多沙水域水轮机防水力破坏措施分析

梁 兴，李志红

（南昌工程学院，江西 南昌 330099）

前言

由冲刷磨蚀以及空蚀等现象所造成的水力破坏，对叶片、导水机构、阀门、上冠、底环乃至水工建筑物等水电站过流部件都有一定的危害。受此影响，我国现有水电站，特别是黄河、长江流域的水电站几乎每年都要进行大修。据不完全统计，由磨蚀造成的电能损失达20亿度以上。而且随着老电站机组日益老化、水文水质条件变化，以及新机组单机容量的日益增大，该水力破坏所造成的危害也将随之增加。

这种由多相流绕流诱发的水力破坏现象，已经严重影响到了水电站工作效能以及水能资源的充分开发。从19世纪后期第一例空化现象被发现以来，国内外学者投入了大量的时间和精力，从多相流体力学、材料力学到叶轮设计、加工工艺、材料应用，从理论分析到试验论证，多学科交叉研究，虽然取得了一定成果，但仍然存在一定的问题。本文从工程实际和材料科学出发，分析了水力破坏发生的机理，并从排沙设施、水轮机结构设计及工作参数优化、水轮机铸造用材选择和抗磨蚀涂层等方面进行讨论，并展望了减轻水力破坏损失技术的发展趋势。

1 多相流诱发的水力破坏现象

水轮机水力破坏现象一般被分为两大类：冲刷磨蚀和空蚀。虽然它们都可以归类于多相流诱发的水力破坏，且两者之间也存在着相互促进的作用，但是它们的工作介质、发生机理以及发生部位却不尽相同。

1.1 冲刷磨蚀

水流中挟带着诸如河沙、岩石碎片等固体颗粒，通过转轮等过流部件时，由于这些固体颗粒不断的冲击及切削作用，工作表面很容易出现鱼鳞状或波纹状的划痕，这种现象就是冲刷磨蚀，但是运行在清水中的水轮机叶轮表面，却极少出现这种外貌特征。影响水轮机冲刷磨蚀的主要因素可以总结为表1。

表1 影响水轮机冲刷磨蚀的主要因素

在上述因素中，一般以流速、含沙量、沙粒特性等作为影响磨蚀的关键因素。段吕国[1]等认为在水流的冲刷磨蚀中，含沙量存在着一个临界值，当小于这一临界值时，冲刷磨蚀将随着含沙量的增大而增大，如果大于这一临界值，情况则相反。楚清河[2]等人则通过试验研究了不同含沙量下磨蚀失重量的变化情况，并给出了一个磨蚀失重量与含沙量之间的参考公式：

其中tw为磨蚀的失重量，单位mg，s为含沙量，单位kg/m3。

Finnie[3]在刚性粒子的假定基础上，研究了低攻角下冲刷磨蚀的情况，提出了微切削理论，用经验公式定量表达了冲刷磨蚀率与攻角的对应关系。

GP Tilly[4]则侧重于研究边壁材料，并提出了第二相粒子脱层理论，他认为在实际应用中，边壁的亚表面材料中夹杂着一些硬质颗粒，两相流中固体粒子的连续冲击下，一旦边壁亚表面内所受应力超过某一值，这些硬质颗粒将自动与母体分离，加速磨蚀。

J.GA.Bitter[5]则着眼于边壁材料的屈服强度，认为即便冲刷颗粒能量较小，但是经过长期反复冲刷，也会导致边壁材料产生疲劳裂纹，进而提出疲劳剥落理论。

1.2 空蚀

空蚀与冲刷磨蚀的固液两相流不同，它是一种气液两相流。在水流温度不变的情况下，当内部压力降低到某一临界点后，会发生汽化现象形成空穴，由于水轮机内部流场流速变化剧烈，空穴会在极短的时间内溃灭，形成高速压力波冲击到叶片上，使叶片发生塑性变形、材料脱落等变化，在叶片表面上留下点状、孔状，甚至是蜂窝状痕迹。鲍崇高[6]等人通过试验，验证了空蚀现象常在叶片背面发生，主要原因是叶片背面压力分布不均匀，其低压区易于出现空穴。常见的衡量空蚀的方法见表2。

表2 衡量空蚀的方法

空蚀不仅涉及到了叶片表面的材料因素，比如硬度、抗疲劳性、韧性、表面粗糙度、晶粒尺寸以及耐高温性等特性，而且与水流酸碱性、流场温度、水流含气量、流速等因素有关，同时，气液两相流中是否含有固体颗粒对空蚀的危害也有很大影响。科研人员在空蚀机理方面取得了不少进展。比如，G.Bregliozzi[7]等人研究了在相同空蚀条件下，不同硬度材料的抗空蚀特性，并给出了选材的建议。

1.3 空蚀、磨蚀及腐蚀联合作用

由于水流具有一定酸碱度，而水流中夹带的颗粒，比如粘滞性较强的土壤碎末等，也会带有酸碱性，一旦它们附着在过流部件的表面上，化学腐蚀是难以避免的。更重要的是，Wyler[8]通过试验证实了化学腐蚀和空蚀之间是互相促进的，两者联合作用所造成的破坏要远远大于单独作用所产生的破坏。

从理论上分析，空蚀所产生的高温、水汽及氧，会加快腐蚀速度，而被腐蚀的金属表面受到疲劳破坏时，也更加容易变形、剥蚀。邢文静[9]等人采用失重法、表面粗糙度测量等方法，分析了几种耐磨钢在不同酸性介质中的磨蚀和空蚀情况后，不仅得出颗粒浓度是影响磨蚀程度的关键因素，而且也验证了腐蚀和空蚀相互间的促进作用。

