混流式水輪機(jī)汽蝕機(jī)理與措施分析

馬宏祿

【摘要】在水電站混流式水輪機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，汽蝕是最為常見(jiàn)的問(wèn)題，這也是各水電站一直在致力解決的關(guān)鍵問(wèn)題?；炝魇剿啓C(jī)在發(fā)生汽蝕之后，其使用壽命會(huì)大大縮短，影響水電站的正常運(yùn)行。本文研究分析了混流式水輪機(jī)的汽蝕，并提出相應(yīng)的解決措施，有效的提高了混流式水輪機(jī)的使用壽命。

【關(guān)鍵詞】水輪機(jī)；汽蝕；熱處理；零汽蝕檢修

在水電站運(yùn)行過(guò)程中，混流式水輪機(jī)作為其中一個(gè)重要的組成部分，對(duì)于水電站的正常運(yùn)行有著至關(guān)重要的作用。水作為混流式水輪機(jī)運(yùn)行的主要介質(zhì)，在溫度的變化下，會(huì)產(chǎn)生汽蝕的現(xiàn)象。在混流式水輪機(jī)來(lái)說(shuō)，除了受到水溫以及水壓的現(xiàn)象而引起的汽蝕現(xiàn)象，還會(huì)因?yàn)槟嗌尺^(guò)多而產(chǎn)生泥沙磨損?；炝魇剿啓C(jī)的汽蝕，不但會(huì)對(duì)水輪機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生影響，還會(huì)大大縮短水輪機(jī)的使用壽命。

1、混流式水輪機(jī)汽蝕的產(chǎn)生機(jī)理

在混流式水輪機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，汽蝕問(wèn)題很容易因?yàn)檫吔鐥l件的變化而出現(xiàn)。水流的短矩會(huì)因?yàn)檗D(zhuǎn)輪葉片的作用而產(chǎn)生變化，從而導(dǎo)致葉片背面出現(xiàn)負(fù)壓。從分析來(lái)看，汽核或者空氣在水中所占比例大約是5%，如果水壓比一定的限制要低，并且要高出空化壓力的時(shí)候，就會(huì)出現(xiàn)氣泡產(chǎn)生，而汽蝕現(xiàn)象就是發(fā)生在氣泡破裂的時(shí)候。在水輪機(jī)正常運(yùn)行過(guò)程中，水輪機(jī)的流道內(nèi)會(huì)有水流動(dòng)，流道內(nèi)的高壓區(qū)進(jìn)入的水流中伴隨著氣泡，在過(guò)高的壓力作用下，氣泡內(nèi)外部的壓力不平衡，從而導(dǎo)致氣泡因此而破裂。在汽泡潰裂的過(guò)程中，由于壓力的不同而產(chǎn)生極大的沖擊力，形成較高的射流，這種瞬間的射流沖擊力非常大。在高頻率的射流水擊下，過(guò)流表面需要承受很大的沖擊載荷，長(zhǎng)此以往，金屬材料的韌性就會(huì)受到影響，轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)。在此過(guò)程中，屈服點(diǎn)逐漸的降低，在屈服點(diǎn)達(dá)到一定的臨界后，在射流的沖擊力作用下，金屬表面的顆粒就會(huì)脫落，直接產(chǎn)生塑性變形，對(duì)水輪機(jī)造成很大的破壞。

2、混流式水輪機(jī)防汽蝕措施

在水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，汽蝕是不可避免的現(xiàn)象。因此，混流式水輪機(jī)的防治目的是延長(zhǎng)水輪機(jī)部件使用壽命，減少汽蝕侵害，減少維修檢查費(fèi)用，延長(zhǎng)檢修周期，可采取如下措施：

2.1 設(shè)計(jì)方面

水流內(nèi)部結(jié)構(gòu)是汽蝕形式的主要控制因素，所以，對(duì)混流式水輪機(jī)的翼型進(jìn)行設(shè)計(jì)以及改善是減少汽蝕的有效方法：

例如改善葉片頭部，轉(zhuǎn)輪葉片應(yīng)呈光華的流線型，盡可以使葉片上壓力分布均勻，并縮小低壓區(qū)；在葉片上特別是前面無(wú)鼓包使水流平順流暢；葉片出口邊應(yīng)較薄，采用機(jī)組成組調(diào)節(jié)，改善水輪機(jī)運(yùn)行工況，應(yīng)避開(kāi)汽蝕的運(yùn)行工況區(qū)域。

上壓力分布均勻，并縮小低壓區(qū)；在葉片上特別是前面無(wú)鼓包使水流平順流暢；葉片出口邊應(yīng)較薄，采用機(jī)組成組調(diào)節(jié)，改善水輪機(jī)運(yùn)行工況，應(yīng)避開(kāi)汽蝕的運(yùn)行工況區(qū)域。并縮小低壓區(qū)；在葉片上特別是前面無(wú)鼓包使水流平順流暢；葉片出口邊應(yīng)較薄，采用機(jī)組成組調(diào)節(jié)，改善水輪機(jī)運(yùn)行工況，應(yīng)避開(kāi)汽蝕的運(yùn)行工況區(qū)域。

