基于Cordon法的水輪機(jī)抗空蝕研究

桂家章，梁 興

（南昌工程學(xué)院，南昌 330099）

前言

自19世紀(jì)后期第一例水力機(jī)械空蝕現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)以來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者投入了大量的時(shí)間和精力，從多相流體力學(xué)、材料力學(xué)到葉輪設(shè)計(jì)、加工工藝、材料應(yīng)用，從理論分析到試驗(yàn)研究，多學(xué)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(jī)空蝕的機(jī)理基本明確，即在水溫基本不變時(shí)，當(dāng)流體內(nèi)部壓力降低到某一臨界點(diǎn)后，流體將汽化進(jìn)而形成空穴；當(dāng)由于水輪機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)變化劇烈，空穴會(huì)在極短的時(shí)間內(nèi)潰滅，形成高達(dá)數(shù)百M(fèi)Pa的壓力波沖擊到葉片上，導(dǎo)致水輪機(jī)振動(dòng)加劇、效率降低，甚至?xí)谷~片塑性變形、材料脫落，在葉片表面上留下點(diǎn)狀、孔狀、蜂窩狀痕跡[1-7]。

但是，水輪機(jī)空蝕誘因較復(fù)雜，不僅涉及水力因素（水質(zhì)、流速等）、機(jī)械因素（水輪機(jī)設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)輪材料等），還與水輪機(jī)工作狀態(tài)、水電站布置情況以及工作環(huán)境等有密切關(guān)系，不同水電站水輪機(jī)的空蝕誘因往往不盡相同，相同電站不同機(jī)組的空蝕原因也可能不同，這無疑增加了空蝕預(yù)測(cè)及防范的困難。本文以南方某水電站為例，利用cordon法預(yù)測(cè)空蝕破壞量，并與電站實(shí)際做比較，進(jìn)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(shè)計(jì)、修護(hù)及技術(shù)改造提供具有實(shí)用性的借鑒意見。

1 工程實(shí)例簡(jiǎn)介

南方某水電站共兩臺(tái)機(jī)組，總裝機(jī)容量 10MW，水輪機(jī)型號(hào)為HL220-LJ-380，單機(jī)設(shè)計(jì)流量112.0m3/s，設(shè)計(jì)水頭51.0m，最大水頭55.2m。水電站運(yùn)行后，在2005年大修中發(fā)現(xiàn)，1號(hào)機(jī)組葉片背面出現(xiàn)蜂窩狀凹坑，面積20cm×12cm，最深達(dá)8mm（如圖1所示），轉(zhuǎn)輪其他部位也有輕微空蝕痕跡，同時(shí)，在設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行時(shí)，機(jī)組效率比設(shè)計(jì)效率也有所降低。顯然，該電站水輪機(jī)有空蝕現(xiàn)象發(fā)生。

2 空蝕破壞預(yù)測(cè)公式

2.1 空蝕破壞預(yù)測(cè)

目前預(yù)測(cè)空蝕破壞的方法相對(duì)較少，而且?guī)缀醵际墙?jīng)驗(yàn)性的公式。本文采用cordon法。它是通過綜合比較北美748臺(tái)水輪機(jī)實(shí)測(cè)空化特性而獲得預(yù)測(cè)水輪機(jī)空蝕失重量的經(jīng)驗(yàn)公式。水輪機(jī)運(yùn)行八千小時(shí)后葉片失重量W（kg），可按式（1）計(jì)算。

圖1 空蝕痕跡

式中：

K1——水輪機(jī)空化強(qiáng)度系數(shù)；

d——轉(zhuǎn)輪喉徑，m；

水輪機(jī)空化強(qiáng)度系數(shù)K1，可按式（2）計(jì)算：

其中：

式中：

n——空化強(qiáng)度系數(shù)K1的影響指數(shù)；

v——機(jī)組平均流速，m/s；

b——轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)；

Cf——機(jī)組負(fù)荷利用系數(shù)；

Sa——水輪機(jī)的淹沒深度，m；

R1——水輪機(jī)材料系數(shù)；

B——當(dāng)?shù)卮髿鈮毫Γ琺。

依據(jù)公式（1）、（2）、（3），結(jié)合電站實(shí)際參數(shù)，可預(yù)估水輪機(jī)1年內(nèi)失重為162.6kg，而2009年內(nèi)水輪機(jī)實(shí)際失重為150kg，兩者誤差僅12.6kg（見表1）。因此，采用cordon法預(yù)估水輪機(jī)空蝕破壞不僅可行也可信。

2.2 水輪機(jī)空蝕誘因

由于cordon法較好地預(yù)測(cè)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(shù)K1的主要因素是：平均流速、葉片數(shù)、負(fù)荷利用系數(shù)、淹沒深度、材料系數(shù)和當(dāng)?shù)卮髿鈮?。排除水輪機(jī)設(shè)計(jì)因素（平均流速、葉片數(shù)等）和當(dāng)?shù)貧鈮旱炔豢勺円蛩刂猓撾娬究瘴g的影響因素如下：

表1 水輪機(jī)空蝕失重?fù)p失預(yù)測(cè)對(duì)比表

（1）轉(zhuǎn)輪材料。該電站轉(zhuǎn)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(zhì)較軟。在cordon法中，ZG45碳鋼的材料系數(shù)僅為2.8，比不銹鋼的材料系數(shù) 4.5或碳鋼表面加不銹鋼堆焊層的材料系數(shù)3.8小一些。顯然，ZG45碳鋼抗空蝕性能較差。這是水輪機(jī)空蝕嚴(yán)重的一個(gè)重要原因。

