張馗

摘要結(jié)合電站實例，文章分析闡述了小型臥式混流式水輪機頂蓋空蝕的原因和機理，提出了解決頂蓋空蝕問題簡單易行、效果顯著的相應(yīng)措施，以達(dá)到避免或減緩頂蓋空蝕，有效延長檢修周期，發(fā)揮機組最佳效益的目的。

關(guān)鍵詞臥式水輪機頂蓋空蝕處理措施小河一級電站

中圖分類號：TK733.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

空化與空蝕現(xiàn)象是反擊式水輪機在運行中產(chǎn)生的一種特殊現(xiàn)象，它對水輪機及其運行產(chǎn)生了極為不利的影響。空蝕通常是造成水輪機的轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪室和尾水管等通流部件，主要是轉(zhuǎn)輪的破壞。但在貴州道增桃園小河一級電站裝設(shè)的小型臥式混流式水輪機中卻發(fā)生了頂蓋的空蝕破壞，而且水輪機頂蓋空蝕破壞強度大，造成頂蓋大量漏水，水輪機效率下降，最后不得不停機檢修，給電站造成不小的經(jīng)濟損失。

1 空蝕情況

貴州桃園小河一級電站裝機容量為2?600，設(shè)計水頭103，設(shè)計流量1.7，水輪機型號為HLA550-wj-68。機組于2008年并網(wǎng)運行。機組投入運行以來，每年除豐水季節(jié)的三、四個月外，其余時間水輪機均處于非設(shè)計工況運行，尾水管中的真空值相當(dāng)高，且噪音較大。但機組振動輕微，出力平穩(wěn)，調(diào)速器也工作正常。運行接近兩年時，就發(fā)現(xiàn)水輪機頂蓋有細(xì)小穿孔而漏水，運行到兩年半時間，頂蓋就有幾處較大穿孔，最大孔徑約為13，漏水量大增。停機檢修拆下水輪機尾水彎管和轉(zhuǎn)輪后發(fā)現(xiàn)，尾水管沒有明顯的空蝕破壞情況，但頂蓋內(nèi)側(cè)面上有很多空蝕凹痕，空蝕凹痕主要分布于頂蓋內(nèi)側(cè)靠近蝸殼的外圈區(qū)域，凹痕深度約為8~12 ，許多凹痕都處于接近穿孔狀態(tài)，有3處已穿孔。

2 空蝕原因分析

桃園小河一級電站利用的龍洞水發(fā)電，電站無調(diào)節(jié)庫容，因此一年中流量變化很大。該電站在設(shè)計上不合理，原設(shè)計該電站裝機容量為3?600 ，1、2號機安裝投入運行后發(fā)現(xiàn)電站流量無法滿足兩臺機組的需要，后取消了3號機的方案，改為只安裝兩臺機組。兩臺機組運行也只有接近四個月時間。流量可以達(dá)到水輪機的設(shè)計流量值，其余時間中，平均流量只有額定流量的30%~40% ，水輪機長期處于低負(fù)荷的非設(shè)計工況運行。

水輪機在低負(fù)荷的非設(shè)計工況運行時，轉(zhuǎn)輪出口水流具有一定的正向圓周分速度 ，在此圓周分速的作用下，水流從轉(zhuǎn)輪流出時旋轉(zhuǎn)，于是自轉(zhuǎn)輪出口至尾水管中產(chǎn)生形成真空渦帶。渦帶是由許多小渦管匯集而成，其中心為負(fù)壓，當(dāng)渦帶中心出現(xiàn)的負(fù)壓小于汽化壓力時，水流會產(chǎn)生空化現(xiàn)象。而渦帶又是以低于水輪機轉(zhuǎn)速的頻率在尾水管中旋轉(zhuǎn)，當(dāng)渦帶周期性地與尾水管壁相碰，就會造成尾水管管壁空蝕破壞，幷引起水流壓力脈動，導(dǎo)致機組產(chǎn)生振動和噪音，這就是所謂的空腔空蝕。

桃園小河一級電站的水輪機長期運行在30%~40% 額定功率的低負(fù)荷工況上，尾水管中具備產(chǎn)生真空渦帶的條件。為什么該水輪機又沒有產(chǎn)生尾水管空蝕和機組振動的空腔空蝕的典型破壞特征呢？這是因為水輪機的空腔空蝕與水輪機的運行工況有著密切的關(guān)系，渦帶的形態(tài)是隨工況變化而變化的，在某些低負(fù)荷工況區(qū)域運行時，如水輪機在額定功率以下的低負(fù)荷工況區(qū)域運行時，雖然尾水管中存在大尺寸的真空渦帶，但渦帶形狀基本穩(wěn)定，渦帶沿尾水管軸線延伸，就不會產(chǎn)生空腔空蝕。該電站水輪機尾水管中真空渦帶是必然存在的，運行中尾水管中的噪音和尾水管真空值也證明了水輪機尾水管中真空渦帶的長期存在。

