峡山水库水电站小型卧式混流式水轮机顶盖与叶片气蚀的原因与防范

韩瑞洪 魏淑英

摘要：结合峡山水水电站160Kw小型卧式混流式水轮机顶盖与叶片气蚀的原因，提出了解決顶盖和叶片空蚀问题简单易行、效果显著的相应的几种措施，已达到避免或减缓顶盖和叶片气蚀，有效延长检修周期，发挥机组最佳效益的目的。

关键词：峡山水库水电站160KW机组；小型卧式水轮机；顶盖和叶片气蚀；解决措施

峡山水库水电站小电站共有三台160Kw发电机组，设计水头10米，设计流量1.5。机组于2006年并网运行。机组运行以来，每年除丰水季节的三、四个月外，其余时间水轮机均处于设计工况运行，机组出力平稳，调速器也正常工作。运行八年来，运行状况一直良好。但是，今年在运行过程中，小电站3#机组却发生了顶盖和叶片的气蚀破坏，而且水轮机顶盖和叶片汽蚀破坏强度大，造成了水轮机效率下降，发电效率达不到50%，最后不得不停机检修，打开水轮机顶盖一检查，发现水轮机顶盖及叶片严重气蚀，给电站造成不小的经济损失。那么水轮机气蚀是怎样产生的呢？又如何防范？

水轮机气蚀是流体动力学的一种现象，水体在汽化时产生水泡，这些气泡的形成、发展、溃裂及对过流表面所产生的物理化学作用称之为气蚀，气蚀是水电站运行管理中普遍存在而又突出的技术难题，很多专家在不断的探讨。

一般认为，水轮机气蚀主要是由于其内部水流压力降低引起的。当水轮机中某一局部区域流速增高而压力降低到水的汽化压力时，就会因水的汽化而产生大量气泡。这些气泡进入高水压区时，会被迅速压缩而溃裂，在气泡溃裂时即伴随着发生强大的冲击压力。同时气泡被压缩溃裂时要释放能量，这些热量和冲击压力对金属表面的反复冲击会产生局部高温（可达数百度），加之水流掺气而使气泡中还有一定的气体，就会使金属表面起氧化作用。由于气泡的不断产生和溃裂，使机体受到瞬间的反复的冲击力，当超过材料的抗疲劳强度时，就使机件产生剥蚀，表面产生麻点，甚至在某些部位被穿透而形成空洞。

气蚀初生的压力高低随着水温和水中的含气量多少而不同，水温越高水中含气量越多，汽化压力越大，即水越容易汽化，气蚀也越容易发生。

气蚀按照发生的部位情况，水轮机气蚀可分为四种类型，即叶型气蚀、空腔气蚀、间隙气蚀、其他部位脱落引起的气蚀。根据峡山水库水电站小水电3#机组缺陷的情况来看，是典型的叶型气蚀和间隙气蚀造成的。叶型气蚀是指发生在转轮叶片上的气蚀，混流式水轮机的叶型气蚀主要发生在叶片的背面靠下环处的泄水边附近，在下环处形成空洞深度约3—5mm，面积10cm2—30cm2，连带着顶盖气蚀成同样面积一圈空洞，主要是今年峡山水库的水位比较低，在低水头下运行是比较容易产生气蚀现象的。间隙气蚀是指水流通过狭窄间隙绕过固体凹凸表面时，由于流速局部升高引起局部压力降低形成的气蚀，常发生在水轮机叶片周围，峡山水库水电站小水电3#机组转轮和顶盖之间的间隙稍稍大于设计值，在检修时，发现叶片上有蜂窝状孔洞，由于该部位使用的材质是优质碳钢，所以现象相对严重，需要很长时间和特殊工艺的处理。

峡山水库水电站防止和处理气蚀的措施，除在设计时要选择合理机型（包括叶型、叶片数量、选用的耐腐材料），俺不发生叶型气蚀条件的允许吸出高度来确定水轮机高程外，在运行检修方面主要做好以下工作：

（1）合理拟定水电站的运行方式，避开可能产生严重气蚀的运行工况区域，从有关资料和运行经验来看，水轮机在低水头出力下运行最容易发生气蚀，可以从顶盖的水压表、真空表指针摆动情况，尾水管内部的敲击爆炸声，顶盖内流水炒豆似的杂音等现象判断出规律，尽管避免长期在这种不利工况下运行。为了减轻水轮机的气蚀、振动和提高机组效率，卧式水轮机都规定了最小出力限制，混流式额定出力的50%。

（2）利用大轴补气装置向尾水管送入空气，以破坏尾水管中高真空的水流涡带，保持补水阀正向的畅通和逆止的严密，进行技术改造，提高补气阀内弹簧的抗疲劳能力，特别是洪水期尾水较高，既要保证补气，又要防止倒喷水。大涡轴补气缺点是补气量小，往往不足以消除尾水管涡带引起的压力脉动，同时补气噪音很大。

（3）提高检修工艺水平，对已气蚀坏的叶片，可采用CrL8Ni8系列不锈钢电焊条堆焊，堆焊时要严格控制叶片型线，防止变形，并要保证检修后表面光洁，因为粗燥的表面容易产生气蚀，提高叶片的表面光洁度将减轻气蚀作用。

（4）采用雾气蚀检修工艺方法，经常性小修，由于气蚀破坏的潜伏期较长，气蚀区从初生气蚀到金属表面起毛变暗这一期间，气蚀侵蚀的强度较弱，持续时间长。在此期间，及时检查及处理气蚀痕迹能有效控制气蚀破坏，从而避免气蚀伤痕发展到气蚀凹坑。因此缩短维修周期，采用小修为主的检修方法是实现雾气蚀运行的与运行的有效途径。

（5）在叶片表面刷涂抗气蚀涂料。常用的是环氧树脂、聚酰胺脂、工程塑料等高分子化合物作涂料保护金属表面，其主要优点是降低检修费用，简化检修工艺，延长大修周期，缺点是涂层与金属母材的粘结力较差。

各检修工艺需综合考虑，并不断地借鉴先进技术，才能达到良好的检修效果。

水轮机气蚀现象是一个很大技术难题，在检修和日常维护中把握好以下三点，就可以是水轮机保持良好的运行状态。一是对机组出力基本上无影响的检修工艺；二是不会破坏水轮机原有的特性，水轮机运行的稳定性不够，是造成气蚀的主要原因；三是方法简单易行且效果显著的运行和检修方法，这得需要在检修和运行中慢慢总结和摸索。