多泥沙河流水輪機抗磨蝕的技術初探

曹 宇

(河海大學文天學院水利系，南京210000)

多泥沙河流水輪機抗磨蝕的技術初探

曹 宇

(河海大學文天學院水利系，南京210000)

水輪機在多泥沙河流運行時，均存在不同程度的磨蝕問題，尤其是過流部件受到的磨損較為明顯。因此，為了降低水輪機的磨蝕率，需要分析水輪機的磨蝕規律。根據泥沙的各方面特征、建筑物的特征、水輪機的組成部件及所需運行條件等各方面的因素進行磨蝕分析。同時，提出一系列水輪機磨蝕失效的評價原則和方法，不斷改進抗磨蝕技術，對于易于發生磨蝕的部位采用抗磨蝕材料進行防護，提高水輪機的使用壽命，進而達到增加水電站的經濟效益。

多泥沙河流;水輪機;過流部件;抗磨蝕技術

1 影響水輪機磨蝕的因素

1.1 沙粒的特征

多泥沙河流的沙粒一般具有5個主要方面的特征，包括沙粒的顆粒大小、形狀、基本礦物質組成、硬度和級配［1］。選用不同的材料、不同的含沙量、流速及沙粒級配等條件，進行泥沙對水輪機的磨蝕試驗研究，從而得出有關沙粒特征的一般規律。

1.2 工程設計

河流中的流道進口高程和底孔等建筑設計的合理性，可以降低泥沙的過流量，尤其可以降低粗顆粒的沙粒過機。在渾水發電時，相比于出庫時的含沙量，過機含沙量大幅度的降低。

1.3 機組的設計與制造

水輪機的葉片和導水葉翼的水流速度的均勻程度是對水輪機產生磨蝕的主要因素。其影響主要表現在以下4個方面:①水流速度不均勻容易導致泥沙過大的局部運動;②部件之間的空隙對水輪機的磨蝕有很大影響，水流經過狹窄的空隙時，會發生擾動及空化空蝕等現象;③彎道的水流過急，很容易出現局部磨損;④水利機組取水口設計的合理性，將會影響過機的含沙量。大量實例表明，水輪機的葉片質量對水輪機的耐磨性有著重要影響。

1.4 運行條件的影響

水輪機轉輪的磨蝕程度與其負荷成正比，隨負荷的增大而增大，但混流式的水輪機在小開度工況的條件下，磨蝕更嚴重［2］。另外，水輪機的磨蝕程度與機組本身的材質也有關系。

1.5 防護材料的影響

水輪機表面防護材料的質地硬度越大，其抗沖擊抗磨損能力就較高;若水輪機的材料具有較好的抗空化性，則其抗磨損程度越高;具有較好韌性的材料作為表面防護層，可以有效地防止泥沙磨蝕。

1.6 流場條件

流道壁材料的磨損與泥沙的流速平方成正比。如果大型的流場出現偏流現象，就會導致漩渦和局部流速過大的情況，其原因是偏流所產生的側向加速度大大增加了沙粒與過流表面的接觸面積，從而增大磨損強度。采用先進的計算機技術和流動可視化技術，可以獲得水輪機轉輪葉片及流場的流速矢量分布數據，可以清楚地掌握流場的整體情況。由實驗數據分析可知，當偏離設計的工況時，葉片處將會出現漩渦，水流則會以不同的角度與葉片表面接觸、撞擊、摩擦。一旦水中含有一定的泥沙，沙粒就會以較大的動能撞擊葉片表面，進而造成水輪機的磨損。其次，漩渦還會使泥沙集中在一起，增大局部含沙量，增大了磨損程度。水輪機的磨蝕與水流的紊流度也有關系，紊流度越大，造成的磨損程度越大。空化現象會造成不穩定流態的出現，空泡引起的局部擾動也增大了沙粒的加速度，加大了水輪機的磨損程度。另外，含沙量高的水流有利于空化現象的出現，邊壁材料的沙粒磨損也加劇了空蝕現象的發生。

