水轮机固定导叶气蚀处理新工艺研发与应用

水轮机固定导叶气蚀处理新工艺研发与应用

郑胜楠

贵州中水能源股份有限公司遵义分公司  贵州省遵义市  563000

摘要：随着我国经济水平和科技水平的快速发展，水轮机新型聚合金属混合剂，具有力学性能优、稳定性好、与母材的融合性强、固化时间断和成本低廉的特点，满足水轮机过流部件气蚀处理要求。该工艺与传统的焊接处理工艺相比，具有施工简便、成本低、处理效果好、不产生焊接应力的优点。同时新工艺中的新型聚合金属混合剂具有良好的力学性能，能够有效的抗击水流中泥沙的冲刷破坏作用，可广泛应用于泥沙含量高、沙粒强度大的水电站过流部件防腐蚀涂层，在提高防腐蚀涂层使用寿命的同时，大大降低了水电站的检修维护成本。

关键词：水轮机；固定导叶；气蚀；防腐蚀涂层；金属混合剂

引言

对叶片进行了参数化设计，通过改变叶片部分位置的比例系数，控制水轮机叶片的形状;其与传统的水轮机叶片参数化设计相比，减少了需要的参数个数，也减少了后续优化计算过程的运算量;在设计工况下，优化后的贯流式水轮机的水力效率提高了2.5%，叶片的压力分布情况得到了有效的提升，叶片的做功能力得到了提高，气蚀性能得到了改善。

1原因分析

对于这种情况的出现，首先考虑的是水轮机固定导叶处卡主异物，异物在水流的冲击下产生振动再带动导叶出现同步振动。为了验证这一说法，根据检修流程对水轮机流道内部分进行了详细检查，结果并未发现任何异物;并且与之相关的各处连接牢固无螺栓松动的情况出现。也就是卡门漩涡导致的水轮机导水机构出现高频振动。对比卡门漩涡出现的机理，基本把问题出现的原因锁定在导叶出现的卡门涡振动，只是要最终确定下来还需要进一步验证;毕竟要处理它是需要在水轮机关键部件上实施破坏的，因此这一步需要特别谨慎。水流绕过物体时，在出水边的两侧出现漩涡，形成旋转方向相反、有规则交错排列的旋涡，进而互相干扰、互相吸引，形成非线型的涡街即卡门涡街。当卡门涡街的冲击频率接近于转动体叶片的固有频率时，将产生共振，物体发生频率比较单一的振动并伴有噪音和金属共鸣音。在分析其数据时发现无论水流速如何，活动导叶及固定导叶的固有频率始终维持不变，但是随着水流速的增加，卡门涡脱开导叶出水边时的振动频率却是在不断非线性增长。也就是说，有向导叶固有频率不断靠近的趋势，并且当水流速接近额定流速时，卡门涡的振动频率保持稳定且与导叶固有频率基本吻合。也就是说，对于本项目的水轮机来讲，理论上分析卡门涡引起的导叶振动这一说法是成立的。

2新工艺的研发

2.1表面处理

用砂轮机、直磨机等对过流部件气蚀部位进行打磨，用丙酮将气蚀坑内的油漆、锈蚀等全部清除，露出金属光泽，用加强型金属零部件清洁剂将表面清洗干净，直至无灰尘杂质留在表面，将表面吹干。用小灰铲把调配好的新型聚合金属混合剂涂抹在打磨处理好的固定导叶表面上，用力下压反复涂抹，使接触所述表面完成浸润，使其填满间隙并排除空气，无气泡后，进行3层涂抹，每层的涂膜厚度约为0.5mm，确保表面平整、光滑后进行修型。

