關于混流式水輪機轉輪及尾水管氣蝕產生的原因及修復

孫甲穩

摘要：當前，我國發電廠水輪發電機組在運行過程中出現了很多問題，尤其是轉輪氣蝕、裂痕、尾水管氣蝕問題，已經影響了發電機組的安全運行，想要有效解決這種問題，需要對導水機構進行更新，對水輪發電機組進行升級改進，對氣蝕部位進行檢修。本文主要對混流式水輪機轉輪及尾水管氣蝕產生的原因和修復方法進行闡述，通過科學的氣蝕處理和減緩方法，加強機組運行中的控制，以此提高機組性能、運行效率和運行水平。

關鍵詞：混流式水輪機;轉輪;尾水管;氣蝕

引言：

水輪發電機是水力發電廠的動力來源渠道之一，水輪機轉輪是水輪機組的重要組成部分，在發電廠生產建設過程中，因為河流含沙量和輸沙量的增加，導致水輪機轉輪在運轉過程中容易被磨蝕，尤其是混流式水輪機轉輪，其成為水輪機組普遍存在的問題。對此，需要我國水電廠加強研究，在有效解決混流式水輪機轉輪磨蝕問題的基礎上，還需要重點解決尾水管氣蝕問題。

一、混流式水輪機轉輪及尾水管氣蝕產生的原因

（一）混流式水輪機輪轉磨蝕破壞

第一，轉輪空蝕破壞。轉輪機在運轉時內部液體壓力會在流動或者靜止狀態下達到一定的限度，最終發生氣化，在一定部位中出現小氣泡，這些氣泡會因為壓力變動而在此集聚，這個過程就叫做空蝕。小氣泡和水流共同進入到高壓狀態下會發生聚集，因此此過程壓力大、速度快、流動頻率高，會促使恒定溫度升高，電化學腐蝕會增加，直接導致輪轉機材料被破壞，這種空蝕狀態下產生的材料破壞成為空蝕破壞。因為轉輪機上部的空蝕屬于流動液體空蝕，根據其空間性質的不同可以分為間隙空蝕、局部空蝕、翼型空蝕。第二，轉輪泥沙磨損。轉輪機運行過程中的流通場所會有一定的懸浮泥沙，這些堅硬的泥沙顆粒會在流動過程中撞機流動面，導致流動面出現疲勞磨損。當泥沙在固定方向下對轉輪流通面進行持續撞擊時，會導致沖擊處發生磨損，這時金屬材料會脫落，這些長期被磨損的流通面會變得凹凸不平，直接加劇損壞效率。泥沙磨損具體原因如下：磨損時的運行條件，比如混流式流道參數，轉輪機運行環境;流道面的材料性質、和彈性、硬度、抗沖擊性;含沙水流特點、泥沙硬度和形態、水流速度等。一般情況下，水流含沙量越大，水流速度會越高，泥沙硬度會增強，對轉輪機造成的沖擊會加大，當轉輪機表面材料性質不高時，也會加劇磨損[1]。

（二）轉輪磨損外觀特點和特征

第一，轉輪磨損外觀特點。轉輪機出現磨損破壞的主要原因是空蝕磨損和泥沙磨損，這兩種破壞方式各有不同，泥沙磨損會促使通道面出現各種魚鱗式的花紋，磨損程度較低的地方會出現小痕跡，磨損嚴重的地方會有顏色變化，花紋面積大。空蝕破壞性會促使流通面出現海綿絮狀，金屬構件會出現孔洞，在破壞過程中，這些孔洞會不連續分布，不會影響金屬性能，以上這兩種破壞形式是交替發生的，因此間接加劇了轉輪的氣蝕破壞程度。第二，轉輪磨蝕特征。混流式磨蝕最嚴重的部位一般在葉片進入水邊靠近下環部位、或者上冠、葉片出水邊處部位，磨損嚴重的部位一般在混流式轉輪葉和下環部位的出口和進口位置，隨著水流變化磨蝕范圍和程度都將不斷增加。一般磨蝕會出現三角形狀，在此位置處，葉片和下環會同時出現磨蝕，最終導致轉輪葉片掉落。葉片在運行時會和環節成為一個直角，在二次回流下形成脫流旋渦，會加劇沙粒的沖擊，另外葉片也會受到焊接區和轉輪流速的影響，從而加劇磨蝕[2]。

（三）尾水管氣蝕問題

水電站水輪機尾水管補氣方式是導致尾水管氣蝕的主要原因。尾水管補氣指尾水平臺中補氣閥，在自然條件下自動補氣，當水電站水輪機組轉速過高時，尾水管會出現高旋渦帶，導致真空出現。真空因為吸氣不均勻導致氣閥發生損壞，影響氣閥彈簧動作，因為真空氣體進入量不足，而破壞真空狀態，最終出現氣蝕，因此水輪機尾水管出現襯氣蝕破壞主要因為真空氣蝕導致的，而真空氣時和渦帶有著直接的影響關系。

