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[摘要]根据某电站水轮机空蚀的磨损状况，分析了导致空蚀出现的原因。根据水轮机组的时间运行经验，提出了控制水轮机组空蚀磨损的相关对策，从实际运行情况来看，达到了良好的运行效果。
[关键词]水轮机空蚀磨损
中图分类号：TK73 文献标识码：TK 文章编号：1009―914X（2013）31―0051―01
引言
水轮机组在运行的过程中，因为频繁的停、开机，长时间处于低负荷运行状态等问题，导致其运行条件恶化，使得其空蚀与振动情况增加。加之水轮机在运行过程中由于水头边幅较大，高水头低负荷运行问题使得水轮机空蚀问题加剧，严重破坏了水轮机的结构质量，影响了其使用寿命。因此，根据水轮机的运行状况，制定合理的处理对策，对于保证水轮机组的运行可靠性，提高机组的使用效率与运行寿命具有重要意义。
1.某电站水轮机空蚀磨损状况
某电站的机组由于长时间运行工况较差，一直处于地水头大流量、低负荷的运行状况，使得机组的转轮叶片出现了较严重的空蚀磨损问题。从机组投产以来，每次在对机组进行大修时都需要对空蚀进行补焊。随着水轮机组运行时间的增加，累计空蚀破坏导致了空蚀问题日趋严重，补焊周期越来越短。例如，2008年对5号机组进行大修时，叶面的空蚀面积将近9 m2，空蚀最大深度达到50mm。整个叶面的背部出现了一条长达1000 mm，宽350 mm的带状空蚀。将表面刨开之后，其内部充满了空蚀洞。另外，在叶片上冠的多根引水短管都产生了空蚀造成的深坑，其直径在120mm，深度为150mm左右。其他机组的情况与该型机组情况基本类似。而在2010年的大修中，该机组叶片的空蚀面积也达到了8.29m2。而且对转轮进行改造，并使用不锈钢叶片运行5000h之后，同样在叶片处出现了空蚀现象，最大空蚀面积达到了3.5m2。另外，在尾水管同样也出现了空蚀现象，护壁出现脱落等问题。基于此，认为该电站水轮机组的空蚀现象较为严重。
2.导致空蚀的原因分析
2.1 长期处于低水头、大流量运行状态
该电站处于一个以防洪为主要目的的水库中，每当汛期来临时，为了给水库保留足够的防洪库容量，需要对上游水位进行控制。因此，汛期水库成为了径流电站，导致机组长时间处于低水头、大流量的运行状态。这种工作情况使得水轮机的空蚀系数降低，转轮的水流进水角度减小，造成水流在叶片处出现脱流的问题，加剧了机组的空蚀问题。从2008年至2010年，该水库的水量逐年下降，水库长时间处于死水位处，而2号机组由于是带基荷运行，在死水位期间依然处于满开度运行状态，导致该机组的不锈钢叶片出现空蚀现象，每年都需要对之进行补焊。
2.2 水头变幅较大
大变幅的水头同样会导致水轮机组出现空蚀现象。该电站水轮机组的设计最大运行水头为81.5m，最小水头为45．4m，允许水头变幅为36.1m。这时，对应的转速可以从61.1r/min提高至81.6r/min。但是，在实际的运行过程中，最低水头甚至低于设计最小水头，达到了39m。该电站的水轮机组最优运行转速为69r/min，而大变幅的水头使得该机组长期处于严重偏离最优单位转速的运行状态，造成了机组叶轮别面出现空蚀带的问题。
2.3 长时间处于小负荷低单位转速运行状态
水轮机长时间的运行工况对叶轮的空蚀情况有重要影响。由于该电站是该区域电网的主力调峰、调频电站之一，随着整站系统容量的增加，电网峰谷差值不断增加，机组的开停机问题也更加频繁，每年甚至可以达到800次以上。另外，因为电站是电网系统统一调度的，机组复合会随着电网复合的变化而发生对应的变化，导致机组长时间处于低负荷运行区域。从上文分析可知，当机组长时间处于低负荷运行工况时，水流很容易在叶片的进口处形成漩涡、环流、负压面，从而造成脱流现象，使得其在叶片局部出现空蚀现象。
3.应对水轮机组空蚀问题的策略
3.1 合理改善运行条件
