水轮机汽蚀修复与防护措施.docx

水轮机汽蚀修复与防护措施黄育敏 1，张雨霖 2（江西三和江口水电厂 ，江 西 新 余 338025）摘 要 ：介绍了江口水电厂水轮机汽蚀现状 ，在分析汽蚀原因的基础上 ，有针对性地引用新设备 、新 技 术 ，选 用 高 效 、新 型 转 轮 ，并 采 用 合 理 、有效的修复技术对转轮室进行修补 ，达到了避免或减轻汽蚀 ，提高机组效益及运行安 全 的 目 的 。关 键 词 ：水 轮 机 汽 蚀 ；修 复 与 防 护 ；措 施中 图 分 类 号 ：TK730.8文 献 标 识 码 ：BAbstract: According to the analysis on hydraulic turbine cavitation, new type high -efficiency runner is adopted. Also,repair material is used to prevent or alleviate cavitation and enhance the unit efficiency.Key words: hydraulic turbine cavitation; repair and countermeasure; measurement大，压力降低而产生汽蚀 。主要发生在叶片外缘与转轮室内缘与轮毂边缘等区域 。 2000 年 10 月 份 ，1 号 机 大 修 时 发 现 5 块叶片外缘都有局部穿透的现象 。引言江口水电厂装有轴流定桨式水轮机 2 台 ， 轴 流 转 桨 式 机 组 2 台 ，原 设 计 水 头 为 1719.5 m，额 定 出 力 为 8 800 kW。 由于移民等原因 ，水库水位一直没 有 蓄 上 去 ，电站水头经常 运 行 在 13.516.5 m 之 间 ， 机组长期处于非设计工况下运行 ， 加上吸出 高 度 等 原 因 ，造成水轮机汽 蚀 严 重 ，直接影响机组的出力 、 效率和稳定 。0转轮室的汽蚀严重 ，有时在转轮室 形 成 一 圈 宽 80160 mm，深 320 mm 的 汽 蚀 带 ，在 Y、-Y 方 向 结 合缝 分别出现一条汽蚀区 ，尤 其 是 Y 方 向 的 汽 蚀 ，深度 达 20 mm，面 积 40010 mm2，已穿透转轮室的钢 板，可见混凝土 。1.3空腔汽蚀在非最优工况时 ， 水流在尾水管中 发 生 旋 转 形 成一种对称真空涡带 ， 引起尾水管中水 流 速 度 和 压力脉动 ，在尾水管进口处产生汽蚀破坏 ，造 成 尾 水 管 振动。1汽蚀的现状根据汽蚀在水轮机中发生部位的不同 ， 一 般 有翼型汽蚀 、空腔汽蚀 、间隙汽蚀和局部汽蚀四种 。从江口水电厂水轮机汽蚀情况来看 ， 翼 形 汽 蚀 和间隙汽蚀现象较严重 ，空腔汽蚀和局部汽蚀轻微 。1.1翼型汽蚀局部汽蚀在过流部件凹凸不平因脱流而产生的汽蚀 。1.4汽蚀原因分析水轮机产生汽蚀的主要原因与水流的流速 、方 向、金属材料的性能 、检修的工艺和运行 小 时 等 因 素 有关。从江口水电厂汽蚀原因分析来看 ，重点表现在 以下方面 。1）水轮机不能满足轮叶形状 、实际工况要求 。 水 轮机原设计水头为 19.5 m，额定出力为 8 800 kW。 但由于水库水位一 直 没 有 蓄 上 去 ， 机组大多运行在 2主要是由于轮叶翼型的形状所引起的 ，主 要 发生在叶片背面靠近出水边的区域 。 有的叶片 出 现 裂纹，有的叶片背面出水边出现蜂窝状孔洞 ，深 度 达 为310 mm，面 积 910240 mm2，严重时出水边较薄的 地方就会穿孔 ，叶片汽蚀变形严重 ，造成机组 运 行 时振动大 ，上导空载摆度曾达 50 道，运行效率低下 。1.2间隙汽蚀当水流通过间隙和较小的通道时 ， 局部 流 速 增收 稿 日 期 ：20080613作 者 简 介 ：黄 育 敏 （1972），男 ，江西三和江口水电厂商务运行部副总经理 。 24 江 西 电 力 第 33 卷 2009 年 第 1 期汽蚀防护裙边及加裙边后的性能保证 。 