论文部分内容阅读
摘 要 结合电站实例，文章分析阐述了小型卧式混流式水轮机顶盖空蚀的原因和机理，提出了解决顶盖空蚀问题简单易行、效果显著的相应措施，以达到避免或减缓顶盖空蚀，有效延长检修周期，发挥机组最佳效益的目的。
关键词 卧式水轮机 顶盖空蚀 处理措施 小河一级电站
中图分类号：TK733.1 文献标识码：A
空化与空蚀现象是反击式水轮机在运行中产生的一种特殊现象，它对水轮机及其运行产生了极为不利的影响。空蚀通常是造成水轮机的转轮、导叶、转轮室和尾水管等通流部件，主要是转轮的破坏。但在贵州道增桃园小河一级电站装设的小型卧式混流式水轮机中却发生了顶盖的空蚀破坏，而且水轮机顶盖空蚀破坏强度大，造成顶盖大量漏水，水轮机效率下降，最后不得不停机检修，给电站造成不小的经济损失。
1 空蚀情况
贵州桃园小河一级电站装机容量为2€?600，设计水头103，设计流量1.7，水轮机型号为HLA550-wj-68。机组于2008年并网运行。机组投入运行以来，每年除丰水季节的三、四个月外，其余时间水轮机均处于非设计工况运行，尾水管中的真空值相当高，且噪音较大。但机组振动轻微，出力平稳，调速器也工作正常。运行接近两年时，就发现水轮机顶盖有细小穿孔而漏水，运行到两年半时间，顶盖就有几处较大穿孔，最大孔径约为13，漏水量大增。停机检修拆下水轮机尾水弯管和转轮后发现，尾水管没有明显的空蚀破坏情况，但顶盖内侧面上有很多空蚀凹痕，空蚀凹痕主要分布于顶盖内侧靠近蜗壳的外圈区域，凹痕深度约为8~12 ，许多凹痕都处于接近穿孔状态，有3处已穿孔。
2 空蚀原因分析
桃园小河一级电站利用的龙洞水发电，电站无调节库容，因此一年中流量变化很大。该电站在设计上不合理，原设计该电站装机容量为3€?600 ，1、2号机安装投入运行后发现电站流量无法满足两台机组的需要，后取消了3号机的方案，改为只安装两台机组。两台机组运行也只有接近四个月时间。流量可以达到水轮机的设计流量值，其余时间中，平均流量只有额定流量的30%~40% ，水轮机长期处于低负荷的非设计工况运行。
水轮机在低负荷的非设计工况运行时，转轮出口水流具有一定的正向圆周分速度 ，在此圆周分速的作用下，水流从转轮流出时旋转，于是自转轮出口至尾水管中产生形成真空涡带。涡带是由许多小涡管汇集而成，其中心为负压，当涡带中心出现的负压小于汽化压力时，水流会产生空化现象。而涡带又是以低于水轮机转速的频率在尾水管中旋转，当涡带周期性地与尾水管壁相碰，就会造成尾水管管壁空蚀破坏，幷引起水流压力脉动，导致机组产生振动和噪音，这就是所谓的空腔空蚀。
桃园小河一级电站的水轮机长期运行在30%~40% 额定功率的低负荷工况上，尾水管中具备产生真空涡带的条件。为什么该水轮机又没有产生尾水管空蚀和机组振动的空腔空蚀的典型破坏特征呢？这是因为水轮机的空腔空蚀与水轮机的运行工况有着密切的关系，涡带的形态是随工况变化而变化的，在某些低负荷工况区域运行时，如水轮机在额定功率以下的低负荷工况区域运行时，虽然尾水管中存在大尺寸的真空涡带，但涡带形状基本稳定，涡带沿尾水管轴线延伸，就不会产生空腔空蚀。该电站水轮机尾水管中真空涡带是必然存在的，运行中尾水管中的噪音和尾水管真空值也证明了水轮机尾水管中真空涡带的长期存在。
