黃海濤 劉向松

（中國大唐集團公司云南分公司 昆明市 650214）

1 電站基本情況

大春河一級水電站位于云南省新平縣水塘鎮(zhèn)，地處哀牢山區(qū)，引用大春河支流南達河、大麻卡河和鄰近流域棉花河水進行水力發(fā)電。電站裝機2×15 MW，設(shè)計水頭762.4m，額定出力15.625MW，額定流量2.4m3/s，原機組轉(zhuǎn)輪型號：CJA870-L-185/2× 11.5，電站于2008年11月建成投產(chǎn)。

2 CJA870轉(zhuǎn)輪在運行中出現(xiàn)的問題及原因分析

2.1 CJA870轉(zhuǎn)輪運行出現(xiàn)的問題

原機組A870轉(zhuǎn)輪（型號：CJA870-L-185/2×11.5）在兩年的運行過程中，產(chǎn)生如下問題。

2.1.1 1#機轉(zhuǎn)輪運行后出現(xiàn)的問題

（1）轉(zhuǎn)輪運行1年后，水斗頭部出現(xiàn)較嚴重的空蝕破壞。

（2）轉(zhuǎn)輪經(jīng)過修復，運行10個月之后又發(fā)現(xiàn)空蝕破壞的情況，且有多處出現(xiàn)裂紋，并有一個水斗頭部出現(xiàn)掉塊現(xiàn)象。

2.1.2 2#機轉(zhuǎn)輪運行后出現(xiàn)的問題

2#機轉(zhuǎn)輪運行后，空蝕破壞情況好于1#機，但水斗頭部仍存在較嚴重的空蝕破壞情況。如圖1。

圖1 2#機轉(zhuǎn)輪空蝕破壞情況

以上原因造成機組出力降低，機組運行存在安全隱患。

2.2 空蝕可能形成的原因

空蝕破壞一般發(fā)生在水斗的內(nèi)表面，在水斗的背面和根部等其他表面也有發(fā)生。根據(jù)空蝕理論，當水的壓力低于其臨界汽化壓力時，溶于水中的氣體（主要是空氣）開始集聚，在低壓區(qū)形成氣泡。氣泡隨水流運動進入水的高壓區(qū)，當水壓超過某一臨界壓力時，氣泡發(fā)生潰滅，伴隨氣泡潰滅產(chǎn)生的微射流和沖擊波造成轉(zhuǎn)輪的空蝕破壞，轉(zhuǎn)輪的空蝕與水斗的設(shè)計、制造、安裝、運行及材料有密切關(guān)系。

2.2.1 沖擊式水輪機的設(shè)計

沖擊式水輪機轉(zhuǎn)輪直徑、射流直徑、流速、噴嘴數(shù)、轉(zhuǎn)速和水斗數(shù)都直接影響其空蝕系數(shù)。

2.2.2 制造問題

水斗的加工質(zhì)量直接影響其耐空蝕性能，如果水斗的型線加工出現(xiàn)誤差，將改變水流狀態(tài)，引起空蝕破壞。過流表面出現(xiàn)局部凹凸形狀，這些部位將成為空蝕源、使后面的部位遭到破壞。冶金和鑄造質(zhì)量也是空蝕的影響因素之一，鋼的純凈度高、雜質(zhì)少、組織致密，其耐空蝕性能好。

2.2.3 安裝和運行

沖擊式水輪機的安裝正確與否直接影響其空蝕性能。如安裝出現(xiàn)差錯，很可能造成嚴重的空蝕破壞。沖擊式機組的運行應嚴格限制在允許的范圍內(nèi)，在部分負荷區(qū)運行使流態(tài)惡化，大大加重空蝕破壞程度。另外，運行中定期檢查水斗空蝕破壞情況也很重要。水斗的空蝕破壞程度不是線性增加的，在孕育期內(nèi)，水斗沒有明顯的空蝕破壞痕跡，只是表面粗糙度增大，略微“發(fā)烏”。在經(jīng)過孕育期后，空蝕破壞速度將迅速增加。

2.2.4 材 料

沖擊式轉(zhuǎn)輪一般采用碳鋼、低合金鋼和不銹鋼制造，選擇耐空蝕性能好的材料制造沖擊式轉(zhuǎn)輪是提高其抗空蝕性能的重要措施。

2.3 分 析

針對CJA870轉(zhuǎn)輪的以上問題，根據(jù)大春河一級電站CJA870-L-185/2×11.5水輪機型號及相關(guān)水力參數(shù)重新核算后認為：

（1）機組的選型基本正確，轉(zhuǎn)輪直徑，射流直徑，轉(zhuǎn)速及m=D。/d。的確定，能夠保證機組在較優(yōu)工況下運行，達到設(shè)計要求。

（2）由于沖擊式水輪機的特殊性，A870型號轉(zhuǎn)輪是專為高水頭電站研制的轉(zhuǎn)輪型號之一，其主要優(yōu)點是背部應力略低；但水斗水力設(shè)計時，對頭部分水刃缺口部位的設(shè)計存在一定問題，型線稍有一點偏差就會產(chǎn)生嚴重的脫流現(xiàn)象，產(chǎn)生嚴重的汽蝕。

（3）水斗頭部（節(jié)圓以外）在采用手工打磨時不能很好地保證型線的準確性，且在選型時也無法確認其空蝕性能的優(yōu)劣，不能有效地避免，以及由于嚴重空蝕造成水斗局部強度減弱而形成裂紋和掉塊現(xiàn)象。

