长甸电站二号机导叶空蚀原因分析及整形

齐经纬，陈立东

（东北电网有限公司太平湾发电厂，辽宁丹东118000）

1 电站简介

太平湾发电厂长甸电站位于鸭绿江中下游，位于中朝共享水丰电站的右岸（中国侧），距下游太平湾电站29 km。电站总装机150 MW，单机75 MW，为原天津发电设备厂生产的HL-200-LJ-380水轮机。该站额定水头70 m，最大水头93.3 m，最小水头62 m，额定流量为106 m3/s。由于该站为后期兴建，机组取水口比较高，取水口两侧是泥沙堤坝，无混凝土挡墙，当上游水位较低时，大量的泥沙进入机组，加上机组导叶的加工质量问题，使导叶的空蚀量逐年增加。

2 导叶空蚀现状

长站机组为立式混流式机组，共有24个导叶，导叶材质为A3钢。自1989年投运以来，由于导叶加工质量较差，导叶发生了严重的空蚀，尽管其间每次小修都进行检查处理，但空蚀仍逐渐加重，24个导叶都发生了不同程度的空蚀，空蚀的总面积占导叶总面积的1/10以上，导叶空蚀最深处达51 mm，最宽处达105 mm。空蚀发生在导叶压板槽附近，如图1所示。

3 导叶空蚀原因分析

（1）根据空蚀理论，空蚀的发生主要是由液体的空化特性引起的。空化是液体中水动力学的一个现象，是液体的一种物理性质，在任何正常环境下，固体或气体都不会发生空化。空化是液体减压的结果，即控制压力降低的程度可控制空化现象。如果压力降低到使该液体状态变化的临界压力以下，则将产生空化现象。

图1 空蚀位置示意图（单位：mm）Fig.1 Location of the cavitation on the guide vane

（2）从液体动力学的观点，沿一个流道运动的液流中，无论如何，当液体的流速在方向上或数值上由于导流表面使其发生变化，必然同时亦存在压力的变化，因为根据理想的不可压缩液体流线上两点的伯努利方程式：

这个方程式表示单位重量液体沿流线的压能、动能和位能的总和E是保持不变的。如果在液体运动过程中速度提高或液体位置升高而使动能或位能增加，那么根据伯努利方程，在该点的压力就要降低，并且可能达到此种液体相应温度下的汽化压力，使液体能转化为汽态。由于导叶进水边的凸棱、凹槽使水流脱离边界层形成脱流而引起压力下降，使水汽化为汽态，构成空化的必要条件。

（3）同时液体空化的初生与液体的抗拉强度有关。从基本的概念说，空化是在局部压力下降到液体汽化压力及以下瞬间完成，它只是空化开始的必要条件，而不是充分条件。因为要发生空化，液体中首先要滋生空穴（或称空泡），空泡要能得以产生，则液体必须破裂，破裂所需的应力不以蒸汽压力来衡量，而是取决于该温度下液体的抗拉强度。由于液体具有抗拉强度，使得空化开始都必须有大小和延续时间足够的拉应力作用。液体之所以具有抗拉强度是由于分子间的作用力，因而能承受拉力。对于绝对纯洁的水，它的抗拉强度很高，能达到30～150个大气压，在这种情况下是很难发生空化现象的。由于实际中不可能有这样纯洁的水用于水力发电，必然是含有许多杂质的水，这样就对水的抗拉强度产生了极大的影响。由于湿润度这个重要因素将直接影响液体和固体之间的联接强度，即水与导叶的联接强度大大降低，因此空穴（空泡）在导叶表面极易形成，构成了空化的充分条件。

（4）当空化的充分与必要条件具备以后，空泡发育膨胀到可观的尺寸并随水流运动到较高的压力区。一方面受到外界压力的压缩，另一方面也由于它上游面与下游面运动速度的不一致而存在内在撕裂的倾向，当微泡受压缩到一定尺寸使微泡内外不能保持力的平衡时溃裂。在溃裂的瞬息，空泡周围水流有力图充塞此空间的倾向，这种径向内流产生极高的射流速度，形成对固体边界表面的高速冲击，从而对过流表面材料产生极大的破坏作用，这是空蚀发展的初期主因。

（5）当气泡溃裂对导叶的材料产生破坏作用后，加上流沙及水流对材料的剥落作用不断暴露导叶母材的新鲜表面，加速了水对导叶金属材料的电化与化学腐蚀，加重了对母材的破坏作用。

（6）水流中混杂的泥沙降低了水的抗拉强度，在高速水流中，空蚀空泡产生的机率大大增加，再加上气泡的强烈脉动，增加水流的紊流，也加速了泥沙的磨损，空蚀与泥沙磨损的联合作用更加剧了空蚀的严重程度。

