中高水头电站水轮机活动导叶表面破坏机理分析

中高水头电站水轮机活动导叶表面破坏机理分析唐宏芬(龙滩水电开发有限公司,广西　南宁　530028)摘　要:以某电站水轮机活动导叶表面破坏情况为例,从空蚀产生的原因以及空化加剧泥沙磨损作用的微观机理两个方面,深入分析水轮机活动导叶表面破坏机理,以及轴根下方鼓包处破坏较为严重的原因,并对其影响因素进行分析,进而提出若干有效减少破坏的措施及相关运行建议。

关键词:活动导叶;空蚀;磨蚀;水轮机中图分类号:T K730.7 文献标识码:B 文章编号:1001-408X (2010)01-0082-041　概述 活动导叶是导水机构的主体,是水力发电机组负荷调节的重要工作部件,通过改变导叶开度以改变流量,同时也起着封水的作用。

另外,活动导叶对于形成转轮能量转换所需的进口动力学型态即速度三角形也起着极为重要的作用。

随着水力机械设计和制造水平的不断提高,混流式水轮机效率和稳定性不断提高,其适用的水头范围也有所拓展。

与此同时,水轮机活动导叶的设计也不断优化,导叶翼型更为精准,厚度也有所减薄。

为满足导叶水力矩要求,一些较高水头的水轮机导叶轴径明显大于其翼型厚度(如图1所示),而为了避免导叶轴根部的应力集中,常常采用导叶轴根部到叶片面光滑过渡的形式,于是,在活动导叶轴根下部形成鼓包。

从许多中高水头电站的运行情况来看,水轮机活动导叶表面破坏是较普遍存在的问题,一些电站运行两个汛期后导叶的高度可减少5～10mm ,造成导叶关闭后漏水严重,甚至危及电站安全运行。

活动导叶表面破坏的部位主要分布在活动导叶的上下端面、叶片和轴根部,导叶叶片表面的磨损主要发生在负压面,整个叶面出现大面积的鱼鳞状,靠出水边处常演化成较深的沟条状,靠近下部出水边处可发生磨缺。

而对于轴根下方有明显鼓包的水轮机活动导叶,鼓包处的破坏最为严重(见图2),常被冲刷出很深的凹坑或沟槽,最深可达15～20mm 。

在此,以某电站水轮机活动导叶表面破坏情况为例,深入分析水轮机活动导叶表面破坏机理,以及轴根下方鼓包破坏严重的原因,并进一步对其影响因素进行分析,进而提出若干有效减少破坏的措施及相关运行建议。

图1　轴径大于翼型厚度的活动导叶简图图2　活动导叶表面及轴根下方鼓包处破坏情况图 收稿日期:2009-11-09;修回日期:2009-11-27作者简介:唐宏芬(1977-),女,湖南永州人,工程师,工学博士,主要从事流体机械及动力工程研究,E -mail :donnathf @ 。

28第29卷第1期2010年2月 红水河HongShui River Vol 129,No 11Feb 120102　活动导叶表面破坏现象描述 某电站机组启动调试期间,72h 试运行前排水进行各部检查,即发现水轮机活动导叶表面有麻点状破坏痕迹,破坏的部位主要在各片导叶负压面轴根下方的鼓包附近,破坏形式类似于被水中的硬物撞击损伤,形成密布于被破坏部位表面的直径2～3mm ,深度0.2～0.3mm 的凹坑,并伴有明显的锈斑(见图3)。

当时机组运行水头比最小水头高6m ,但上游库水位低于死水位约10m ,机组运转时间约为100h。

图3　活动导叶表面及轴根鼓包处破坏情况图 该电站河流泥沙以悬移质为主,多年平均含砂量为1.05kg/m 3,坝址所在地岩层主要为三迭系砂岩、泥板岩。

活动导叶的材料为ZG 0Cr13Ni4Mo ,由于水头较高,水轮机活动导叶轴径明显大于导叶翼型厚度,在导叶轴根下方采用R 1～R 65光滑圆弧过渡,形成了较为明显的鼓包。

由于机组运行时间很短,破坏处形成的凹坑外观也与常见的空化破坏有所不同,厂家人员指出:活动导叶表面破坏可能是由于机组安装过程中遗留在引水钢管及蜗壳内的硬物在水流作用下撞击导叶表面所致。