二、混流式水輪機轉輪及尾水管氣蝕修復方法

（一）如何防治轉輪磨蝕破壞的方法

第一，加強設計。可以增加轉輪的級數，在水頭過高的區域可以采用多級轉輪進行同時運轉;可以設計葉片型式，根據流線進行設計;可以設計止漏環結構，根據下環形狀選擇科學的結構形式;可以適當的增加葉片數量，葉片數量多可以降低葉片區域正負壓差，最終減小背面負壓。第二，加強制造。對于轉輪斷面，需要控制圓滑性;需要優化改進葉片加工工藝，采用現代化的鏟、磨數控加工工藝制造葉片;保證流通面材料，一般質地堅硬的材料，抗空蝕性越強，必要時可以財務熱噴耐腐蝕的金屬材料;拋光處理，通過拋光處理提高葉片表層的光滑度，降低粗糙度，以此降低空蝕程度。

（二）如何處理轉輪磨蝕破壞的方法

第一，加強磨時破壞程度測量。在對混流式水輪機進行檢修之前，需要對空蝕破壞情況和泥沙磨損情況進行檢查，測量金屬破壞程度、失重量、破損面積。對于金屬破壞程度一般采用探針和鋼板對磨蝕深度進行測量;對于金屬失重量一般將粘泥根據葉片形狀涂抹在金屬磨蝕區域，進行計量稱重，以上測量的結構可以作為后期檢修資料數據進行保存。第二，磨蝕區域處理。對磨蝕區域進行焊補前，需要對磨蝕區域進行處理，以此縮減磨蝕面積，提高精度。一般在確定磨蝕區域后需要對其破損面進行鏟削，為了避免此工序影響到后期的打磨和焊補，需要控制鏟削深度，以此降低打磨工作量，最終提高焊補質量，降低鏟削難度。第三，嚴格遵守打磨要求。在采用軟質砂輪進行打磨焊補時，需要根據設計標準進行，將金屬構件表面的粗糙程度降到最低，保證打磨后的轉輪葉片形狀符合原線要求。打磨深度和長度都需要遵循標準，轉輪葉片和樣板間的間隙需要控制最小。第四，葉片開口度修整和測量。葉片在進行補焊時，其線型容易受到破壞，導致葉片轉經受力不均勻，在運行中會發生振動，影響工作效率，因此需要對葉片開口度進行修整。葉片開口度測量需要根據生產制造時設計圖紙標準技術參數進行，技術人員在此過程中需要做好記錄，測量一般需要進行兩次，便于后期校驗。當實際測量數值和允許數值不符時，需要進行處理，一般葉片流面線型出現變動時，可以通過氣焊對葉片背面進行烘烤，后使用樣板進行壓實，確保最終合格[3]。

（三）如何處理尾水管氣蝕破壞的方法

第一，尾水管里襯處理。在尾水管里襯氣蝕破壞處進行補焊前，需要采用砂輪機將內部的水、油漬和鐵銹進行清潔，并采用規格焊條進行補焊，補焊完成后采用砂輪機將其表面進行打磨，并涂刷防銹漆。第二，補氣管處理。對于里襯連接處已經斷裂的補氣管無法進行補焊，因此需要采取以下方法進行處理：去除斷裂的補氣管，采用鋼板制作補氣管，進行替換;將氣蝕破壞輕微的補氣管采用砂輪機進行打磨、補焊，保證其表面光滑;修補補氣管進氣出的真空破壞閥，并將彈簧力度不高的真空破壞閥及時割除，保證足夠的進氣量。

三、結束語

綜上所述，混流式水輪機轉輪磨蝕和破壞問題的解決是一項復雜、長期、技術要求高的工作，其需要從設計方面對其運行、材質、機組、檢查處理、處理工藝上進行優化改進，將其作為一項系統性工程進行，確保其中每一個環節都需要符合標準，最終有效解決磨蝕問題。

參考文獻：

[1]劉建彬. 混流式水輪機不銹鋼轉輪氣蝕產生原因及修復[J]. 商品與質量，2019，000（002）：111.

[2]王大朋. 混流式混流式水輪機轉輪裂紋原因分析及預防措施[J]. 裝備維修技術，2019（3）.

[3]王正偉，楊靜，羅永要，等. 一種適應高水頭，高轉速和高含沙量的抗磨損混流式水輪機：，CN110439722A[P]. 2019.