所有的水轮机组叶片都有一个适合自身的最有运行区域，若超出其运行区域范围，水轮机组将会出现空蚀现象。在运行过程中，为了减小机组叶片出现空蚀发生的概率，应该对运行工况进行合理选择，在满足电网系统的用电需求情况下，尽量避免水轮机长时间处于低水头大流量、高水头小流量的运行工况，从而合理控制水轮机组出现空蚀的问题。从该电子水轮机组的日常运行情况来看，该电站的4号机组在改造之后，完全按照生产厂家提供的运行特性曲线工作，从2009年改造投产运行之后，其转轮叶片还么有发生空蚀问题。
3.2 合理改造机组叶片结构
在叶片的设计过程中，将其座环设计成为平行式、具有导流环的箱式结构。同时，为了导水机构在导水过程中出现导叶摆动的问题，可以在转臂与导叶之间设置对应的摩擦装置，不采用传统的导叶限定块结构，一定程度上降低了由其造成的在水轮机底环、导叶等区域出现空蚀破坏的概率。另外，在叶片的制造过程中，可以采用电渣熔焊技术进行焊接。
另外，当水轮机处于含沙量大的高水头运行状况时，机组叶片的导水机构受到高速水流的冲击作用，使得其出现明显的空蚀作用。传统设计过程中采用了将螺钉直接连接至底环与顶盖上的抗磨板结构。这样虽然使得检修难度下降，但是将会在长期的运行作用之下出现磨损不均匀的问题。从具体的运行情况来看，通常会在导水机构的导叶分布圆附近出现较为严重的空蚀现象。因此，在设计过程中可以根据流量模拟的方式，针对导叶结构不同区域材料对抗磨板的结构形式进行合理设计，如图1所示。
图1对导叶不同区域采用不同材料的抗磨板结构
3.3 采用先进的加工制造技术
对叶片的压膜曲面，可以采用五轴数控机床进行加工，提高叶片的表面光洁度。同时，在叶片的焊接过程中还应该采用电渣熔焊技术，提高焊接的整体性，增强叶片的整体刚度、强度。另外，对于大型的分瓣转轮焊接，应该将之设置在工地进行，这样可以保证其焊接之后上、下止漏环的加工精度以及加工效率，使得叶片的整体质量达到电站的运行需求，起到降低空蚀发生概率的作用。
参考文献
[1] 郭生柱，张维平，徐新民. 丹江口水力发电厂水轮机空蚀研究[J]. 大电机技术，2004（4）：57-59.
[2] 庞学健. 浅谈我处小水电站水轮机空蚀磨损及防护[J]. 科技资讯，2008（6）：20.
[3] 林其玉，宋文武，符杰. 含沙水中水轮机快速破坏问题的对策研究[J]. 中国农村水利水电，2008（7）：116-118.
[关键词]水轮机空蚀磨损
中图分类号：TK73 文献标识码：TK 文章编号：1009―914X（2013）31―0051―01
引言
水轮机组在运行的过程中，因为频繁的停、开机，长时间处于低负荷运行状态等问题，导致其运行条件恶化，使得其空蚀与振动情况增加。加之水轮机在运行过程中由于水头边幅较大，高水头低负荷运行问题使得水轮机空蚀问题加剧，严重破坏了水轮机的结构质量，影响了其使用寿命。因此，根据水轮机的运行状况，制定合理的处理对策，对于保证水轮机组的运行可靠性，提高机组的使用效率与运行寿命具有重要意义。
1.某电站水轮机空蚀磨损状况
某电站的机组由于长时间运行工况较差，一直处于地水头大流量、低负荷的运行状况，使得机组的转轮叶片出现了较严重的空蚀磨损问题。从机组投产以来，每次在对机组进行大修时都需要对空蚀进行补焊。随着水轮机组运行时间的增加，累计空蚀破坏导致了空蚀问题日趋严重，补焊周期越来越短。例如，2008年对5号机组进行大修时，叶面的空蚀面积将近9 m2，空蚀最大深度达到50mm。整个叶面的背部出现了一条长达1000 mm，宽350 mm的带状空蚀。将表面刨开之后，其内部充满了空蚀洞。另外，在叶片上冠的多根引水短管都产生了空蚀造成的深坑，其直径在120mm，深度为150mm左右。其他机组的情况与该型机组情况基本类似。而在2010年的大修中，该机组叶片的空蚀面积也达到了8.29m2。而且对转轮进行改造，并使用不锈钢叶片运行5000h之后，同样在叶片处出现了空蚀现象，最大空蚀面积达到了3.5m2。另外，在尾水管同样也出现了空蚀现象，护壁出现脱落等问题。基于此，认为该电站水轮机组的空蚀现象较为严重。
2.导致空蚀的原因分析
2.1 长期处于低水头、大流量运行状态
