浅析某多泥沙水电站水轮机防磨损选型设计

2014-02-28，

四川水利 2014年4期

关键词：导叶转轮过流

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(1.中国水电建设集团四川电力开发有限公司，成都,610041；2.中国水利水电第四工程局有限公司，西宁,810007)

1 工程概况

某水电站位于新疆柯尔克孜自治州乌恰县吾合沙鲁乡的克孜勒苏河流域，为克孜河规划2库6级开发方案中的第二个梯级，采用引水式开发，电站装机容量4×12.5MW。电站最大水头53m，最小水头40m，加权平均水头48.15m，额定水头45m。

水电站坝址多年平均含沙量6.2kg/m3，多年平均悬移质输沙量1174万t，多年平均推移质输沙量58.7万t，多年平均输沙总量为1233万t。其坝址多年平均悬移质输沙率、多年平均含沙量及悬移质泥沙样本颗粒级配和矿物成分见表1～表3。

表1 表1坝址多年平均悬移质输沙率、多年平均含沙量

表2 坝址悬移质泥沙样本颗粒级配

表3 坝址悬移质泥沙样本矿物成分

该电站所在河流泥沙含量高，棱角分明且石英含量高，相对硬度大，不可避免地将对水轮机过流部件造成磨蚀。因此水轮机选型中需要充分考虑泥沙含量大的特点，提出经济可行的抗磨蚀措施。在本电站水轮机选型设计的过程中，应重点研究水轮机防泥沙磨损问题，提出合理的抗磨损措施，同时保证运行稳定性。

2 水轮机防泥沙磨损的主要措施

为防止和减轻泥沙对水轮机过流部件的磨损，根据我国水轮机制造厂多年来设计、制造多泥沙电站水轮机设备的经验及教训，除了建议水工应考虑沉沙、冲沙结构外，水轮机转轮的选型、过流部件的设计和制造应当作为首要任务和重点工作，具体措施如下：

2.1 选用空蚀性能和运行范围良好的转轮，控制空蚀指标

多泥沙水电站选择合适的水轮机转轮是水轮机防泥沙磨损的关键，选择的转轮应当具有良好的空蚀性能和良好的运行范围，防止空蚀和泥沙磨损联合作用。本电站拟选用专门针对多泥沙河流电站研发的、抗磨蚀性能较好的HLJF3011转轮。水轮机型号为HLJF3011-LJ-213，额定转速230.8r/min，其主要参数见表4，运行范围见图1。

表3 水轮机主要参数

图1 水轮机运行范围示意

2.2 降低水流在转轮出口的相对流速

在水轮机选型时，选择的模型转轮在保证水力性能的条件下，水流过机相对流速要相对较低，以减轻泥沙对水轮机过流部件磨损。有关资料显示，对中低水头的水轮机，转轮出口相对流速高于30m/s时，泥沙对转轮的磨损将更严重。本电站拟选用的HLJF3011转轮，在额定工况下转轮出口相对流速为27.66m/s，可以很好地降低泥沙的磨损。

2.3 改善水轮机过流部件的结构设计，优化制造工艺和材料选用

水轮机的过流部件磨损主要发生部位有：转轮进口、下环、出口和密封间隙位置，导叶头与尾部、导叶与顶盖、底环形成的间隙部分，顶盖、底环的过流面，尾水锥管进口等。针对这些过流部位，分析其流态和泥沙运行轨迹及破坏成因，改善水轮机过流部件的结构设计，优化制造工艺和材料选用，提高抗泥沙磨损的能力。主要采取以下措施：

(1)导叶采用大圆盘结构；

(2)适当增大导叶节圆直径，降低导叶区间水流流速；

(3)优化固定导叶和活动导叶的数量及相互位置，减小水流对活动导叶表面的冲击，防止产生二次回流；

(4)采用底环盖帽结构。底环过流面将转轮下环平面盖住，大量泥沙及大粒径泥沙直接从转轮叶片流道流走，大部分泥沙不经过底环止漏环及转轮止漏环间隙，从而降低泥沙对底环止漏环及转轮止漏环的磨损破坏。该结构简称“盖帽”结构(见图2)。在我国多泥沙电站水轮机中普遍采用，可延长机组大修周期，使用效果较好；

图2 底环盖帽结构示意

(5)采用主轴中心孔补气，并将中心孔补气管延伸到转轮中心适当位置，增强补气效果，降低叶片出水边的气蚀；

(6)转轮、导叶及抗磨板采用00Cr13Ni5Mo等优良的不锈钢材料制造,转轮叶片采用模压成型，数控加工，硬度HB240～290。顶盖、底环的抗磨板硬度HB200～240。导叶整体铸造，数控加工，叶片硬度HB280；

(7)提高制造工艺质量，重点监控过流部件表面焊缝质量和加工精度，保证导叶端面立面间隙。

2.4 水轮机采用中部拆卸或者下部拆卸结构

为方便多泥沙水电站水轮机的检修、维护，降低检修维护成本，水轮机采用中部拆卸或者下部

拆卸结构。对于泥沙含量较大的电站，单独拆卸转轮进行检修的可能性较大和导水机构在水轮机内即可检修的情况下，为减小检修工作量和缩短检修时间，降低检修、维护成本，在不拆卸发电机情况下，水轮机结构设计可采用转轮中部拆卸或者下部拆卸的技术方案，将水轮机可拆卸部件从水轮机层廊道或者从尾水拆卸廊道运出。采用水轮机中拆或者下拆技术方案，在水轮机结构和专用工具上会增加一定的成本。

2.5 采用高速火焰(HVOF)喷涂技术，对水轮机过流部件进行表面喷涂防护处理

高速火焰(HVOF)喷涂技术是把喷涂材料以粉末状态注入高速喷射燃烧的火焰中，其喷射速度超过2000m/s，燃烧温度适中(≤3000℃)。高速燃气一方面使粉末材料的颗粒达到半熔化状态，另一方面又使粉末材料的颗粒加速运动，将熔化后的粉末材料紧密均匀地附着在被喷涂物体的表面上，与基材结合在一起，而基材温度低于150℃，基材不发生任何变形，从而形成少孔隙、低氧化、高粘合力、低残余应力的高质量涂层。材料的结合强度大于70MPa，表面硬度大于1100Hv，表面抗磨能力比0Cr13Ni4Mo高70倍以上，其抗汽蚀能力与0Cr13Ni4Mo相当，适用于水轮机过流部件表面抗泥沙磨损。

3 小结

前述水轮机防泥沙磨损设计方案在技术上均可行，经过比较分析，本电站拟选用空蚀性能和运行范围良好的转轮，控制空蚀指标，降低水流在转轮出口的相对流速；导叶采用大圆盘结构，并适当增大导叶节圆直径，降低导叶区间水流流速；采用高速火焰(HVOF)喷涂技术对水轮机过流部件进行表面喷涂防护处理。总体来说，采用这些措施后，水轮机的防泥沙磨损能力将得到明显提高，可延长水轮机的检修周期和使用寿命，减少维护费用并增加发电量，经济效益可观。