CJA475加强型转轮在大春河一级电站的应用

黄海涛 刘向松

（中国大唐集团公司云南分公司 昆明市 650214）

1 电站基本情况

大春河一级水电站位于云南省新平县水塘镇，地处哀牢山区，引用大春河支流南达河、大麻卡河和邻近流域棉花河水进行水力发电。电站装机2×15 MW，设计水头762.4m，额定出力15.625MW，额定流量2.4m3/s，原机组转轮型号：CJA870-L-185/2× 11.5，电站于2008年11月建成投产。

2 CJA870转轮在运行中出现的问题及原因分析

2.1 CJA870转轮运行出现的问题

原机组A870转轮（型号：CJA870-L-185/2×11.5）在两年的运行过程中，产生如下问题。

2.1.1 1#机转轮运行后出现的问题

（1）转轮运行1年后，水斗头部出现较严重的空蚀破坏。

（2）转轮经过修复，运行10个月之后又发现空蚀破坏的情况，且有多处出现裂纹，并有一个水斗头部出现掉块现象。

2.1.2 2#机转轮运行后出现的问题

2#机转轮运行后，空蚀破坏情况好于1#机，但水斗头部仍存在较严重的空蚀破坏情况。如图1。

图1 2#机转轮空蚀破坏情况

以上原因造成机组出力降低，机组运行存在安全隐患。

2.2 空蚀可能形成的原因

空蚀破坏一般发生在水斗的内表面，在水斗的背面和根部等其他表面也有发生。根据空蚀理论，当水的压力低于其临界汽化压力时，溶于水中的气体（主要是空气）开始集聚，在低压区形成气泡。气泡随水流运动进入水的高压区，当水压超过某一临界压力时，气泡发生溃灭，伴随气泡溃灭产生的微射流和冲击波造成转轮的空蚀破坏，转轮的空蚀与水斗的设计、制造、安装、运行及材料有密切关系。

2.2.1 冲击式水轮机的设计

冲击式水轮机转轮直径、射流直径、流速、喷嘴数、转速和水斗数都直接影响其空蚀系数。

2.2.2 制造问题

水斗的加工质量直接影响其耐空蚀性能，如果水斗的型线加工出现误差，将改变水流状态，引起空蚀破坏。过流表面出现局部凹凸形状，这些部位将成为空蚀源、使后面的部位遭到破坏。冶金和铸造质量也是空蚀的影响因素之一，钢的纯净度高、杂质少、组织致密，其耐空蚀性能好。

2.2.3 安装和运行

冲击式水轮机的安装正确与否直接影响其空蚀性能。如安装出现差错，很可能造成严重的空蚀破坏。冲击式机组的运行应严格限制在允许的范围内，在部分负荷区运行使流态恶化，大大加重空蚀破坏程度。另外，运行中定期检查水斗空蚀破坏情况也很重要。水斗的空蚀破坏程度不是线性增加的，在孕育期内，水斗没有明显的空蚀破坏痕迹，只是表面粗糙度增大，略微“发乌”。在经过孕育期后，空蚀破坏速度将迅速增加。

2.2.4 材 料

冲击式转轮一般采用碳钢、低合金钢和不锈钢制造，选择耐空蚀性能好的材料制造冲击式转轮是提高其抗空蚀性能的重要措施。

2.3 分 析

针对CJA870转轮的以上问题，根据大春河一级电站CJA870-L-185/2×11.5水轮机型号及相关水力参数重新核算后认为：

（1）机组的选型基本正确，转轮直径，射流直径，转速及m=D。/d。的确定，能够保证机组在较优工况下运行，达到设计要求。

（2）由于冲击式水轮机的特殊性，A870型号转轮是专为高水头电站研制的转轮型号之一，其主要优点是背部应力略低；但水斗水力设计时，对头部分水刃缺口部位的设计存在一定问题，型线稍有一点偏差就会产生严重的脱流现象，产生严重的汽蚀。

（3）水斗头部（节圆以外）在采用手工打磨时不能很好地保证型线的准确性，且在选型时也无法确认其空蚀性能的优劣，不能有效地避免，以及由于严重空蚀造成水斗局部强度减弱而形成裂纹和掉块现象。