在上述几种因素的综合作用下，使导叶发生了严重的空蚀。

根据导叶空蚀发生的部位、特点及空蚀理论，分析导叶空蚀发生的外部原因，主要有如下几点：

（1）导叶的流线型不符合图纸要求，导叶的进水边有凸棱、平台、凹槽及导叶密封压板凸出等现象，如图2所示。

图2 导叶进水边不良工况Fig.2 Unfavorable condition of the guide vane on the water intake side

由于导叶进水边存在着凸棱、压板凸出及凹槽，当高速水流通过这些地方时，在凹槽内凸棱及压板凸出部分的后面等地方产生脱流现象，压力降低，从而发生空化现象，进而空化产生的微泡溃裂。溃裂引发的极高速水流对导叶产生冲击作用，加上泥沙磨损及电化、化学腐蚀作用，对金属材料产生破坏作用，使破坏部位逐渐加深，形成这些部位的空蚀。

（2）导叶的压板槽内发生空蚀现象，主要是由于建站初期，导叶压板螺钉经常被冲刷掉，导叶压板及密封胶条被冲掉一部分或全部，从而在这些部位形成脱流，发生空蚀破坏，如图3所示。后来虽然对导叶压板螺钉进行改进并加以固定，但仍时常发生这种现象，形成恶性循环。

（3）由于导叶压板及密封胶条脱落，机组停机时，这些导叶关闭不严，存在缝隙漏水，漏出的高速水流穿过缝隙进入转轮室时，压力降低，在导叶内侧形成脱流，发生空蚀。

图3 导叶压板槽内的空蚀破坏Fig.3 The cavitation in the platen groove on the guide vane

4 导叶空蚀的处理方法及导叶整形

根据导叶空蚀发生的轻重情况，采取如下两种处理方法。

（1）对于空蚀较轻的导叶，处理方式如下：

①用气刨去掉已经空蚀的蜂窝化组织部分，即把已经空蚀的部分全部刨掉；

②用砂轮或角向磨光机等工具磨去碳化层，露出金属母材；

③用J507焊条堆焊，为了减少大量焊接造成的应力集中及形变、开裂等现象，采用边焊接边锤击，并始终控制焊接部位母材不超过晶变温度；

④全部处理表面应略高于线型表面；

⑤堆焊处理后的导叶上刨床，根据图纸的设计要求，重新加工导叶压板密封槽；

⑥对导叶进水边的凸棱及凹槽进行整形，使其达到图纸要求；

⑦进行钻孔及攻丝，以便安装密封压板及胶条，原设计压板螺钉为M12，为了加强紧固强度，改用M16压板螺钉；

⑧导叶压板原为镀铬结构，现改用不锈钢1Cr13Ni9压板；

⑨导叶密封胶条压板安装后，将不锈钢压板螺丝用不锈钢焊条点焊在压板上，防止压板螺钉脱落导致空蚀发生。

（2）对于空蚀严重的导叶，用气刨及刨床沿导叶高度方向刨出一个宽槽，补焊上一个用40号中碳钢加工的完整的装镶条，这个装镶条两立面及端面的三个方向用J507焊条焊接，焊接的方法及其他工作同上。具体情况如图4所示。

图4 装镶条焊接示意图Fig.4 Sketch drawing of strip welding

应用上述两种方法对全部24个导叶进行空蚀处理及整形工作，处理完毕刷防锈底漆后，回装。

5 结 语

经过上述处理，在以后几次小修检查中没有发现导叶压板及密封胶条脱落现象，导叶空蚀比处理前显著减轻，大大改善了导叶的空蚀状况，为机组的安全运行及提高机组设备质量提供了有力的保障。

为减弱导叶的空蚀程度，提出如下建议：

（1）机组应最大可能地在最优工况下运行，以减轻机组过水部件的空蚀。

（2）应尽量避免机组在低水头下运行，以防止大量的泥沙进入机组，加重过水部件的泥沙磨损及空蚀程度。

（3）在机组取水口修筑混凝土护堤，防止低水头及汛期涨水时泥沙冲入机组，对机组运行产生不良影响。

（4）利用机组大小修时间对空蚀进行检查，发现转轮及导叶空蚀及时处理，应用不锈钢焊条等抗空蚀性能好的材料进行补焊处理，并根据空蚀轻的或无空蚀发生的叶型进行整形处理，补焊后严格打磨光滑平整，并达到高光洁度，以减缓空蚀的破坏。

（5）被冲掉的导叶压板及密封胶条，应及时进行更换，压板螺钉被水冲掉的也应及时安装，并用不锈钢焊条点焊牢固、磨平，防止空蚀发生。

[1]季盛林，刘国柱.水轮机（第二版）[M].1986.