但此说法无法解释各片导叶相同部位的表面均出现类似破坏痕迹的原因,以及破坏部位为何在导叶上部靠近轴根下方鼓包处的问题。

基于水轮机空化的相关理论,以及关于水轮机泥沙磨损的一些研究成果,我们认为该活动导叶表面破坏现象为空蚀和泥沙磨损相互作用的结果。

下面分别就空蚀发生的原因以及空化和泥沙磨损相互作用机理进行具体分析。

3　活动导叶表面发生空蚀的原因分析 在流动的液体中,当局部区域的压力因某种原因而突然下降至与该区域液体温度相应的气化压力以下时,部分液体气化,溶于液体中的气体逸出,形成液流中的空泡,这一过程称为空化。

空泡随液流进入压力较高的区域时,失去存在的条件而突然溃灭,原空泡周围的液体运动使局部区域的压力骤增。

在空泡溃灭时,会产生极高的压力,并伴随有高温、射流、放电和化学反应产生,如果液流中不断形成、长大的空泡在固体壁面附近频频溃灭,壁面就会遭受巨大压力的反复冲击,从而使固体边壁受到剥蚀破坏,这种现象称为“空蚀”。

图4　固定导叶与活动导叶对称中面压力分布图图5　活动导叶负压面压力分布图 对于混流式水轮机而言,空蚀往往发生在低压区附近的壁面,而发生表面破坏的活动导叶负压面,正是压力较低区域。

图4、图5给出了活动导叶对称中面及其负压面压力分布情况。

从图中可以看38唐宏芬:中高水头电站水轮机活动导叶表面破坏机理分析出,在活动导叶负压面的中部,存在一个基本平行于导叶立面的低压区,该区域流线较密,流速较高(如图6所示)。

图6　活动导叶附近流线分布示意图 对于轴根下方带鼓包的导叶,由于鼓包的存在,流道相对变窄,其附近流线分布受到影响,速度梯度增大,流线更加密集。

由流动的连续性条件和伯努力方程可知,该区域流速相对较高而压力更低。

也就是说,在活动导叶负压面轴根下方鼓包附近将出现一个压力更低的局部低压区。

以上述电站为例,其水轮机活动导叶轴根下方鼓包最大厚度约38mm ,高度约400mm ,受其影响,流道截面积减小约0.7%,即流道内平均流速增大约0.7%,鼓包附近区域流速将明显增大。

相应地,鼓包附近的压降随流速的增大而增大。

该机组调试期间,机组长时间运行于低水头、大流量工况,故流道内流速较高,导叶负压面轴根下方鼓包附近的压降更显著。

活动导叶负压面轴根部鼓包附近局部低压区的存在,使得液体中空泡在该区域固体壁面附近溃灭,是该部位发生空蚀的主要原因。

与此同时,该电站机组启动调试期间机组运行水头虽然满足要求,但上游库水位明显低于死水位,进水口未完全淹没,导致液体中含气量大幅增加,液体中形成空泡的数量也大为增加,这是加剧该区域空蚀破坏的重要因素。

4　空化加剧泥沙磨损作用的微观机理 当含沙水流中同时发生空化时,将极大地强化泥沙磨损,转化成磨蚀。

对于空化加剧泥沙磨损作用的机理,目前还有许多研究工作待开展。

在此,引用英国华威大学李胜才教授提出的一种微观模型(见图7),对空化和泥沙磨损的相互作用机理进行阐述,并对水轮机活动导叶表面破坏的加剧因素进行更为深入的分析。

图7　基于微射流———颗粒相互作用的泥沙加剧磨损微观模型图 对于流体中的泥沙颗粒,如果没有空化发生,则其速度大致等于流体的流速,并以基本平行于壁面的速度迁移,这时泥沙颗粒最多以几十米每秒的速度划过壁面,不会造成明显的破坏。

当避面附近区域发生空化,空泡溃灭的微射流中挟带着不规则形状的泥沙颗粒时,情况会有很大不同。

我们知道,空泡溃灭的微射流是以很高速度射向壁面的,具有非常高的加速度,在它的作用下,泥沙颗粒的运动速度在极短的时间可被加速至几百米每秒,其方向变为与垂直壁面的方向呈一个很小的夹角。

