峽山水庫(kù)水電站小型臥式混流式水輪機(jī)頂蓋與葉片氣蝕的原因與防范

韓瑞洪 魏淑英

摘要：結(jié)合峽山水水電站160Kw小型臥式混流式水輪機(jī)頂蓋與葉片氣蝕的原因，提出了解決頂蓋和葉片空蝕問(wèn)題簡(jiǎn)單易行、效果顯著的相應(yīng)的幾種措施，已達(dá)到避免或減緩頂蓋和葉片氣蝕，有效延長(zhǎng)檢修周期，發(fā)揮機(jī)組最佳效益的目的。

關(guān)鍵詞：峽山水庫(kù)水電站160KW機(jī)組；小型臥式水輪機(jī)；頂蓋和葉片氣蝕；解決措施

峽山水庫(kù)水電站小電站共有三臺(tái)160Kw發(fā)電機(jī)組，設(shè)計(jì)水頭10米，設(shè)計(jì)流量1.5。機(jī)組于2006年并網(wǎng)運(yùn)行。機(jī)組運(yùn)行以來(lái)，每年除豐水季節(jié)的三、四個(gè)月外，其余時(shí)間水輪機(jī)均處于設(shè)計(jì)工況運(yùn)行，機(jī)組出力平穩(wěn)，調(diào)速器也正常工作。運(yùn)行八年來(lái)，運(yùn)行狀況一直良好。但是，今年在運(yùn)行過(guò)程中，小電站3#機(jī)組卻發(fā)生了頂蓋和葉片的氣蝕破壞，而且水輪機(jī)頂蓋和葉片汽蝕破壞強(qiáng)度大，造成了水輪機(jī)效率下降，發(fā)電效率達(dá)不到50%，最后不得不停機(jī)檢修，打開(kāi)水輪機(jī)頂蓋一檢查，發(fā)現(xiàn)水輪機(jī)頂蓋及葉片嚴(yán)重氣蝕，給電站造成不小的經(jīng)濟(jì)損失。那么水輪機(jī)氣蝕是怎樣產(chǎn)生的呢？又如何防范？

水輪機(jī)氣蝕是流體動(dòng)力學(xué)的一種現(xiàn)象，水體在汽化時(shí)產(chǎn)生水泡，這些氣泡的形成、發(fā)展、潰裂及對(duì)過(guò)流表面所產(chǎn)生的物理化學(xué)作用稱之為氣蝕，氣蝕是水電站運(yùn)行管理中普遍存在而又突出的技術(shù)難題，很多專家在不斷的探討。

一般認(rèn)為，水輪機(jī)氣蝕主要是由于其內(nèi)部水流壓力降低引起的。當(dāng)水輪機(jī)中某一局部區(qū)域流速增高而壓力降低到水的汽化壓力時(shí)，就會(huì)因水的汽化而產(chǎn)生大量氣泡。這些氣泡進(jìn)入高水壓區(qū)時(shí)，會(huì)被迅速壓縮而潰裂，在氣泡潰裂時(shí)即伴隨著發(fā)生強(qiáng)大的沖擊壓力。同時(shí)氣泡被壓縮潰裂時(shí)要釋放能量，這些熱量和沖擊壓力對(duì)金屬表面的反復(fù)沖擊會(huì)產(chǎn)生局部高溫（可達(dá)數(shù)百度），加之水流摻氣而使氣泡中還有一定的氣體，就會(huì)使金屬表面起氧化作用。由于氣泡的不斷產(chǎn)生和潰裂，使機(jī)體受到瞬間的反復(fù)的沖擊力，當(dāng)超過(guò)材料的抗疲勞強(qiáng)度時(shí)，就使機(jī)件產(chǎn)生剝蝕，表面產(chǎn)生麻點(diǎn)，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(fā)生。