（4）鑄件本身質(zhì)量問題可能也是引起一部分汽蝕嚴重的原因。

3 轉(zhuǎn)輪改造實施方案

3.1 更換型號

根據(jù)國內(nèi)很多電站的轉(zhuǎn)輪運行經(jīng)驗顯示，A870型號轉(zhuǎn)輪普遍存在嚴重空蝕現(xiàn)象，擬改用A475型號轉(zhuǎn)輪對其進行改造，根據(jù)國內(nèi)外很多電站的運行經(jīng)驗，A475型號轉(zhuǎn)輪是一個成熟穩(wěn)定的沖擊式轉(zhuǎn)輪型號，在強度、出力和效率等方面均和A870型號轉(zhuǎn)輪相近，但A475型號轉(zhuǎn)輪的抗空蝕性能較好，所以最終選擇采用A475背部加強型號對其進行改造。

3.2 更換材質(zhì)

在更換型號的同時，轉(zhuǎn)輪的材質(zhì)選用ZG06Cr16Ni5Mo（簡稱“16-5”）不銹鋼。

“16-5”鋼近年來越來越多地被應用于水輪機過流部件的制造，該鋼種具有良好的綜合性能,在國際上被譽為水輪機材料中的模范鋼種。

（1）“16-5”鋼經(jīng)過嚴格、規(guī)范的熱處理后的微觀組織保證了材料的強韌性、疲勞強度；在其韌塑性最佳的狀態(tài)下，硬度也不低于HB270，反映了該鋼種獨特的抗泥沙磨損能力；適量的逆變奧氏體可以提高鋼的綜合性能，降低基體的裂紋敏感性，改善焊接性能。

（2）相同條件下的空蝕性能試驗對比，“16-5”鋼的抗空蝕能力明顯是以往水輪機材料低碳不銹鋼ZG06Cr13Ni4Mo(“13-4”)的1.3倍。

（3）優(yōu)良的斷裂韌性。

“16-5”鋼斷裂力學JIC和KIC測試結(jié)果見附表。

附表 “16-5”鋼斷裂力學JIC和KIC測試結(jié)果

上述斷裂力學實驗是選用該鋼種含碳量上限（0.05%～0.06%）的試塊進行的，可以看出，該鋼種具有優(yōu)良的斷裂力學性能。

（4）“16-5”鋼的焊接性能良好，可施冷焊。實際生產(chǎn)中，曾在-15℃的溫度下對該鋼種轉(zhuǎn)輪進行補焊，焊后檢驗未發(fā)現(xiàn)裂紋。

綜合以上幾方面分析及產(chǎn)品實際應用證明：“16-5”鋼的抗泥沙磨損、抗空蝕能力和水下疲勞性能均優(yōu)于其他水輪機用鋼種。再通過VOD真空精煉，保證鑄件內(nèi)部質(zhì)量有效地減緩空蝕現(xiàn)象。

3.3 增加強度

在相同條件下，A870轉(zhuǎn)輪與背部沒有加厚的A475轉(zhuǎn)輪相比，應力低17%，即A870轉(zhuǎn)輪可以比背部未加厚的A475轉(zhuǎn)輪使用在更高的水頭（或更大的出力），但是由于沖擊式水斗型線對水力性能影響的特殊性，水斗背面（主要是節(jié)圓以內(nèi)的根部，即應力最大的部位）是可以根據(jù)轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)情況適當加厚的，在A475轉(zhuǎn)輪背面加厚的情況下，A475的抗應力水平就可以大大提高，這個轉(zhuǎn)輪在國外已經(jīng)用在單機容量為257MW、水頭1126m的電站上。因此，在保證轉(zhuǎn)輪毛坯鑄造質(zhì)量的情況下，這個轉(zhuǎn)輪用在大春河一級水電站，強度上是沒有問題的。

3.4 提高轉(zhuǎn)輪的加工水平

為了更好地保證沖擊式轉(zhuǎn)輪的型線，防止主要工作面因型線的誤差造成空蝕破壞等現(xiàn)象，轉(zhuǎn)輪水斗節(jié)圓外的部位加工采用CNC（數(shù)控）插補原理，使用計算機輔助制造軟件，經(jīng)過精確的計算，配合高精度的數(shù)控機床，更好地保證了加工幾何尺寸的精確性、各個水斗的尺寸一致性以及過流部分優(yōu)秀的曲面反光度，從而有效減少因型線加工誤差導致的空蝕、氣蝕的破壞，延長使用壽命并保證其水力性能。見圖2。

圖2 提高轉(zhuǎn)輪的加工水平后示意圖

4 改造后狀態(tài)

改造后的A475加強型號轉(zhuǎn)輪經(jīng)過1年多的運行，經(jīng)檢查沒有出現(xiàn)空蝕現(xiàn)象（圖3），且運行效果很好，機組振動變小，出力有所提升，減少了轉(zhuǎn)輪的修復、運行維護等費用，延長了轉(zhuǎn)輪的使用壽命，達到了改造的預期目的。

圖3 改造后的A475加強型號轉(zhuǎn)輪

5 結(jié) 論

通過這次改造后的狀態(tài)再次印證了CJA475轉(zhuǎn)輪這種原本應用于600m以下水頭的轉(zhuǎn)輪，通過更換材質(zhì)、提高加工工藝及背部加強等手段，應用在高水頭電站是完全可以適應的，其可靠的運轉(zhuǎn)性能、良好的抗空蝕能力給電站帶來了一定的經(jīng)濟效益。

[1]陳昭運，薛偉.沖擊式水輪機的空蝕與疲勞斷裂[J].大電機技術(shù)，2001，（05）.