此外,n 方向的惯性力分量将使得泥沙颗粒被裹挟到微射流的中部(如图7(b )所示)。

在被微射流加速时,泥沙颗粒受到一个很强的沿微射流速度方向的拖曳力,同时会受到一个拖曳48红水河2010年第1期力矩的作用(如图7(c)所示)。

如果没有这个拖曳力矩的作用,在重力的作用下,颗粒的尖端趋向于朝向上方,而在这个强大的拖曳力矩的作用下,泥沙颗粒的最尖端总是被推向前的。

在这样的动力机制作用下,泥沙颗粒不仅具有很高的冲向壁面的速度,而且其尖端总是向着壁面的。

于是,泥沙颗粒在空化的作用下,破坏力大大增强,成为一粒粒微小的“子弹”。

随着空泡在壁面附近溃灭,这些“子弹”不断撞击壁面,造成壁面材料的疲劳破坏。

5　结论及建议 由上述分析可知,水轮机活动导叶在很短时间内即发生明显的表面破坏,是空化加剧泥沙磨损作用的结果。

该电站水流中以悬移质为主的微小的砂粒、泥板粒,乃至木屑等,在高速空化射流的作用下,在水轮机活动导叶表面留下类似硬物撞击的损伤。

以下几方面因素的共同作用,导致活动导叶负压面在很短时间内发生明显的表面破坏,且导叶轴根下方鼓包附近破坏较为严重。

(1)活动导叶负压面的中部压力较低,而轴根下方鼓包的存在导致该区域成为压力更低的低压区,形成空化发生的条件。

(2)机组在低水头条件下,特别是上游水位低于死水位的情况下运行,水流中含气量悬移质泥沙颗粒含量增加。

(3)在空化微射流的作用下,泥沙颗粒获得很高的冲向壁面的速度,同时其尖端始终向着壁面,形成极强的破坏力。

(4)空化与泥沙磨蚀相互作用的程度和结果与很多因素有关,如泥沙颗粒粒径、硬度、比重、形状,部件型线、材料性能,液体性能参数等。

可根据具体情况采取一些措施减少其对过流部件的破坏,主要有:①改用硬度更高的材料,提高过流部件的表面光洁度;②尽量减少机组在低水头、大流量工况运行时间,尤其要避免机组在电站上游水位低于死水位的情况下运行;③适当增加导叶数量,进行导叶水力矩校核计算,尽量缩小导叶轴径,减小过渡圆半径,进而减小轴根部鼓包的尺寸。

在进行此项工作时,应对导叶表面附近压力分布情况进行分析,避免在导叶端面附近产生局部低压区,造成破坏区域向导叶端面集中的情况;④采用两侧带裙边的导叶,或对导叶等过流部件的型线进行优化,改善过流部件表面附近的压力分布。

参考文献:[1]　Li S C,“Cavitation enhancement of silt erosion-An en2visaged micro model”WEAR,260(9-10),pp.1145-1150,ISSN:0043-1648,(May2006)[2]　Li S C,Liu S H and Wu Y L,“A New type of cavitationdamage triggered by boundary-layer turbulent produc2 tion”,Morden Physics Letters B,Vol.21,No.20(2007)[3]　杨建明.企业博士后研究工作报告[R].武汉:东方电机股份有限公司,武汉大学,2005.Analysis on Dam age Mechanism of W ater Turbine G uide V ane Surface at Pow er Stations with Mid and High W ater H eadTAN G Hong2fen(LongT an H ydropow er Development Co.,Ltd,N anning530028)Abstract:Damage of turbine guide vane surface is found a common problem in many operating hydropower sta2 tions.Especially for those guide vanes with bulge under the guide vane trunnion,surface near the bulge is usual2 ly most seriously damaged.The paper studies the damage on turbine guide vane surface of a hydropower station, as an example,both from the factors of cavitation and the macro model for cavitation2enhanced silt erosion based on microjet2particle interaction.It explains the dynamic mechanism of guide vane surface damage and gets the reasons why the most serious damage appears near the bulge.Some effective measures and operation suggestion to reduce the damage are given on the basis of analysis on factors of cavitation erosion.K ey w ords:turbine guide vane;corrosion;cavitation erosion;water turbine58唐宏芬:中高水头电站水轮机活动导叶表面破坏机理分析。