多泥沙河流水轮机抗磨蚀的技术初探

曹 宇

(河海大学文天学院水利系，南京210000)

多泥沙河流水轮机抗磨蚀的技术初探

曹 宇

(河海大学文天学院水利系，南京210000)

水轮机在多泥沙河流运行时，均存在不同程度的磨蚀问题，尤其是过流部件受到的磨损较为明显。因此，为了降低水轮机的磨蚀率，需要分析水轮机的磨蚀规律。根据泥沙的各方面特征、建筑物的特征、水轮机的组成部件及所需运行条件等各方面的因素进行磨蚀分析。同时，提出一系列水轮机磨蚀失效的评价原则和方法，不断改进抗磨蚀技术，对于易于发生磨蚀的部位采用抗磨蚀材料进行防护，提高水轮机的使用寿命，进而达到增加水电站的经济效益。

多泥沙河流;水轮机;过流部件;抗磨蚀技术

1 影响水轮机磨蚀的因素

1.1 沙粒的特征

多泥沙河流的沙粒一般具有5个主要方面的特征，包括沙粒的颗粒大小、形状、基本矿物质组成、硬度和级配［1］。选用不同的材料、不同的含沙量、流速及沙粒级配等条件，进行泥沙对水轮机的磨蚀试验研究，从而得出有关沙粒特征的一般规律。

1.2 工程设计

河流中的流道进口高程和底孔等建筑设计的合理性，可以降低泥沙的过流量，尤其可以降低粗颗粒的沙粒过机。在浑水发电时，相比于出库时的含沙量，过机含沙量大幅度的降低。

1.3 机组的设计与制造

水轮机的叶片和导水叶翼的水流速度的均匀程度是对水轮机产生磨蚀的主要因素。其影响主要表现在以下4个方面:①水流速度不均匀容易导致泥沙过大的局部运动;②部件之间的空隙对水轮机的磨蚀有很大影响，水流经过狭窄的空隙时，会发生扰动及空化空蚀等现象;③弯道的水流过急，很容易出现局部磨损;④水利机组取水口设计的合理性，将会影响过机的含沙量。大量实例表明，水轮机的叶片质量对水轮机的耐磨性有着重要影响。

1.4 运行条件的影响

水轮机转轮的磨蚀程度与其负荷成正比，随负荷的增大而增大，但混流式的水轮机在小开度工况的条件下，磨蚀更严重［2］。另外，水轮机的磨蚀程度与机组本身的材质也有关系。

1.5 防护材料的影响

水轮机表面防护材料的质地硬度越大，其抗冲击抗磨损能力就较高;若水轮机的材料具有较好的抗空化性，则其抗磨损程度越高;具有较好韧性的材料作为表面防护层，可以有效地防止泥沙磨蚀。

1.6 流场条件

流道壁材料的磨损与泥沙的流速平方成正比。如果大型的流场出现偏流现象，就会导致漩涡和局部流速过大的情况，其原因是偏流所产生的侧向加速度大大增加了沙粒与过流表面的接触面积，从而增大磨损强度。采用先进的计算机技术和流动可视化技术，可以获得水轮机转轮叶片及流场的流速矢量分布数据，可以清楚地掌握流场的整体情况。由实验数据分析可知，当偏离设计的工况时，叶片处将会出现漩涡，水流则会以不同的角度与叶片表面接触、撞击、摩擦。一旦水中含有一定的泥沙，沙粒就会以较大的动能撞击叶片表面，进而造成水轮机的磨损。其次，漩涡还会使泥沙集中在一起，增大局部含沙量，增大了磨损程度。水轮机的磨蚀与水流的紊流度也有关系，紊流度越大，造成的磨损程度越大。空化现象会造成不稳定流态的出现，空泡引起的局部扰动也增大了沙粒的加速度，加大了水轮机的磨损程度。另外，含沙量高的水流有利于空化现象的出现，边壁材料的沙粒磨损也加剧了空蚀现象的发生。