2.2 提高材料表面的抗汽蝕能力

在材料抗蝕性能方面，不銹鋼具有良好的抗腐蝕性，不銹鋼良好的彈性可以有效的將水氣化分子作用力進(jìn)行消除。然而不銹鋼材料成本太高，不可能應(yīng)用于整個(gè)轉(zhuǎn)輪。通常情況下，會(huì)將不銹鋼板貼在普通鋼材上，但是這樣容易出現(xiàn)拉裂掉塊的問(wèn)題。因此，為了達(dá)到節(jié)約成本，提高抗腐蝕性能的目的，可以將不銹鋼焊液堆焊在轉(zhuǎn)輪母材料表面的汽蝕區(qū)。針對(duì)一些設(shè)備簡(jiǎn)陋，測(cè)量手段較差的水電站，為了避免轉(zhuǎn)輪葉型因?yàn)槎押付霈F(xiàn)變形，避免使用焊接時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的方式，要采取小電流短焊接的方式來(lái)避免因?yàn)楦邷囟a(chǎn)生的變形。

2.3 熱處理

金屬材料是構(gòu)成水輪機(jī)的主要材料，因此加強(qiáng)水輪機(jī)的抗蝕性能主要從提高金屬材料的抗蝕性能入手。在這方面，可以采取熱處理的方式提高金屬材料的抗蝕性能。在進(jìn)行過(guò)熱處理之后，鋼的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而改變水輪機(jī)的機(jī)械性能。在進(jìn)行熱處理的時(shí)候，轉(zhuǎn)輪葉片如果尺寸過(guò)大，可以采取表面熱處理或者局部熱處理的方式來(lái)進(jìn)行。如果轉(zhuǎn)輪葉片汽蝕情況嚴(yán)重，需要在汽蝕嚴(yán)重的部位在氧氣或者乙炔火焰的輔助下進(jìn)行淬火，這樣一來(lái)汽蝕嚴(yán)重的部位能夠快速達(dá)到淬火的溫度，之后立即進(jìn)行冷卻，需要注意的是熱量必須不能到達(dá)材料內(nèi)部，在冷卻過(guò)程中，內(nèi)應(yīng)力會(huì)因?yàn)槔鋮s速度不同而出現(xiàn)，因此要需要進(jìn)行回火處理。

2.4 汽蝕補(bǔ)氣

補(bǔ)氣能夠形成氣泡，這是一種吸收振動(dòng)的減輻介質(zhì)，此外，補(bǔ)進(jìn)的空氣沖散渦帶，并以氣泡填充轉(zhuǎn)輪下部和尾水管上部整個(gè)空間，因補(bǔ)氣對(duì)破壞空腔汽蝕，吸收汽蝕有一定的作用。

3、機(jī)組檢修

3.1 處理轉(zhuǎn)輪室的汽蝕

首先轉(zhuǎn)輪室汽蝕部位出現(xiàn)的蜂窩狀要利用氣刨將其鏟除，之后進(jìn)行打磨光滑，需要用到的是砂輪機(jī)，緊接著進(jìn)行堆焊，需要用不銹鋼焊條且要均勻的堆焊，最后利用砂輪機(jī)進(jìn)行打磨。

3.2 處理槳葉的汽蝕

在進(jìn)行堆焊時(shí)，應(yīng)考慮到槳葉的變形，不能進(jìn)行連續(xù)施焊，而應(yīng)進(jìn)行間隔施焊，并注意應(yīng)慢慢冷卻，焊條應(yīng)沿周?chē)较蜃邉?dòng)，以增加運(yùn)行中的焊接強(qiáng)度。處理完后進(jìn)行葉型校型，樣板控制。

3.3 處理焊縫

先在裂縫的兩頭鉆10mm深的孔，然后用氣刨將裂紋刨掉、打磨、施焊，打磨光滑即可。很多電站的實(shí)踐證明，補(bǔ)焊區(qū)的打磨工作，對(duì)機(jī)組今后過(guò)程中汽蝕破壞大小很關(guān)鍵，打磨后的部位光潔度是否到了設(shè)計(jì)要求，能否保持原來(lái)的型線等等，這些須認(rèn)真對(duì)待。

3.4 焊接材料及工藝

抗汽蝕材料能夠有效預(yù)防水輪機(jī)的汽蝕現(xiàn)象，從目前來(lái)看，我國(guó)主要應(yīng)用的是不銹鋼與鋁鐵青銅。這些材料具有良好的韌性，且硬度以及疲勞極限都與水輪機(jī)材料要求相符合，將這些材料應(yīng)用在水輪機(jī)部件中，能夠大大提高抗汽蝕性能。

通常情況下，可采用金屬?lài)姾讣夹g(shù)覆蓋材料表面。對(duì)于產(chǎn)生汽蝕的部件，采用抗蝕材料，例如D276高鉻錳鋼耐汽蝕堆焊條，采用堆焊的方式集合局部翼型進(jìn)行焊接休整，同時(shí)需要打磨到光滑平整。

4、結(jié)束語(yǔ)

混流式水輪機(jī)一旦發(fā)生汽蝕的現(xiàn)象，會(huì)導(dǎo)致水輪機(jī)效率以及出力的降低。如果混流式水輪機(jī)在氣灼區(qū)繼續(xù)運(yùn)行，機(jī)組的穩(wěn)定性會(huì)遭到破壞，同時(shí)機(jī)組會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)以及負(fù)荷波動(dòng)，這樣會(huì)大大降低混流式水輪機(jī)的使用壽命，影響水電站的運(yùn)行效率。因此，對(duì)混流式水輪機(jī)的運(yùn)行工況進(jìn)行改善，對(duì)水庫(kù)調(diào)度方案進(jìn)行科學(xué)合理的制定，定時(shí)安排維修人員進(jìn)行混流式水輪機(jī)組的維修，對(duì)水輪機(jī)發(fā)生汽蝕的位置及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)焊處理，這是確保水電站安全運(yùn)行的關(guān)鍵。

參考文獻(xiàn)：

[1]周銀康.論水電站水輪機(jī)汽蝕產(chǎn)生原因分析及防范措施[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2011-10-10.