关于混流式水轮机转轮及尾水管气蚀产生的原因及修复

孙甲稳

摘要：当前，我国发电厂水轮发电机组在运行过程中出现了很多问题，尤其是转轮气蚀、裂痕、尾水管气蚀问题，已经影响了发电机组的安全运行，想要有效解决这种问题，需要对导水机构进行更新，对水轮发电机组进行升级改进，对气蚀部位进行检修。本文主要对混流式水轮机转轮及尾水管气蚀产生的原因和修复方法进行阐述，通过科学的气蚀处理和减缓方法，加强机组运行中的控制，以此提高机组性能、运行效率和运行水平。

关键词：混流式水轮机;转轮;尾水管;气蚀

引言：

水轮发电机是水力发电厂的动力来源渠道之一，水轮机转轮是水轮机组的重要组成部分，在发电厂生产建设过程中，因为河流含沙量和输沙量的增加，导致水轮机转轮在运转过程中容易被磨蚀，尤其是混流式水轮机转轮，其成为水轮机组普遍存在的问题。对此，需要我国水电厂加强研究，在有效解决混流式水轮机转轮磨蚀问题的基础上，还需要重点解决尾水管气蚀问题。

一、混流式水轮机转轮及尾水管气蚀产生的原因

（一）混流式水轮机轮转磨蚀破坏

第一，转轮空蚀破坏。转轮机在运转时内部液体压力会在流动或者静止状态下达到一定的限度，最终发生气化，在一定部位中出现小气泡，这些气泡会因为压力变动而在此集聚，这个过程就叫做空蚀。小气泡和水流共同进入到高压状态下会发生聚集，因此此过程压力大、速度快、流动频率高，会促使恒定温度升高，电化学腐蚀会增加，直接导致轮转机材料被破坏，这种空蝕状态下产生的材料破坏成为空蚀破坏。因为转轮机上部的空蚀属于流动液体空蚀，根据其空间性质的不同可以分为间隙空蚀、局部空蚀、翼型空蚀。第二，转轮泥沙磨损。转轮机运行过程中的流通场所会有一定的悬浮泥沙，这些坚硬的泥沙颗粒会在流动过程中撞机流动面，导致流动面出现疲劳磨损。当泥沙在固定方向下对转轮流通面进行持续撞击时，会导致冲击处发生磨损，这时金属材料会脱落，这些长期被磨损的流通面会变得凹凸不平，直接加剧损坏效率。泥沙磨损具体原因如下：磨损时的运行条件，比如混流式流道参数，转轮机运行环境;流道面的材料性质、和弹性、硬度、抗冲击性;含沙水流特点、泥沙硬度和形态、水流速度等。一般情况下，水流含沙量越大，水流速度会越高，泥沙硬度会增强，对转轮机造成的冲击会加大，当转轮机表面材料性质不高时，也会加剧磨损[1]。

（二）转轮磨损外观特点和特征

第一，转轮磨损外观特点。转轮机出现磨损破坏的主要原因是空蚀磨损和泥沙磨损，这两种破坏方式各有不同，泥沙磨损会促使通道面出现各种鱼鳞式的花纹，磨损程度较低的地方会出现小痕迹，磨损严重的地方会有颜色变化，花纹面积大。空蚀破坏性会促使流通面出现海绵絮状，金属构件会出现孔洞，在破坏过程中，这些孔洞会不连续分布，不会影响金属性能，以上这两种破坏形式是交替发生的，因此间接加剧了转轮的气蚀破坏程度。第二，转轮磨蚀特征。混流式磨蚀最严重的部位一般在叶片进入水边靠近下环部位、或者上冠、叶片出水边处部位，磨损严重的部位一般在混流式转轮叶和下环部位的出口和进口位置，随着水流变化磨蚀范围和程度都将不断增加。一般磨蚀会出现三角形状，在此位置处，叶片和下环会同时出现磨蚀，最终导致转轮叶片掉落。叶片在运行时会和环节成为一个直角，在二次回流下形成脱流旋涡，会加剧沙粒的冲击，另外叶片也会受到焊接区和转轮流速的影响，从而加剧磨蚀[2]。

（三）尾水管气蚀问题

水电站水轮机尾水管补气方式是导致尾水管气蚀的主要原因。尾水管补气指尾水平台中补气阀，在自然条件下自动补气，当水电站水轮机组转速过高时，尾水管会出现高旋涡带，导致真空出现。真空因为吸气不均匀导致气阀发生损坏，影响气阀弹簧动作，因为真空气体进入量不足，而破坏真空状态，最终出现气蚀，因此水轮机尾水管出现衬气蚀破坏主要因为真空气蚀导致的，而真空气时和涡带有着直接的影响关系。