2 水轮机磨蚀的影响

1)水轮机磨蚀后，将会使水能效率、容积效率、机械效率等大大降低，进而造成机组整体发电效率的下降，导致水电站年发电量减少。

2)水轮机磨损后会加大机组的震动幅度，加长了水轮机的关机时间，并且出现严重的漏水现象，严重影响了水轮机的安全运行。

3)水轮机磨蚀后造成事故经常性的发生，大大的缩短了水轮机的检修期，同时增大了检修的工作量，增加了检修时间，大大增加了水电站运行、维护成本，从而导致水电站经济效益的大幅度下降。水电站大大小小所有的检修主要就是解决水轮机磨蚀问题。

3 水轮机泥沙磨蚀的防护措施

3.1 对水轮机过流部件进行表面防护

常用的表面防护剂有抗磨焊条、不锈钢、金属陶瓷等多种材料，采用铺焊、堆焊及喷焊等方式覆盖过流部件的表面;而经常采用的非金属材料有复合树脂、尼龙及高分子材料等，采用涂抹和浇注的方法覆盖过流部件的表面。由大量试验得出，筛选出具有明显效果的材料、方法和工艺等，大大提高了水轮机的抗磨蚀性。

3.2 减少过机泥沙

多泥沙河流中，可以采用各种途径和方式减少过机的含沙量或者较大粗颗粒过机，可以大大降低水轮机的磨蚀。我国多泥沙河流水电站的不断建设，积累了一定的经验基础。如黄河水电站在建设时期未考虑到排沙措施，导致大量泥沙淤积，而在汛期时大量的泥沙过机，促进了水轮机的磨蚀。自此之后，在各种水利工程建设实施中都会充分考虑多泥沙设计。另外，合理调度水沙，利用洪水大量排沙及在汛期时关闭机组等有效措施，都可降低水轮机的磨蚀强度。

3.3 积极进行检修，探索检修的策略与方法

对水轮机过流的主要部位进行定期的检修，参照以往经验和水电站的实际情况，确定合适的检修周期。大力提倡和推进经济维护的思想和技术，采取集中型的维修策略，坚持质量第一、修必修好的维修原则，采用先进的技术、工艺及设备进行水轮机完善修复，大大提升了修复效率和维修水平。

3.4 优化调度和运行条件

在对多泥沙河流的水电站进行运行调度的制定时，首先应当优化机组运行的工况，避免气蚀状况的发生，设置补气系统，必要时对水轮机转轮的出口区采用补气措施，来降低气蚀的破坏强度。合理设计排沙与发电的运行方式，在满足排沙要求的同时，具备良好的发电条件。

3.5 优良的设计

优良的设计不仅可以保证流速均匀，还避免了脱流和漩涡现象的产生，以防止泥沙磨蚀。我国许多专家和制造商都借鉴国外的设计经验，采用三元理论及数值模拟优化理论等理论知识基础，应用先进的技术支持，应用CFD软件进行水轮机的设计，优化流道各个参数。

4 总结

多泥沙河流水电站的建立中，泥沙磨蚀是比较严重的问题，虽然国内外已经在水轮机抗磨蚀能力研究上取得一定的成果，但想要真正解决磨蚀问题，还有一定的困难，水轮机磨蚀破坏的基本机理十分复杂，抗磨蚀问题仍处于探索阶段。学习基本的经验技术，充分了解和认识抗磨蚀技术的理论知识和应用价值，有助于研究成果的推进展开。大部分时间成果表明，较好的水利工程设计技术、过流部件的加工技术、优良材料的选择、表面防护措施及运行方式的合理性，都有利于水轮机磨蚀问题的解决。建立比较完善的检修系统，加强管理层面的科学研究，大力引进状态监测和状态维修等先进技术思想，有助于我国水轮机抗磨蚀水平的进一步提升，大大提高水电站的经济效益，对最终解决水轮机磨蚀问题有着重要意义。

［1］鲍崇高，高义民，邢建东，等.含沙水域水轮机过流部件的材料应用及进展［J］.水利水电科技进展，2001，21(06):14-16.

［2］郑源，吴春旺，牟敏，杨春霞.新型潮汐双向竖井贯流式水轮机能量特性研究［J］.南水北调与水利科技，2013，11(01):66-70.

TV734.1

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1007-7596(2014)07-0109-02

2014-03-05

曹宇(1993-)，男，江苏南京人，学生。