由于原机组在运行中间隙汽蚀严重 ， 水电厂非常希望采取 必要措施进行防护 。 水科院在裙边防护方面已进行 过多次模型试验及实际应用 ，积累了丰富的经验 。因此， 在 2 号机改造中我们在叶片外缘背面采用了等 厚的汽蚀保护边一裙边 。根据长期的试验研究 ，裙边对于由间隙漏水引起的逆旋水流对叶片外缘背面的 汽蚀有一定的保护作用 ，可大大延长大修周期 ，但会 造成水轮机效率一定程度的下降 。 从长远考虑和综 合分析 ，加裙边还是经济实用的 。提高制造工艺水平 。 转轮叶片铸造与加工后的 型线尽可能与设计木模图一致 ， 保证原型和模型水 轮机几何相似 ， 减少由于制造上型线误差较大而加 剧水轮机汽蚀 。转 轮 体 材 料 为 ZG20SiMn，叶 片 数 量 为 5 片 ，叶 片材料为 ZG06Cr13NiMn，增强抗汽蚀能力 。2 号机改造采用了高效 、新 型 转 轮 ，使 转 轮 更 适 合电厂的运行条件 ， 提高水轮机效率 ， 增大过流能力，提高出力 ，减轻汽蚀 ，延长大修周期 ，提高运行稳 定性及经济效益 。3.2 运行方式避 开 低 负 荷 、低 水 头 运 行 ，合 理 调 度 ，必 要 时 在 尾水管补气 。3.3 修复13.516.5 m， 对应单位转速为 168.4152.3 r/min，而 ZD587 最优单位转速不足 120 r/min，只 能 在 低 效 率 区 运 行 。 另 外 ，轮 叶 形 状 不 对 、表面不光等原因 ， 加重了汽蚀破坏 。2）水 轮 机的材料一般采用 30 号铸钢或矽锰铸 钢。 轮叶制造材料抗汽蚀性能较差 ，表面不光等 ，产 生的翼型汽蚀将使轮叶 形成蜂窝状孔洞 ，甚 至 轮 叶 击穿而破坏 。3）电 站 开 挖 不 够 ，电站最低尾水位对应的吸出 高度只有-0.5 m，远不能满足出力及空化要求 ，使 转 轮运行条件恶化 。4）常规检修工艺不能完全满足型线及表面波浪 度 、粗 糙 度 的 要 求 ，尤 其 是 经 多次汽蚀及补焊后 ，型 线已无法完全保证 。当然，汽蚀现象是非常复杂的 ，产生汽蚀破坏也 不是单纯某一种作用所致 。3修复与防护措施水轮机汽蚀是困扰着水电厂机组运行和检修的难 题 。 汽蚀破坏水轮机 过 流 部 件 ，其后果直接影响 机组的出力 ，尤其是水电厂增容改造后 ，对局部和转 轮室的汽蚀防护和修复尤为重要 。 叶片均采用不锈 钢 材 料 ，抗汽蚀性能大为提高 ，但 对 转 轮 的 轮 毂 部 分 、转 轮 室 、导叶等部位因 造价原因难以更换 ，仍 然 采用普通铸钢材料 ，这 些部位随着容量的增加汽蚀 破坏有加剧的趋势 （重点表现在转轮室 ）。 对于一台 机组决定是否大修 ，水 轮机的汽蚀程度起着决定性 作 用 ，所以对水轮机过 流部件的空蚀修复和防护技 术显得尤为重要 。防范水轮机汽蚀措施如下 。3.3.1补焊对于转轮室的汽蚀处理 。 首先用气刨将汽蚀部位的蜂窝状铲除 ，用砂轮机打磨平滑 ，然后用不锈钢 焊 条 堆 焊 ，堆 焊 应 均 匀 ，整 齐 平 整 ，再用砂轮机打磨 光滑，焊后将焊缝再进行圆度测量 ，并利用样板对其 进行控制 。对叶片的汽蚀处理 。在进行堆焊时 ，应考虑到叶 片 的 变 形 ，不能进行连续施焊 ，而应考虑间隔施焊 ， 并注意应缓慢冷却 ，处理完后进行叶型校型 ，样板控 制。对于焊缝的处理 ，先 在 裂 缝 的 两 头 钻 10 mm 深 的孔，然后用气刨将裂纹刨掉 、打磨、施焊，打磨光滑即可。3.3.2 利用修复和防护材料修补在上世纪八十年代末 ，曾使用过合金喷镀防护 ，省外以及罗湾等电厂采用了美国 DP-DL 防护 材 料 ， 均未取到满意的效果 。 目前对轮叶 、转轮室 、轮毂以 及水泵叶轮 、 泵体内腔等空蚀进行修复和防护处理 的材料较多 ，其中有些材料具有极好的耐汽蚀性 、耐 腐蚀性能 ，施工工艺也简单 ，容易保证修复质量 。 我设计制造方面合理选型 。 叶型流线设计 ，表面光滑 ，并使用抗 汽蚀的不锈钢材料 。采用合理的设计改善翼型可改进汽蚀性能 。 