基于Cordon法的水轮机抗空蚀研究

桂家章，梁 兴

（南昌工程学院，南昌 330099）

前言

自19世纪后期第一例水力机械空蚀现象被发现以来，国内外学者投入了大量的时间和精力，从多相流体力学、材料力学到叶轮设计、加工工艺、材料应用，从理论分析到试验研究，多学科交叉研究，虽然取得了一定成果，但仍然存在一定的问题。目前，水轮机空蚀的机理基本明确，即在水温基本不变时，当流体内部压力降低到某一临界点后，流体将汽化进而形成空穴；当由于水轮机内部流场变化剧烈，空穴会在极短的时间内溃灭，形成高达数百MPa的压力波冲击到叶片上，导致水轮机振动加剧、效率降低，甚至会使叶片塑性变形、材料脱落，在叶片表面上留下点状、孔状、蜂窝状痕迹[1-7]。

但是，水轮机空蚀诱因较复杂，不仅涉及水力因素（水质、流速等）、机械因素（水轮机设计、转轮材料等），还与水轮机工作状态、水电站布置情况以及工作环境等有密切关系，不同水电站水轮机的空蚀诱因往往不尽相同，相同电站不同机组的空蚀原因也可能不同，这无疑增加了空蚀预测及防范的困难。本文以南方某水电站为例，利用cordon法预测空蚀破坏量，并与电站实际做比较，进而分解cordon法，探讨该电站空蚀诱因，因地制宜地制订抗空蚀措施，获得良好的抗空蚀效果，为水电站设计、修护及技术改造提供具有实用性的借鉴意见。

1 工程实例简介

南方某水电站共两台机组，总装机容量 10MW，水轮机型号为HL220-LJ-380，单机设计流量112.0m3/s，设计水头51.0m，最大水头55.2m。水电站运行后，在2005年大修中发现，1号机组叶片背面出现蜂窝状凹坑，面积20cm×12cm，最深达8mm（如图1所示），转轮其他部位也有轻微空蚀痕迹，同时，在设计工况下运行时，机组效率比设计效率也有所降低。显然，该电站水轮机有空蚀现象发生。

2 空蚀破坏预测公式

2.1 空蚀破坏预测

目前预测空蚀破坏的方法相对较少，而且几乎都是经验性的公式。本文采用cordon法。它是通过综合比较北美748台水轮机实测空化特性而获得预测水轮机空蚀失重量的经验公式。水轮机运行八千小时后叶片失重量W（kg），可按式（1）计算。

图1 空蚀痕迹

式中：

K1——水轮机空化强度系数；

d——转轮喉径，m；

水轮机空化强度系数K1，可按式（2）计算：

其中：

式中：

n——空化强度系数K1的影响指数；

v——机组平均流速，m/s；

b——转轮叶片数；

Cf——机组负荷利用系数；

Sa——水轮机的淹没深度，m；

R1——水轮机材料系数；

B——当地大气压力，m。

依据公式（1）、（2）、（3），结合电站实际参数，可预估水轮机1年内失重为162.6kg，而2009年内水轮机实际失重为150kg，两者误差仅12.6kg（见表1）。因此，采用cordon法预估水轮机空蚀破坏不仅可行也可信。

2.2 水轮机空蚀诱因

由于cordon法较好地预测了该电站的空蚀破坏情况，因此可通过分解cordon法分析该电站的空蚀诱因。由cordon法可知，影响空化系数K1的主要因素是：平均流速、叶片数、负荷利用系数、淹没深度、材料系数和当地大气压。排除水轮机设计因素（平均流速、叶片数等）和当地气压等不可变因素之外，该电站空蚀的影响因素如下：

表1 水轮机空蚀失重损失预测对比表

（1）转轮材料。该电站转轮采用ZG45碳钢铸造，ZG45碳钢韧性和塑性较好，便于铸造，但是材质较软。在cordon法中，ZG45碳钢的材料系数仅为2.8，比不锈钢的材料系数 4.5或碳钢表面加不锈钢堆焊层的材料系数3.8小一些。显然，ZG45碳钢抗空蚀性能较差。这是水轮机空蚀严重的一个重要原因。

（2）下游淹没深度。空蚀发生的必要条件就是水轮机过流流体压力较低，引发空穴产生。水力机组运行时的实际吸出高度直接影响着过流流体压力，而吸出高度又与下游尾水位的淹没深度密切相关。研究表明[1]，吸出高度较大时，水轮机发生空蚀的几率也将增大。本文所研究的电站允许吸出高度为0.75m，而在电站的运行中，实际吸出高度均值为 0.86m，最高达到1.02m。过高的吸出高度也是诱发该电站水轮机空蚀的原因之一。

（3）负荷利用系数。水轮机满负荷运行时间与全年正常运行时间之比为负荷利用系数，它也能反应机组出力对空化空蚀的影响。研究表明[1，3]，长期运行的水轮机其空化特性最优的负荷范围约为满负荷的75%，过高或过低的负荷利用系数都将导致水轮机叶片空蚀几率增大。

2.3 水轮机抗空蚀措施

针对上述空蚀诱发因素，可采用如下有针对性的抗空蚀措施：

（1）制订合理的运行方案，减小吸出高度。根据电站当地水文水质条件，以季度为单位，基于上下游水位波动情况，在确保发电量的前提下，制订合理的运行方案，力求降低实际吸出高度，减小 Cf，减小空蚀发生率。

（2）健全检修制度，及时检修。虽然此电站转轮材质较软，抗空蚀能力差，但基于经济性考虑不宜直接更换转轮。因此，健全检修制度异常重要。在总结电站实际检修经验的基础上，利用cordon法预估空蚀发展过程，合理制订检修计划，及时检修，定期补焊，不仅可以减少检修时间，延长转轮使用寿命，同时也提高了电站经济效益，保证电站安全运行。

（3）转轮补焊。对转轮空蚀部位补焊时，宜选择新型抗空蚀磨蚀的不锈钢焊条，比如OCr13Ni4～6Mo不锈钢焊条，它适用于母材是碳钢的机械设备，具有易焊接、易加工、抗空蚀性及抗裂性等优点，且已经被应用于国内多个大中型水电站中。

（4）涂层保护。为进一步增强水轮机抗空蚀性能，可对水轮机进行涂层保护。常见的喷涂材料有金属、合金、陶瓷、塑料等多种类别。喷涂工艺有表面刷涂、堆焊、电镀等多种方法，近年来还出现火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂等方法，比如东川电站就采用电镀的方法，在水机表面形成了以稀土铬合金为主的电镀层硬度高达HV1000，获得了较好的抗空蚀性能[8-10]。电站可采用电镀方法。

电站采用上述抗空蚀方法后，2011年空蚀破坏失重量仅60kg，机组空蚀破坏情况得到了明显改善。

3 结论

空蚀机理简单但诱因较多，所采用的抗空蚀措施也千变万化，效果也有好有坏。因此，总结检修经验，采用cordon法研究空蚀机理，明确空蚀诱因，有针对性地选择抗空蚀措施，对水电站经济运行和技术改造具有很大的参考价值和指导意义。对已投产电站来说，发展新型抗磨蚀材料、采用高新喷涂工艺是提高水电站经济运行的有力措施。

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