2 水輪機磨蝕的影響

1)水輪機磨蝕后，將會使水能效率、容積效率、機械效率等大大降低，進而造成機組整體發電效率的下降，導致水電站年發電量減少。

2)水輪機磨損后會加大機組的震動幅度，加長了水輪機的關機時間，并且出現嚴重的漏水現象，嚴重影響了水輪機的安全運行。

3)水輪機磨蝕后造成事故經常性的發生，大大的縮短了水輪機的檢修期，同時增大了檢修的工作量，增加了檢修時間，大大增加了水電站運行、維護成本，從而導致水電站經濟效益的大幅度下降。水電站大大小小所有的檢修主要就是解決水輪機磨蝕問題。

3 水輪機泥沙磨蝕的防護措施

3.1 對水輪機過流部件進行表面防護

常用的表面防護劑有抗磨焊條、不銹鋼、金屬陶瓷等多種材料，采用鋪焊、堆焊及噴焊等方式覆蓋過流部件的表面;而經常采用的非金屬材料有復合樹脂、尼龍及高分子材料等，采用涂抹和澆注的方法覆蓋過流部件的表面。由大量試驗得出，篩選出具有明顯效果的材料、方法和工藝等，大大提高了水輪機的抗磨蝕性。

3.2 減少過機泥沙

多泥沙河流中，可以采用各種途徑和方式減少過機的含沙量或者較大粗顆粒過機，可以大大降低水輪機的磨蝕。我國多泥沙河流水電站的不斷建設，積累了一定的經驗基礎。如黃河水電站在建設時期未考慮到排沙措施，導致大量泥沙淤積，而在汛期時大量的泥沙過機，促進了水輪機的磨蝕。自此之后，在各種水利工程建設實施中都會充分考慮多泥沙設計。另外，合理調度水沙，利用洪水大量排沙及在汛期時關閉機組等有效措施，都可降低水輪機的磨蝕強度。

3.3 積極進行檢修，探索檢修的策略與方法

對水輪機過流的主要部位進行定期的檢修，參照以往經驗和水電站的實際情況，確定合適的檢修周期。大力提倡和推進經濟維護的思想和技術，采取集中型的維修策略，堅持質量第一、修必修好的維修原則，采用先進的技術、工藝及設備進行水輪機完善修復，大大提升了修復效率和維修水平。

3.4 優化調度和運行條件

在對多泥沙河流的水電站進行運行調度的制定時，首先應當優化機組運行的工況，避免氣蝕狀況的發生，設置補氣系統，必要時對水輪機轉輪的出口區采用補氣措施，來降低氣蝕的破壞強度。合理設計排沙與發電的運行方式，在滿足排沙要求的同時，具備良好的發電條件。

3.5 優良的設計

優良的設計不僅可以保證流速均勻，還避免了脫流和漩渦現象的產生，以防止泥沙磨蝕。我國許多專家和制造商都借鑒國外的設計經驗，采用三元理論及數值模擬優化理論等理論知識基礎，應用先進的技術支持，應用CFD軟件進行水輪機的設計，優化流道各個參數。

4 總結

多泥沙河流水電站的建立中，泥沙磨蝕是比較嚴重的問題，雖然國內外已經在水輪機抗磨蝕能力研究上取得一定的成果，但想要真正解決磨蝕問題，還有一定的困難，水輪機磨蝕破壞的基本機理十分復雜，抗磨蝕問題仍處于探索階段。學習基本的經驗技術，充分了解和認識抗磨蝕技術的理論知識和應用價值，有助于研究成果的推進展開。大部分時間成果表明，較好的水利工程設計技術、過流部件的加工技術、優良材料的選擇、表面防護措施及運行方式的合理性，都有利于水輪機磨蝕問題的解決。建立比較完善的檢修系統，加強管理層面的科學研究，大力引進狀態監測和狀態維修等先進技術思想，有助于我國水輪機抗磨蝕水平的進一步提升，大大提高水電站的經濟效益，對最終解決水輪機磨蝕問題有著重要意義。

［1］鮑崇高，高義民，邢建東，等.含沙水域水輪機過流部件的材料應用及進展［J］.水利水電科技進展，2001，21(06):14-16.

［2］鄭源，吳春旺，牟敏，楊春霞.新型潮汐雙向豎井貫流式水輪機能量特性研究［J］.南水北調與水利科技，2013，11(01):66-70.

TV734.1

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1007-7596(2014)07-0109-02

2014-03-05

曹宇(1993-)，男，江蘇南京人，學生。