合物作涂料保護金屬表面，其主要優點是降低檢修費用，簡化檢修工藝，延長大修周期，缺點是涂層與金屬母材的粘結力較差。

各檢修工藝需綜合考慮，并不斷地借鑒先進技術，才能達到良好的檢修效果。

水輪機氣蝕現象是一個很大技術難題，在檢修和日常維護中把握好以下三點，就可以是水輪機保持良好的運行狀態。一是對機組出力基本上無影響的檢修工藝；二是不會破壞水輪機原有的特性，水輪機運行的穩定性不夠，是造成氣蝕的主要原因；三是方法簡單易行且效果顯著的運行和檢修方法，這得需要在檢修和運行中慢慢總結和摸索。