由于上述真空渦帶的存在，靠近轉(zhuǎn)輪出口的渦帶中心的真空會通過轉(zhuǎn)輪上冠的泄水孔而延伸進(jìn)入水輪機轉(zhuǎn)輪上冠端面與水輪機頂蓋內(nèi)側(cè)端面之間所形成的一狹窄空間內(nèi)，使這一狹窄的空間形成真空（因此也就導(dǎo)致主軸水封處經(jīng)常聽到一種喝氣的尖哨聲）。由于該狹窄空間內(nèi)真空的存在，轉(zhuǎn)輪上冠止漏環(huán)縫隙兩端壓差增大，使得止漏環(huán)縫隙處的漏水速度加快，造成頂蓋過流表面上局部出現(xiàn)真空值增大，壓力下降。當(dāng)局部壓力下降到一定汽化壓力，水流就會形成大量氣泡。因此，一方面由于氣泡外動水壓力的增大，另一方面由于氣泡內(nèi)水蒸氣迅速凝結(jié)使壓力變得很低，從而使氣泡內(nèi)外的動水壓差遠(yuǎn)大于維持氣泡成球狀的表面張力，導(dǎo)致氣泡瞬時潰裂（潰裂時間約為幾百分之一或幾千分之一秒）。在氣泡潰裂的瞬間，其周圍的水流質(zhì)點便產(chǎn)生極大的流速向氣泡中心沖擊。再加上氣泡潰裂時產(chǎn)生的高溫和高壓作用使水流中的氣體對過流部件表面產(chǎn)生氧化腐蝕作用，以及對金屬表面產(chǎn)生的電解作用，加速了前述的機械破壞作用。久而久之，使水輪機頂蓋內(nèi)側(cè)端面被剝蝕成凹痕，直至穿孔。當(dāng)頂蓋材料抗空蝕的性能差時，這樣的空蝕破壞就會更迅速更嚴(yán)重。

3 應(yīng)對頂蓋空蝕采取的措施

（1）在尾水管上設(shè)置補氣閥，定期向尾水管中補入適量的空氣，用以減小尾水管中真空渦帶的真空值。但經(jīng)試驗無明顯效果。這是由于尾水管補氣只能減小尾水管段中渦帶的真空值，對于靠近轉(zhuǎn)輪出口處渦帶的真空值的減小卻沒什么效果。

（2）對于減小轉(zhuǎn)輪出口處渦帶真空值最直接、最有效的措施應(yīng)該是采取主軸中心孔補氣，但由于小型臥式混流式水輪機的主軸為小尺寸的實心軸，主軸中心孔補氣無法實施。

（3）堵塞部分泄水孔。采取堵塞部分泄水孔的措施，可以防止渦帶中心真空向頂蓋內(nèi)側(cè)與上冠端面之間空間的延伸進(jìn)入。但是，部分上冠泄水孔堵塞后，轉(zhuǎn)輪上冠止漏環(huán)縫隙漏水不能順暢地從上述空間排走，便會導(dǎo)致水輪機軸向水推力增加，水輪機推力軸瓦溫度便會增高，甚至有可能超過允許值。堵塞泄水孔個數(shù)越多，對降低頂蓋內(nèi)側(cè)與上冠端面空間中水流的真空值越有利，但水輪機推力軸瓦溫度升高就會越多，如果泄水孔堵塞個數(shù)過少，又要造成上述空間里水流的真空值增大，對解決頂蓋空蝕效果不利。所以，要通過試驗來確定泄水孔堵塞的個數(shù)。

桃園小河一級電站的做法是，在其1號機轉(zhuǎn)輪上先用硬木塞對稱地堵塞了四個泄水孔，對已被空蝕破壞的頂蓋的穿孔用不銹鋼焊條修復(fù)，其余未穿孔的凹痕暫不焊補平，以便繼續(xù)觀察其空蝕減緩情況。本機組經(jīng)這樣處理后，在試運行中發(fā)現(xiàn)水輪機推力軸承溫度較處理前升高了2~4℃，水輪機蝸殼內(nèi)沒有發(fā)生異常響聲，機組運行平穩(wěn)，主軸水封處再聽不到那種“哨子”聲了。持續(xù)運行一年后，將水輪機轉(zhuǎn)輪拆出檢查，轉(zhuǎn)輪上沒有發(fā)現(xiàn)任何空蝕痕跡，而頂蓋內(nèi)側(cè)所涂油漆還未完全脫落，這說明處理后的空蝕進(jìn)行得非常緩慢，獲得較滿意的效果。于是將木塞拔掉，改用鉛將上述泄水孔封閉，并對頂蓋內(nèi)側(cè)用不銹鋼焊條進(jìn)行了全面的補焊打光處理。

經(jīng)上述處理后的1號機運行至今，主軸水封處一直沒有出現(xiàn)那種“哨子”聲，機組運行情況良好。

4 結(jié)語

實踐證明，采取上述措施，對解決小型臥式混流式水輪機頂蓋空蝕問題有如下好處：一是對機組出力基本上無影響；二是不會破壞原水輪機特性，水輪機運行的穩(wěn)定性不會受到影響，不會造成新的空蝕情況，所帶來的副作用小，不會損壞水輪機部件；三是方法簡單易行，且效果顯著。

參考文獻(xiàn)

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