二、混流式水轮机转轮及尾水管气蚀修复方法

（一）如何防治转轮磨蚀破坏的方法

第一，加强设计。可以增加转轮的级数，在水头过高的区域可以采用多级转轮进行同时运转;可以设计叶片型式，根据流线进行设计;可以设计止漏环结构，根据下环形状选择科学的结构形式;可以适当的增加叶片数量，叶片数量多可以降低叶片区域正负压差，最终减小背面负压。第二，加强制造。对于转轮断面，需要控制圆滑性;需要优化改进叶片加工工艺，采用现代化的铲、磨数控加工工艺制造叶片;保证流通面材料，一般质地坚硬的材料，抗空蚀性越强，必要时可以财务热喷耐腐蚀的金属材料;抛光处理，通过抛光处理提高叶片表层的光滑度，降低粗糙度，以此降低空蚀程度。

（二）如何处理转轮磨蚀破坏的方法

第一，加强磨时破坏程度测量。在对混流式水轮机进行检修之前，需要对空蚀破坏情况和泥沙磨损情况进行检查，测量金属破坏程度、失重量、破损面积。对于金属破坏程度一般采用探针和钢板对磨蚀深度进行测量;对于金属失重量一般将粘泥根据叶片形状涂抹在金属磨蚀区域，进行计量称重，以上测量的结构可以作为后期检修资料数据进行保存。第二，磨蚀区域处理。对磨蚀区域进行焊补前，需要对磨蚀区域进行处理，以此缩减磨蚀面积，提高精度。一般在确定磨蚀区域后需要对其破损面进行铲削，为了避免此工序影响到后期的打磨和焊补，需要控制铲削深度，以此降低打磨工作量，最终提高焊补质量，降低铲削难度。第三，严格遵守打磨要求。在采用软质砂轮进行打磨焊补时，需要根据设计标准进行，将金属构件表面的粗糙程度降到最低，保证打磨后的转轮叶片形状符合原线要求。打磨深度和长度都需要遵循标准，转轮叶片和样板间的间隙需要控制最小。第四，叶片开口度修整和测量。叶片在进行补焊时，其线型容易受到破坏，导致叶片转经受力不均匀，在运行中会发生振动，影响工作效率，因此需要对叶片开口度进行修整。叶片开口度测量需要根据生产制造时设计图纸标准技术参数进行，技术人员在此过程中需要做好记录，测量一般需要进行两次，便于后期校验。当实际测量数值和允许数值不符时，需要进行处理，一般叶片流面线型出现变动时，可以通过气焊对叶片背面进行烘烤，后使用样板进行压实，确保最终合格[3]。

（三）如何处理尾水管气蚀破坏的方法

第一，尾水管里衬处理。在尾水管里衬气蚀破坏处进行补焊前，需要采用砂轮机将内部的水、油渍和铁锈进行清洁，并采用规格焊条进行补焊，补焊完成后采用砂轮机将其表面进行打磨，并涂刷防锈漆。第二，补气管处理。对于里衬连接处已经断裂的补气管无法进行补焊，因此需要采取以下方法进行处理：去除断裂的补气管，采用钢板制作补气管，进行替换;将气蚀破坏轻微的补气管采用砂轮机进行打磨、补焊，保证其表面光滑;修补补气管进气出的真空破坏阀，并将弹簧力度不高的真空破坏阀及时割除，保证足够的进气量。

三、结束语

综上所述，混流式水轮机转轮磨蚀和破坏问题的解决是一项复杂、长期、技术要求高的工作，其需要从设计方面对其运行、材质、机组、检查处理、处理工艺上进行优化改进，将其作为一项系统性工程进行，确保其中每一个环节都需要符合标准，最终有效解决磨蚀问题。

参考文献：

[1]刘建彬. 混流式水轮机不锈钢转轮气蚀产生原因及修复[J]. 商品与质量，2019，000（002）：111.

[2]王大朋. 混流式混流式水轮机转轮裂纹原因分析及预防措施[J]. 装备维修技术，2019（3）.

[3]王正伟，杨静，罗永要，等. 一种适应高水头，高转速和高含沙量的抗磨损混流式水轮机：，CN110439722A[P]. 2019.