（2）下游淹沒深度?？瘴g發(fā)生的必要條件就是水輪機(jī)過流流體壓力較低，引發(fā)空穴產(chǎn)生。水力機(jī)組運(yùn)行時(shí)的實(shí)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(guān)。研究表明[1]，吸出高度較大時(shí)，水輪機(jī)發(fā)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(yùn)行中，實(shí)際吸出高度均值為 0.86m，最高達(dá)到1.02m。過高的吸出高度也是誘發(fā)該電站水輪機(jī)空蝕的原因之一。

（3）負(fù)荷利用系數(shù)。水輪機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間與全年正常運(yùn)行時(shí)間之比為負(fù)荷利用系數(shù)，它也能反應(yīng)機(jī)組出力對(duì)空化空蝕的影響。研究表明[1，3]，長(zhǎng)期運(yùn)行的水輪機(jī)其空化特性最優(yōu)的負(fù)荷范圍約為滿負(fù)荷的75%，過高或過低的負(fù)荷利用系數(shù)都將導(dǎo)致水輪機(jī)葉片空蝕幾率增大。

2.3 水輪機(jī)抗空蝕措施

針對(duì)上述空蝕誘發(fā)因素，可采用如下有針對(duì)性的抗空蝕措施：

（1）制訂合理的運(yùn)行方案，減小吸出高度。根據(jù)電站當(dāng)?shù)厮乃|(zhì)條件，以季度為單位，基于上下游水位波動(dòng)情況，在確保發(fā)電量的前提下，制訂合理的運(yùn)行方案，力求降低實(shí)際吸出高度，減小 Cf，減小空蝕發(fā)生率。

（2）健全檢修制度，及時(shí)檢修。雖然此電站轉(zhuǎn)輪材質(zhì)較軟，抗空蝕能力差，但基于經(jīng)濟(jì)性考慮不宜直接更換轉(zhuǎn)輪。因此，健全檢修制度異常重要。在總結(jié)電站實(shí)際檢修經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用cordon法預(yù)估空蝕發(fā)展過程，合理制訂檢修計(jì)劃，及時(shí)檢修，定期補(bǔ)焊，不僅可以減少檢修時(shí)間，延長(zhǎng)轉(zhuǎn)輪使用壽命，同時(shí)也提高了電站經(jīng)濟(jì)效益，保證電站安全運(yùn)行。

（3）轉(zhuǎn)輪補(bǔ)焊。對(duì)轉(zhuǎn)輪空蝕部位補(bǔ)焊時(shí)，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(jī)械設(shè)備，具有易焊接、易加工、抗空蝕性及抗裂性等優(yōu)點(diǎn)，且已經(jīng)被應(yīng)用于國(guó)內(nèi)多個(gè)大中型水電站中。

（4）涂層保護(hù)。為進(jìn)一步增強(qiáng)水輪機(jī)抗空蝕性能，可對(duì)水輪機(jī)進(jìn)行涂層保護(hù)。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(xiàn)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(jī)表面形成了以稀土鉻合金為主的電鍍層硬度高達(dá)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?jī)H60kg，機(jī)組空蝕破壞情況得到了明顯改善。

3 結(jié)論

空蝕機(jī)理簡(jiǎn)單但誘因較多，所采用的抗空蝕措施也千變?nèi)f化，效果也有好有壞。因此，總結(jié)檢修經(jīng)驗(yàn)，采用cordon法研究空蝕機(jī)理，明確空蝕誘因，有針對(duì)性地選擇抗空蝕措施，對(duì)水電站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和技術(shù)改造具有很大的參考價(jià)值和指導(dǎo)意義。對(duì)已投產(chǎn)電站來說，發(fā)展新型抗磨蝕材料、采用高新噴涂工藝是提高水電站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的有力措施。

[1] 柯乃普.空化與空蝕[M].北京: 水利出版社,1981.

[2] 邢文靜, 等.不同介質(zhì)對(duì)三種鋼的沖擊腐蝕磨損性能的影響[J].材料處理學(xué)報(bào), 2007, (6).

[3] Finnie.On the velocity dependence of the cavitation of ductile metals by solid particles at low angles of incidence[J].Wear, 1978, 48.

[4] GP Tilly.A two stage mechanism of ductile erosion[J].Wear, 1973, 23.

[5] J.GA Bitter.A study of cavitation Phenomena[J].Wear, 1963,(5).

[6] 鮑崇高, 等.含沙水域水輪機(jī)過流部件的材料應(yīng)用及進(jìn)展[J].水利水電科技進(jìn)展.2001, 21(12).

[7] G.Bregliozzi, etc.Cavitation wear behavior of austenitic stainless steels with different grain sizes[J].Wear.2005, 258.

[8] 姜?jiǎng)倮? 等.20SiMn低合金鋼在不同含沙量的多相流中的損傷行為[J].全國(guó)摩擦學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集, 2006.

[9] 張小彬.CrNiMo不銹鋼表面激光熔覆與合金化抗空蝕涂層研究[D].東北大學(xué)博士論文, 2008.

[10] 方超群.三峽700MW水輪機(jī)葉片空蝕現(xiàn)象及修復(fù)[J].水電與新能源, 2010, 92(6).