（4）铸件本身质量问题可能也是引起一部分汽蚀严重的原因。

3 转轮改造实施方案

3.1 更换型号

根据国内很多电站的转轮运行经验显示，A870型号转轮普遍存在严重空蚀现象，拟改用A475型号转轮对其进行改造，根据国内外很多电站的运行经验，A475型号转轮是一个成熟稳定的冲击式转轮型号，在强度、出力和效率等方面均和A870型号转轮相近，但A475型号转轮的抗空蚀性能较好，所以最终选择采用A475背部加强型号对其进行改造。

3.2 更换材质

在更换型号的同时，转轮的材质选用ZG06Cr16Ni5Mo（简称“16-5”）不锈钢。

“16-5”钢近年来越来越多地被应用于水轮机过流部件的制造，该钢种具有良好的综合性能,在国际上被誉为水轮机材料中的模范钢种。

（1）“16-5”钢经过严格、规范的热处理后的微观组织保证了材料的强韧性、疲劳强度；在其韧塑性最佳的状态下，硬度也不低于HB270，反映了该钢种独特的抗泥沙磨损能力；适量的逆变奥氏体可以提高钢的综合性能，降低基体的裂纹敏感性，改善焊接性能。

（2）相同条件下的空蚀性能试验对比，“16-5”钢的抗空蚀能力明显是以往水轮机材料低碳不锈钢ZG06Cr13Ni4Mo(“13-4”)的1.3倍。

（3）优良的断裂韧性。

“16-5”钢断裂力学JIC和KIC测试结果见附表。

附表 “16-5”钢断裂力学JIC和KIC测试结果

上述断裂力学实验是选用该钢种含碳量上限（0.05%～0.06%）的试块进行的，可以看出，该钢种具有优良的断裂力学性能。

（4）“16-5”钢的焊接性能良好，可施冷焊。实际生产中，曾在-15℃的温度下对该钢种转轮进行补焊，焊后检验未发现裂纹。

综合以上几方面分析及产品实际应用证明：“16-5”钢的抗泥沙磨损、抗空蚀能力和水下疲劳性能均优于其他水轮机用钢种。再通过VOD真空精炼，保证铸件内部质量有效地减缓空蚀现象。

3.3 增加强度

在相同条件下，A870转轮与背部没有加厚的A475转轮相比，应力低17%，即A870转轮可以比背部未加厚的A475转轮使用在更高的水头（或更大的出力），但是由于冲击式水斗型线对水力性能影响的特殊性，水斗背面（主要是节圆以内的根部，即应力最大的部位）是可以根据转轮结构情况适当加厚的，在A475转轮背面加厚的情况下，A475的抗应力水平就可以大大提高，这个转轮在国外已经用在单机容量为257MW、水头1126m的电站上。因此，在保证转轮毛坯铸造质量的情况下，这个转轮用在大春河一级水电站，强度上是没有问题的。

3.4 提高转轮的加工水平

为了更好地保证冲击式转轮的型线，防止主要工作面因型线的误差造成空蚀破坏等现象，转轮水斗节圆外的部位加工采用CNC（数控）插补原理，使用计算机辅助制造软件，经过精确的计算，配合高精度的数控机床，更好地保证了加工几何尺寸的精确性、各个水斗的尺寸一致性以及过流部分优秀的曲面反光度，从而有效减少因型线加工误差导致的空蚀、气蚀的破坏，延长使用寿命并保证其水力性能。见图2。

图2 提高转轮的加工水平后示意图

4 改造后状态

改造后的A475加强型号转轮经过1年多的运行，经检查没有出现空蚀现象（图3），且运行效果很好，机组振动变小，出力有所提升，减少了转轮的修复、运行维护等费用，延长了转轮的使用寿命，达到了改造的预期目的。

图3 改造后的A475加强型号转轮

5 结 论

通过这次改造后的状态再次印证了CJA475转轮这种原本应用于600m以下水头的转轮，通过更换材质、提高加工工艺及背部加强等手段，应用在高水头电站是完全可以适应的，其可靠的运转性能、良好的抗空蚀能力给电站带来了一定的经济效益。

[1]陈昭运，薛伟.冲击式水轮机的空蚀与疲劳断裂[J].大电机技术，2001，（05）.