该电站处于一个以防洪为主要目的的水库中，每当汛期来临时，为了给水库保留足够的防洪库容量，需要对上游水位进行控制。因此，汛期水库成为了径流电站，导致机组长时间处于低水头、大流量的运行状态。这种工作情况使得水轮机的空蚀系数降低，转轮的水流进水角度减小，造成水流在叶片处出现脱流的问题，加剧了机组的空蚀问题。从2008年至2010年，该水库的水量逐年下降，水库长时间处于死水位处，而2号机组由于是带基荷运行，在死水位期间依然处于满开度运行状态，导致该机组的不锈钢叶片出现空蚀现象，每年都需要对之进行补焊。
2.2 水头变幅较大
大变幅的水头同样会导致水轮机组出现空蚀现象。该电站水轮机组的设计最大运行水头为81.5m，最小水头为45．4m，允许水头变幅为36.1m。这时，对应的转速可以从61.1r/min提高至81.6r/min。但是，在实际的运行过程中，最低水头甚至低于设计最小水头，达到了39m。该电站的水轮机组最优运行转速为69r/min，而大变幅的水头使得该机组长期处于严重偏离最优单位转速的运行状态，造成了机组叶轮别面出现空蚀带的问题。
2.3 长时间处于小负荷低单位转速运行状态
水轮机长时间的运行工况对叶轮的空蚀情况有重要影响。由于该电站是该区域电网的主力调峰、调频电站之一，随着整站系统容量的增加，电网峰谷差值不断增加，机组的开停机问题也更加频繁，每年甚至可以达到800次以上。另外，因为电站是电网系统统一调度的，机组复合会随着电网复合的变化而发生对应的变化，导致机组长时间处于低负荷运行区域。从上文分析可知，当机组长时间处于低负荷运行工况时，水流很容易在叶片的进口处形成漩涡、环流、负压面，从而造成脱流现象，使得其在叶片局部出现空蚀现象。
3.应对水轮机组空蚀问题的策略
3.1 合理改善运行条件
所有的水轮机组叶片都有一个适合自身的最有运行区域，若超出其运行区域范围，水轮机组将会出现空蚀现象。在运行过程中，为了减小机组叶片出现空蚀发生的概率，应该对运行工况进行合理选择，在满足电网系统的用电需求情况下，尽量避免水轮机长时间处于低水头大流量、高水头小流量的运行工况，从而合理控制水轮机组出现空蚀的问题。从该电子水轮机组的日常运行情况来看，该电站的4号机组在改造之后，完全按照生产厂家提供的运行特性曲线工作，从2009年改造投产运行之后，其转轮叶片还么有发生空蚀问题。
3.2 合理改造机组叶片结构
在叶片的设计过程中，将其座环设计成为平行式、具有导流环的箱式结构。同时，为了导水机构在导水过程中出现导叶摆动的问题，可以在转臂与导叶之间设置对应的摩擦装置，不采用传统的导叶限定块结构，一定程度上降低了由其造成的在水轮机底环、导叶等区域出现空蚀破坏的概率。另外，在叶片的制造过程中，可以采用电渣熔焊技术进行焊接。
另外，当水轮机处于含沙量大的高水头运行状况时，机组叶片的导水机构受到高速水流的冲击作用，使得其出现明显的空蚀作用。传统设计过程中采用了将螺钉直接连接至底环与顶盖上的抗磨板结构。这样虽然使得检修难度下降，但是将会在长期的运行作用之下出现磨损不均匀的问题。从具体的运行情况来看，通常会在导水机构的导叶分布圆附近出现较为严重的空蚀现象。因此，在设计过程中可以根据流量模拟的方式，针对导叶结构不同区域材料对抗磨板的结构形式进行合理设计，如图1所示。
图1对导叶不同区域采用不同材料的抗磨板结构
3.3 采用先进的加工制造技术
对叶片的压膜曲面，可以采用五轴数控机床进行加工，提高叶片的表面光洁度。同时，在叶片的焊接过程中还应该采用电渣熔焊技术，提高焊接的整体性，增强叶片的整体刚度、强度。另外，对于大型的分瓣转轮焊接，应该将之设置在工地进行，这样可以保证其焊接之后上、下止漏环的加工精度以及加工效率，使得叶片的整体质量达到电站的运行需求，起到降低空蚀发生概率的作用。
参考文献
[1] 郭生柱，张维平，徐新民. 丹江口水力发电厂水轮机空蚀研究[J]. 大电机技术，2004（4）：57-59.
[2] 庞学健. 浅谈我处小水电站水轮机空蚀磨损及防护[J]. 科技资讯，2008（6）：20.
[3] 林其玉，宋文武，符杰. 含沙水中水轮机快速破坏问题的对策研究[J]. 中国农村水利水电，2008（7）：116-118.