由于上述真空涡带的存在，靠近转轮出口的涡带中心的真空会通过转轮上冠的泄水孔而延伸进入水轮机转轮上冠端面与水轮机顶盖内侧端面之间所形成的一狭窄空间内，使这一狭窄的空间形成真空（因此也就导致主轴水封处经常听到一种喝气的尖哨声）。由于该狭窄空间内真空的存在，转轮上冠止漏环缝隙两端压差增大，使得止漏环缝隙处的漏水速度加快，造成顶盖过流表面上局部出现真空值增大，压力下降。当局部压力下降到一定汽化压力，水流就会形成大量气泡。因此，一方面由于气泡外动水压力的增大，另一方面由于气泡内水蒸气迅速凝结使压力变得很低，从而使气泡内外的动水压差远大于维持气泡成球状的表面张力，导致气泡瞬时溃裂（溃裂时间约为几百分之一或几千分之一秒）。在气泡溃裂的瞬间，其周围的水流质点便产生极大的流速向气泡中心冲击。再加上气泡溃裂时产生的高温和高压作用使水流中的气体对过流部件表面产生氧化腐蚀作用，以及对金属表面产生的电解作用，加速了前述的机械破坏作用。久而久之，使水轮机顶盖内侧端面被剥蚀成凹痕，直至穿孔。当顶盖材料抗空蚀的性能差时，这样的空蚀破坏就会更迅速更严重。
3 应对顶盖空蚀采取的措施
（1）在尾水管上设置补气阀，定期向尾水管中补入适量的空气，用以减小尾水管中真空涡带的真空值。但经试验无明显效果。这是由于尾水管补气只能减小尾水管段中涡带的真空值，对于靠近转轮出口处涡带的真空值的减小却没什么效果。
（2）对于减小转轮出口处涡带真空值最直接、最有效的措施应该是采取主轴中心孔补气，但由于小型卧式混流式水轮机的主轴为小尺寸的实心轴，主轴中心孔补气无法实施。
（3）堵塞部分泄水孔。采取堵塞部分泄水孔的措施，可以防止涡带中心真空向顶盖内侧与上冠端面之间空间的延伸进入。但是，部分上冠泄水孔堵塞后，转轮上冠止漏环缝隙漏水不能顺畅地从上述空间排走，便会导致水轮机轴向水推力增加，水轮机推力轴瓦温度便会增高，甚至有可能超过允许值。堵塞泄水孔个数越多，对降低顶盖内侧与上冠端面空间中水流的真空值越有利，但水轮机推力轴瓦温度升高就会越多，如果泄水孔堵塞个数过少，又要造成上述空间里水流的真空值增大，对解决顶盖空蚀效果不利。所以，要通过试验来确定泄水孔堵塞的个数。
桃园小河一级电站的做法是，在其1号机转轮上先用硬木塞对称地堵塞了四个泄水孔，对已被空蚀破坏的顶盖的穿孔用不锈钢焊条修复，其余未穿孔的凹痕暂不焊补平，以便继续观察其空蚀减缓情况。本机组经这样处理后，在试运行中发现水轮机推力轴承温度较处理前升高了2~4℃，水轮机蜗壳内没有发生异常响声，机组运行平稳，主轴水封处再听不到那种“哨子”声了。持续运行一年后，将水轮机转轮拆出检查，转轮上没有发现任何空蚀痕迹，而顶盖内侧所涂油漆还未完全脱落，这说明处理后的空蚀进行得非常缓慢，获得较满意的效果。于是将木塞拔掉，改用铅将上述泄水孔封闭，并对顶盖内侧用不锈钢焊条进行了全面的补焊打光处理。
经上述处理后的1号机运行至今，主轴水封处一直没有出现那种“哨子”声，机组运行情况良好。
4 结语
实践证明，采取上述措施，对解决小型卧式混流式水轮机顶盖空蚀问题有如下好处：一是对机组出力基本上无影响；二是不会破坏原水轮机特性，水轮机运行的稳定性不会受到影响，不会造成新的空蚀情况，所带来的副作用小，不会损坏水轮机部件；三是方法简单易行，且效果显著。
参考文献
[1] 常近时.水轮机的汽蚀与振动[M].华北水电学院,1979.
[2] 水力机械的空化与空蚀[M].水力水电科学研究院,1980.
[3] 常近时,寿梅华,于希哲.水轮机运行[M].水利电力出版社,1983.