冲刷磨蚀和空蚀的联合作用要比上述讨论的破坏作用更大，有时甚至比直接喷砂还要严重。姜胜利[10]等人通过旋转圆盘仪对多相流破坏行为进行了研究，结果表明空蚀对失重量的影响随含沙量的增加而增大，到达转折点以后，空蚀对失重量的影响趋于稳定。

2 诱发磨蚀和空蚀现象的主要原因

（1）和一些发达国家相比，我国河流含沙量较大，其中黄河（陕县站）多年平均含沙量为36.9kg/m3，居世界第一，辽河（铁岭站）为3.60 kg/m3，长江支流嘉陵江（北碚站）为2.31kg/m3，因此，我国大部分水电站极易受到冲刷磨蚀影响。例如，田庄水电站由于磨蚀作用，转轮叶片出口处缺口掉边，导致水轮机效率仅为设计效率的50%；

（2）在 1990年以前，我国水轮机选型的通用方法是型谱法。由于地理位置的不同，实际运行中的水电站经常偏离其设计工况，甚至不在其设计工况下运行，另外还存在着气候、水文条件的变化及管道效率下降等因素，这导致过流条件恶化，水力损失增大，水轮机性能下降，稳定性较差，极大地增加了空蚀发生的可能性。例如，实测龚嘴水电站2号机组，大修后的平均效率比大修前提高了3.1%；

（3）我国国土面积广阔，各条河流水质条件比如酸碱性等是不同的，水轮机所用材料，特别是耐蚀涂料如果选择不当，可能会加速腐蚀现象。例如，万家寨水电站基本上是清水发电，2号水轮机转轮采用了法国奈尔皮克技术喷涂了聚氨酯涂层，在很短的运行时间内发生了鼓包和严重脱落，但是，采用碳化硅环氧复合涂层的4号水轮机转轮，在运行1949h之后只有局部脱落，大部分是完好的；而没有采用抗磨蚀涂层的1号水轮机转轮在运行13666h后，表面仅有个别轻微空蚀点，转轮型线完好如初。

3 减轻水力破坏的措施

针对水力破坏产生的原因，国内外学者从防止和防护两角度出发，在水轮机运行方式、水电站设计、水轮机结构设计、水轮机主体材料应用以及抗磨蚀涂层等方面，进行了大量有益的探索与研究。现总结如下：

3.1 合理布置水工建筑物，减少过机的泥沙量

布置水工建筑物，尤其是取水口以及冲沙底孔的位置时，应考虑泥沙因素，充分利用地形条件，减少泥沙进入，合理设置排沙设施，选择适当的时间调水调沙。例如，三门峡水电站改变原有排沙方式后，在汛期利用排沙底孔排沙，将过机的泥沙量减少了50%，不仅降低了冲刷磨蚀影响，而且让水轮机可以在汛期满负荷发电，充分利用水能资源。

3.2 优化水轮机结构，提高加工工艺

从磨蚀、空蚀机理中可以看出，运行在含沙水域中的水轮机及其过流部件，作为边壁都是磨蚀、空蚀的一个重要影响因素，特别是水轮机转轮的设计、用材以及加工工艺更是重中之重。近年来CFD计算的发展更是为分析水轮机结构及翼型空化提供了有力的工具。宋海辉等[10]利用 CFD技术模拟了转轮抗空蚀性能，并通过实践证明，验证了经过抗空蚀改造后，水轮机的抗空蚀性能有很大的提高。

在转轮铸造用材上则偏重于选择硬度高、韧性好、质量分布均匀、疲劳极限高、结晶颗粒细的材料，比如马氏体不锈钢 0Cr13Ni4Mo、0Cr13Ni5Mo、ZG06Cr16Ni5Mo等材料。三门峡水电站发电试验表明，ZG06Cr16Ni5Mo铸钢的抗磨蚀性要优于马氏体不锈钢0Cr13Ni4Mo。高云涛[11]等人介绍了刘家峡水电站水轮机抗磨蚀性能，该电站水轮机母材为0Cr13Ni5Mo。张小彬[12]等调整合金成分，通过真空精炼工艺，开发了M-CrNiMo不锈钢，该材料具有较强的抗磨蚀性能，且不易出现裂纹。但是由于加工成本较高，工艺复杂，这类新型材料还有待进一步的研究。

3.3 涂层保护

只要水轮机在含沙水域中运行，至少冲刷磨蚀是必然存在的。因此，水轮机转轮的涂层保护，无论是涂层材料，还是喷涂工艺，一直都是国内外研究的热点，并且已取得了显著成效。喷涂材料有金属、合金、陶瓷、塑料等多种类别。喷涂工艺则由表面刷涂、堆焊、电镀，逐渐发展到火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂等，比如东川电站就采用电镀的方法，在水机表面形成了以稀土铬合金为主的电镀层，硬度高达HV1000，具有较好的抗磨蚀性能。张健生等[13]人跟踪分析了小浪底水电站所采用的聚氨酯涂层和碳化钨硬涂层抗磨蚀、抗空蚀的效果，给出了有益的建议。

另外，吴钢[14]等人采用喷丸工艺以强化水力机械的表面，提高了机械材料的疲劳寿命，且利用 ansys软件进行了数值仿真，并与试验资料验证，得出喷丸工艺的有效性。

4 结语

由于我国河流泥沙含量相对较大，冲刷磨蚀和空蚀现象在水轮机运行中不可避免。但受各水电站工作环境等因素的影响，抗磨蚀抗空蚀措施千变万化，效果也有好有坏。因此，总结磨蚀规律，研究空蚀机理，理清减轻水力破坏的思路，探索抗磨蚀和空蚀的措施，对水电站经济运行具有很大的参考价值和指导意义，对已投产电站来说，发展新型抗磨蚀材料、采用高新喷涂工艺是提高水电站经济运行的有力保障。

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