例如 2 号水轮机所采用的中国水利水电科学研究院水 力机电研究所开发的 5 叶 片 轴 流 定 桨 式 JP502 转 轮 ，改善了叶片头部 ，转 轮 叶 片呈光滑的流线型 ，叶片最大厚度点离头部较近 ，有利于改善流速分布 ，降 低翼型上最大流速 Wmax 的值， 改善了空化及能 量特性。 JP502 转轮基本翼型保持不变 ，但叶片进水边 改变很大 ，特别是轮毂和轮缘处 ，从而造成叶栅稠密度及叶片扭角的变化 ，使转轮最优工况向低水头运 行区偏移 ，与实际水头相适应 。 实践证明 ，翼型设计 得比较合理 ，可以避免或减轻汽蚀 。3.1江 西 电 力 第 33 卷 2009 年 第 1 期25们采用贝尔左纳高分子修复材料应用于转轮室汽蚀修复与防护 ，取得较好的成效 。1）基体表面粗糙化 。 对基体 （汽蚀部位 ）表面粗 糙化处理 ，增大修补材料与基体的接触面积 ，增加粘 合力。 可用气刨枪刨出本体 ，然后进行喷砂处理 ，要 求彻底除锈和氧化皮显 母 体 本 色 ，表面粗糙度至少 75 微米。2）基体清理 。 使用 BELZONA9111 或丙酮 ，用干 净抹布或刷子用力清洗基件表面及附近区域 。3）调料。 等表面干燥后配料 、调料。 调料时尽量 快，以留较多的操作时间 。 注意 BELZONA1311 配料比例和体积比 、重量比之间的区别 。4）敷涂。 先施敷一薄层 ，要用力下压 ，保证与基 体完全有效接触 ，再接着敷第二层 、第 三 层， 每层都要尽力压实 ，保 证不留空隙和气泡 。 应 避 免 温 度 低 于 5 ，相 对 温 度 大 于 90，金 属 表 面 有 潮 湿、有烟气等环境下工作 。天 ，可使大修工期提前 510 天 ，直接经济效益明 显。 同时可减少电焊的劳动强度 ，提高工作率 ，避免电焊烟气对人身的伤害 。另外，能有效地保证型线和 光洁度达到技术要求 ， 避免施焊可能造成叶片变形 的现象 。4结束语1998 至2003 年，江口水电厂分别对四台机组进行了增容改造 ，新型转轮的翼型设计合理 ，且均采用了抗汽蚀不锈钢叶片 ， 叶片汽蚀轻微 ， 基本不用处 理。 贝尔左纳高分子修复材料应用于 1、2、4 号转轮室汽蚀修复 ，修复面抗腐蚀 、耐磨损 ，表面光滑 ，减轻了汽蚀破坏 。高效、新型转轮的使用以及贝尔左纳高 分子修复材料的应用 ， 从根本上解决了水轮机汽蚀 严重的问题 ，提高了水轮机效率和机组出力 。参 考 文 献 ：1 徐 洪 泉 ，沈 祝 平. 江口水电厂轴 流定桨式水轮机增容改造 报 告 R. 中国水利水电科 学研究院水力机电研究所 ，1999,2.2 杨 文 德 ，铃 金 生. ZZ-LH-800 水轮机汽蚀现状及处理方法 简 述 J. 中国水利水电市场 ，2004.5）固 化 及 后 处 理 。对粘泥状料修补的表面 ，如1311 固化后不需要机加工 ， 可在表面固化前 ， 用1341 摸 平 表 面 ，以获得光滑的外表面 。 24h 后 自 然 固化，表面不沾手 ，即可安装其它设备 。采 用修补材料修补比常规处理少用工时 510!（上接第 10 页）结论1）带场畸变外套和自控放电装置的防绕击避雷 针引雷效果明显优于普通避雷针 。2）通 过 大 电 流 冲 击 耐 受 试 验 ，输电线路自控防 绕击避雷针在波形为 4/10 s 幅 值 为 100kA 的 大 电流作用下 ，没有发生变形 、断裂、变色等现象 。3）通 过 微 风 振 幅 试 验 ，在镀锌钢绞线档端各安 装一个防振锤和一个输 电线路自控防绕击避雷针 ， 在200 的技术条件下 ，最大保护档距为 640 m。4）输电线路自控防绕击避雷针功率特性试验表 明 ，试品的五个谐振频 率的分散范围符合国家标准 的 要 求 ，样品的功率特性曲线最大峰 谷 比 大 于 5，五 个 频 率 下 的 分 散 性 为 为 12.82% 、 46.60% 、 40.00%、6.34%和27.52%。4参 考 文 献 ：1 寻 凯 ， 孙 谓 清 . 架空线路防绕击 避雷针实用化技术研究 C. 电 力 科 技发展与节能 中国电机工程学会第九届青 年学术会议论文集下册 ，2006（11）2 舒 先 民 ，敖 德 胜 ，尹 正