[4] 水轮机[M].华东水利学院.电力工业出版社,1980.
[5] 刘大恺.水轮机(第三版)[M].中国水利水电出版社,1997.
关键词 卧式水轮机 顶盖空蚀 处理措施 小河一级电站
中图分类号：TK733.1 文献标识码：A
空化与空蚀现象是反击式水轮机在运行中产生的一种特殊现象，它对水轮机及其运行产生了极为不利的影响。空蚀通常是造成水轮机的转轮、导叶、转轮室和尾水管等通流部件，主要是转轮的破坏。但在贵州道增桃园小河一级电站装设的小型卧式混流式水轮机中却发生了顶盖的空蚀破坏，而且水轮机顶盖空蚀破坏强度大，造成顶盖大量漏水，水轮机效率下降，最后不得不停机检修，给电站造成不小的经济损失。
1 空蚀情况
贵州桃园小河一级电站装机容量为2€?600，设计水头103，设计流量1.7，水轮机型号为HLA550-wj-68。机组于2008年并网运行。机组投入运行以来，每年除丰水季节的三、四个月外，其余时间水轮机均处于非设计工况运行，尾水管中的真空值相当高，且噪音较大。但机组振动轻微，出力平稳，调速器也工作正常。运行接近两年时，就发现水轮机顶盖有细小穿孔而漏水，运行到两年半时间，顶盖就有几处较大穿孔，最大孔径约为13，漏水量大增。停机检修拆下水轮机尾水弯管和转轮后发现，尾水管没有明显的空蚀破坏情况，但顶盖内侧面上有很多空蚀凹痕，空蚀凹痕主要分布于顶盖内侧靠近蜗壳的外圈区域，凹痕深度约为8~12 ，许多凹痕都处于接近穿孔状态，有3处已穿孔。
2 空蚀原因分析
桃园小河一级电站利用的龙洞水发电，电站无调节库容，因此一年中流量变化很大。该电站在设计上不合理，原设计该电站装机容量为3€?600 ，1、2号机安装投入运行后发现电站流量无法满足两台机组的需要，后取消了3号机的方案，改为只安装两台机组。两台机组运行也只有接近四个月时间。流量可以达到水轮机的设计流量值，其余时间中，平均流量只有额定流量的30%~40% ，水轮机长期处于低负荷的非设计工况运行。
水轮机在低负荷的非设计工况运行时，转轮出口水流具有一定的正向圆周分速度 ，在此圆周分速的作用下，水流从转轮流出时旋转，于是自转轮出口至尾水管中产生形成真空涡带。涡带是由许多小涡管汇集而成，其中心为负压，当涡带中心出现的负压小于汽化压力时，水流会产生空化现象。而涡带又是以低于水轮机转速的频率在尾水管中旋转，当涡带周期性地与尾水管壁相碰，就会造成尾水管管壁空蚀破坏，幷引起水流压力脉动，导致机组产生振动和噪音，这就是所谓的空腔空蚀。
桃园小河一级电站的水轮机长期运行在30%~40% 额定功率的低负荷工况上，尾水管中具备产生真空涡带的条件。为什么该水轮机又没有产生尾水管空蚀和机组振动的空腔空蚀的典型破坏特征呢？这是因为水轮机的空腔空蚀与水轮机的运行工况有着密切的关系，涡带的形态是随工况变化而变化的，在某些低负荷工况区域运行时，如水轮机在额定功率以下的低负荷工况区域运行时，虽然尾水管中存在大尺寸的真空涡带，但涡带形状基本稳定，涡带沿尾水管轴线延伸，就不会产生空腔空蚀。该电站水轮机尾水管中真空涡带是必然存在的，运行中尾水管中的噪音和尾水管真空值也证明了水轮机尾水管中真空涡带的长期存在。
