CJA475加強型轉輪在大春河一級電站的應用

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，地處哀牢山區，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電。電站裝機2×15 MW，設計水頭762.4m，額定出力15.625MW，額定流量2.4m3/s，原機組轉輪型號：CJA870-L-185/2× 11.5，電站于2008年11月建成投產。

2 CJA870轉輪在運行中出現的問題及原因分析

2.1 CJA870轉輪運行出現的問題

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

2.1.1 1#機轉輪運行后出現的問題

（1）轉輪運行1年后，水斗頭部出現較嚴重的空蝕破壞。

（2）轉輪經過修復，運行10個月之后又發現空蝕破壞的情況，且有多處出現裂紋，并有一個水斗頭部出現掉塊現象。

2.1.2 2#機轉輪運行后出現的問題

2#機轉輪運行后，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

空蝕破壞一般發生在水斗的內表面，在水斗的背面和根部等其他表面也有發生。根據空蝕理論，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，在低壓區形成氣泡。氣泡隨水流運動進入水的高壓區，當水壓超過某一臨界壓力時，氣泡發生潰滅，伴隨氣泡潰滅產生的微射流和沖擊波造成轉輪的空蝕破壞，轉輪的空蝕與水斗的設計、制造、安裝、運行及材料有密切關系。

2.2.1 沖擊式水輪機的設計

沖擊式水輪機轉輪直徑、射流直徑、流速、噴嘴數、轉速和水斗數都直接影響其空蝕系數。

2.2.2 制造問題

水斗的加工質量直接影響其耐空蝕性能，如果水斗的型線加工出現誤差，將改變水流狀態，引起空蝕破壞。過流表面出現局部凹凸形狀，這些部位將成為空蝕源、使后面的部位遭到破壞。冶金和鑄造質量也是空蝕的影響因素之一，鋼的純凈度高、雜質少、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，在部分負荷區運行使流態惡化，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，水斗沒有明顯的空蝕破壞痕跡，只是表面粗糙度增大，略微“發烏”。在經過孕育期后，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輪是提高其抗空蝕性能的重要措施。

2.3 分 析

針對CJA870轉輪的以上問題，根據大春河一級電站CJA870-L-185/2×11.5水輪機型號及相關水力參數重新核算后認為：

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

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

（3）水斗頭部（節圓以外）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象。

（4）鑄件本身質量問題可能也是引起一部分汽蝕嚴重的原因。

3 轉輪改造實施方案

3.1 更換型號

根據國內很多電站的轉輪運行經驗顯示，A870型號轉輪普遍存在嚴重空蝕現象，擬改用A475型號轉輪對其進行改造，根據國內外很多電站的運行經驗，A475型號轉輪是一個成熟穩定的沖擊式轉輪型號，在強度、出力和效率等方面均和A870型號轉輪相近，但A475型號轉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

在更換型號的同時，轉輪的材質選用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”鋼經過嚴格、規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）優良的斷裂韌性。

“16-5”鋼斷裂力學JIC和KIC測試結果見附表。

附表 “16-5”鋼斷裂力學JIC和KIC測試結果

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。實際生產中，曾在-15℃的溫度下對該鋼種轉輪進行補焊，焊后檢驗未發現裂紋。

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

3.3 增加強度

在相同條件下，A870轉輪與背部沒有加厚的A475轉輪相比，應力低17%，即A870轉輪可以比背部未加厚的A475轉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（主要是節圓以內的根部，即應力最大的部位）是可以根據轉輪結構情況適當加厚的，在A475轉輪背面加厚的情況下，A475的抗應力水平就可以大大提高，這個轉輪在國外已經用在單機容量為257MW、水頭1126m的電站上。因此，在保證轉輪毛坯鑄造質量的情況下，這個轉輪用在大春河一級水電站，強度上是沒有問題的。

3.4 提高轉輪的加工水平

為了更好地保證沖擊式轉輪的型線，防止主要工作面因型線的誤差造成空蝕破壞等現象，轉輪水斗節圓外的部位加工采用CNC（數控）插補原理，使用計算機輔助制造軟件，經過精確的計算，配合高精度的數控機床，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 提高轉輪的加工水平后示意圖

4 改造后狀態

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

圖3 改造后的A475加強型號轉輪

5 結 論

通過這次改造后的狀態再次印證了CJA475轉輪這種原本應用于600m以下水頭的轉輪，通過更換材質、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，其可靠的運轉性能、良好的抗空蝕能力給電站帶來了一定的經濟效益。

[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，2001，（05）.