氣蝕按照發(fā)生的部位情況，水輪機(jī)氣蝕可分為四種類(lèi)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(jù)峽山水庫(kù)水電站小水電3#機(jī)組缺陷的情況來(lái)看，是典型的葉型氣蝕和間隙氣蝕造成的。葉型氣蝕是指發(fā)生在轉(zhuǎn)輪葉片上的氣蝕，混流式水輪機(jī)的葉型氣蝕主要發(fā)生在葉片的背面靠下環(huán)處的泄水邊附近，在下環(huán)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(kù)的水位比較低，在低水頭下運(yùn)行是比較容易產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象的。間隙氣蝕是指水流通過(guò)狹窄間隙繞過(guò)固體凹凸表面時(shí)，由于流速局部升高引起局部壓力降低形成的氣蝕，常發(fā)生在水輪機(jī)葉片周?chē)?，峽山水庫(kù)水電站小水電3#機(jī)組轉(zhuǎn)輪和頂蓋之間的間隙稍稍大于設(shè)計(jì)值，在檢修時(shí)，發(fā)現(xiàn)葉片上有蜂窩狀孔洞，由于該部位使用的材質(zhì)是優(yōu)質(zhì)碳鋼，所以現(xiàn)象相對(duì)嚴(yán)重，需要很長(zhǎng)時(shí)間和特殊工藝的處理。

峽山水庫(kù)水電站防止和處理氣蝕的措施，除在設(shè)計(jì)時(shí)要選擇合理機(jī)型（包括葉型、葉片數(shù)量、選用的耐腐材料），俺不發(fā)生葉型氣蝕條件的允許吸出高度來(lái)確定水輪機(jī)高程外，在運(yùn)行檢修方面主要做好以下工作：

（1）合理擬定水電站的運(yùn)行方式，避開(kāi)可能產(chǎn)生嚴(yán)重氣蝕的運(yùn)行工況區(qū)域，從有關(guān)資料和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，水輪機(jī)在低水頭出力下運(yùn)行最容易發(fā)生氣蝕，可以從頂蓋的水壓表、真空表指針擺動(dòng)情況，尾水管內(nèi)部的敲擊爆炸聲，頂蓋內(nèi)流水炒豆似的雜音等現(xiàn)象判斷出規(guī)律，盡管避免長(zhǎng)期在這種不利工況下運(yùn)行。為了減輕水輪機(jī)的氣蝕、振動(dòng)和提高機(jī)組效率，臥式水輪機(jī)都規(guī)定了最小出力限制，混流式額定出力的50%。

（2）利用大軸補(bǔ)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(bǔ)水閥正向的暢通和逆止的嚴(yán)密，進(jìn)行技術(shù)改造，提高補(bǔ)氣閥內(nèi)彈簧的抗疲勞能力，特別是洪水期尾水較高，既要保證補(bǔ)氣，又要防止倒噴水。大渦軸補(bǔ)氣缺點(diǎn)是補(bǔ)氣量小，往往不足以消除尾水管渦帶引起的壓力脈動(dòng)，同時(shí)補(bǔ)氣噪音很大。

（3）提高檢修工藝水平，對(duì)已氣蝕壞的葉片，可采用CrL8Ni8系列不銹鋼電焊條堆焊，堆焊時(shí)要嚴(yán)格控制葉片型線，防止變形，并要保證檢修后表面光潔，因?yàn)榇衷锏谋砻嫒菀桩a(chǎn)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(jīng)常性小修，由于氣蝕破壞的潛伏期較長(zhǎng)，氣蝕區(qū)從初生氣蝕到金屬表面起毛變暗這一期間，氣蝕侵蝕的強(qiáng)度較弱，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。在此期間，及時(shí)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(fā)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(shí)現(xiàn)霧氣蝕運(yùn)行的與運(yùn)行的有效途徑。

（5）在葉片表面刷涂抗氣蝕涂料。常用的是環(huán)氧樹(shù)脂、聚酰胺脂、工程塑料等高分子化合物作涂料保護(hù)金屬表面，其主要優(yōu)點(diǎn)是降低檢修費(fèi)用，簡(jiǎn)化檢修工藝，延長(zhǎng)大修周期，缺點(diǎn)是涂層與金屬母材的粘結(jié)力較差。

各檢修工藝需綜合考慮，并不斷地借鑒先進(jìn)技術(shù)，才能達(dá)到良好的檢修效果。

水輪機(jī)氣蝕現(xiàn)象是一個(gè)很大技術(shù)難題，在檢修和日常維護(hù)中把握好以下三點(diǎn)，就可以是水輪機(jī)保持良好的運(yùn)行狀態(tài)。一是對(duì)機(jī)組出力基本上無(wú)影響的檢修工藝；二是不會(huì)破壞水輪機(jī)原有的特性，水輪機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性不夠，是造成氣蝕的主要原因；三是方法簡(jiǎn)單易行且效果顯著的運(yùn)行和檢修方法，這得需要在檢修和運(yùn)行中慢慢總結(jié)和摸索。