由于上述真空涡带的存在，靠近转轮出口的涡带中心的真空会通过转轮上冠的泄水孔而延伸进入水轮机转轮上冠端面与水轮机顶盖内侧端面之间所形成的一狭窄空间内，使这一狭窄的空间形成真空（因此也就导致主轴水封处经常听到一种喝气的尖哨声）。由于该狭窄空间内真空的存在，转轮上冠止漏环缝隙两端压差增大，使得止漏环缝隙处的漏水速度加快，造成顶盖过流表面上局部出现真空值增大，压力下降。当局部压力下降到一定汽化压力，水流就会形成大量气泡。因此，一方面由于气泡外动水压力的增大，另一方面由于气泡内水蒸气迅速凝结使压力变得很低，从而使气泡内外的动水压差远大于维持气泡成球状的表面张力，导致气泡瞬时溃裂（溃裂时间约为几百分之一或几千分之一秒）。在气泡溃裂的瞬间，其周围的水流质点便产生极大的流速向气泡中心冲击。再加上气泡溃裂时产生的高温和高压作用使水流中的气体对过流部件表面产生氧化腐蚀作用，以及对金属表面产生的电解作用，加速了前述的机械破坏作用。久而久之，使水轮机顶盖内侧端面被剥蚀成凹痕，直至穿孔。当顶盖材料抗空蚀的性能差时，这样的空蚀破坏就会更迅速更严重。
3 应对顶盖空蚀采取的措施
（1）在尾水管上设置补气阀，定期向尾水管中补入适量的空气，用以减小尾水管中真空涡带的真空值。但经试验无明显效果。这是由于尾水管补气只能减小尾水管段中涡带的真空值，对于靠近转轮出口处涡带的真空值的减小却没什么效果。
（2）对于减小转轮出口处涡带真空值最直接、最有效的措施应该是采取主轴中心孔补气，但由于小型卧式混流式水轮机的主轴为小尺寸的实心轴，主轴中心孔补气无法实施。
（3）堵塞部分泄水孔。采取堵塞部分泄水孔的措施，可以防止涡带中心真空向顶盖内侧与上冠端面之间空间的延伸进入。但是，部分上冠泄水孔堵塞后，转轮上冠止漏环缝隙漏水不能顺畅地从上述空间排走，便会导致水轮机轴向水推力增加，水轮机推力轴瓦温度便会增高，甚至有可能超过允许值。堵塞泄水孔个数越多，对降低顶盖内侧与上冠端面空间中水流的真空值越有利，但水轮机推力轴瓦温度升高就会越多，如果泄水孔堵塞个数过少，又要造成上述空间里水流的真空值增大，对解决顶盖空蚀效果不利。所以，要通过试验来确定泄水孔堵塞的个数。
桃园小河一级电站的做法是，在其1号机转轮上先用硬木塞对称地堵塞了四个泄水孔，对已被空蚀破坏的顶盖的穿孔用不锈钢焊条修复，其余未穿孔的凹痕暂不焊补平，以便继续观察其空蚀减缓情况。本机组经这样处理后，在试运行中发现水轮机推力轴承温度较处理前升高了2~4℃，水轮机蜗壳内没有发生异常响声，机组运行平稳，主轴水封处再听不到那种“哨子”声了。持续运行一年后，将水轮机转轮拆出检查，转轮上没有发现任何空蚀痕迹，而顶盖内侧所涂油漆还未完全脱落，这说明处理后的空蚀进行得非常缓慢，获得较满意的效果。于是将木塞拔掉，改用铅将上述泄水孔封闭，并对顶盖内侧用不锈钢焊条进行了全面的补焊打光处理。
经上述处理后的1号机运行至今，主轴水封处一直没有出现那种“哨子”声，机组运行情况良好。
4 结语
实践证明，采取上述措施，对解决小型卧式混流式水轮机顶盖空蚀问题有如下好处：一是对机组出力基本上无影响；二是不会破坏原水轮机特性，水轮机运行的稳定性不会受到影响，不会造成新的空蚀情况，所带来的副作用小，不会损坏水轮机部件；三是方法简单易行，且效果显著。
参考文献
[1] 常近时.水轮机的汽蚀与振动[M].华北水电学院,1979.
[2] 水力机械的空化与空蚀[M].水力水电科学研究院,1980.
[3] 常近时,寿梅华,于希哲.水轮机运行[M].水利电力出版社,1983.
[4] 水轮机[M].华东水利学院.电力工业出版社,1980.
[5] 刘大恺.水轮机(第三版)[M].中国水利水电出版社,1997.