2.2预防性检修

考虑到现场环境较为复杂,在调速器长时间运行期间,受到自身结构老化、外部环境侵蚀干扰等诸多因素影响,偶尔出现拒动、导叶反馈错误等运行故障,进而造成实质性的损失,如干扰水轮机组正常运行、产生一定维修成本、缩短调速器使用寿命等。对此,为预防和减少运行故障的出现,将故障隐患消弭于无形,必须定期开展调速器预防性检修工作,这也被称为大修。工作人员将调速器断电停机,将调速器拆解为电气插件、喷油嘴、截止阀、滤油器等若干部件,清理部件表面的油污与金属粉末等附着物,更换老化磨损严重与变形开裂的零部件,紧固松动部件。随后,待全部零部件检查维护完毕后,将部件按顺序安装为整机,逐项开展紧急停机、导叶开度调整、静特性等试验,唯有在全部试验均通过后,方可将调速器投入使用,完成预防性检修工作。

2.3基于比例节流阀的分段关闭控制装置

人机交互装置触摸屏用于人工设定导叶分段关闭拐点所对应的导叶开度、导叶分段关闭速度。PLC控制器实时采集导叶位置传感器传送的导叶开度模拟量信号，计算并输出比例节流阀模拟量驱动信号，自动控制比例节流阀的流量。比例节流阀根据PLC控制器输出的模拟量驱动信号，按比例控制机械管路的过流量。导叶接力器安装于水车室水轮机接力环旁，机械管路分别连接其两端控制腔，通过控制两端控制腔的压力来控制导叶接力器动作，进而控制接力环的动作和水轮机导叶的动作。机械管路中油流量的速度决定了导叶接力器动作的速度和水轮机导叶动作的速度。机械管路包括带压的送油管路和不带压的回油管路，其上设置比例节流阀和机械回路切换阀组，分别连接导叶接力器两端控制腔、回油箱、压油罐。电气回路包括PLC控制器向比例节流阀输出的模拟量驱动信号回路和导叶位置传感器向PLC控制器传送的导叶接力器位移模拟量信号回路。

2.4水轮机全流道的网格划分

水轮机全流道计算域网格划分主要应用ＩＣＥＭ软件，其操作过程基本一致，主要包括以下步骤：（１）将在ＵＧ１０．０中建立好的各过流部件三维模型保存成ｓｔｅｐ格式。（２）设置好文件的工作目录，在划分网格过程中能够快速的找到文件。（３）本文需要对水轮机进行全流道网格的划分，考虑到各流部件的流动情况复杂程度差异颇大，不同部件对网格的密度要求也大不一样，对于流动较为复杂的转轮，要配以较多的网格数。（４）几何模型导入ＩＣＥＭ，先检查过流部件是否有缺失，修补完整后再进行下一步。Ｂｏｄｙ为了能够确保模型划分完网格之后是一个完整的整体，所以需要先创建一个Ｂｏｄｙ，考虑边界条件设置的需要，还需要创建Ｐａｒｔ。在叶片、导叶等尺寸比较小的区域，为求得比较好的网格质量，需要单独创建Ｐａｒｔ，而且这部分需要设置较小的网格尺寸来确保计算时候精度的要求。（５）为了确保计算精度更高。每个过流部件的网格尺寸需要反复调试才能给定，网格生成完毕后，利用里面的一些润色功能进一步提升网格质量。（６）等所有过流部件的网格划分完成后，再进行组装使之成为水轮机组的全流道网格。

结语

水轮机中水流的压力脉动往往成为了众多学者研究的热门方向。随着科学技术的进步，数值模拟方法的运用也越来越广泛，学者也对水体压力脉动对机组振动的影响做了许多工作，不同单位转速及变流量的边界条件，寻求各种工况条件下的压力脉动分布特点及传播规律。增添了调速器电控系统容错纠错能力，明显提高了相关设备的智能化水平和控制性能。但是在机组前期建模分析及结构设计过程中通过严谨的有限元分析及结构优化(尤其是导叶脱流区域的几何形状优化)可最大限度地降低卡门涡共振出现的可能性。研究成果为设备精益化运行维护提供了有力帮助，为水轮发电机组和电力系统的安全稳定优质运行提供了充分保障。

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