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(shù)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(guī)律。根據(jù)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(shù)，對于易于發(fā)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(jīng)濟效益。

多泥沙河流;水輪機;過流部件;抗磨蝕技術(shù)

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(zhì)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(guān)沙粒特征的一般規(guī)律。

1.2 工程設(shè)計

河流中的流道進口高程和底孔等建筑設(shè)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(fā)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(shè)計與制造

水輪機的葉片和導(dǎo)水葉翼的水流速度的均勻程度是對水輪機產(chǎn)生磨蝕的主要因素。其影響主要表現(xiàn)在以下4個方面:①水流速度不均勻容易導(dǎo)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(jīng)過狹窄的空隙時，會發(fā)生擾動及空化空蝕等現(xiàn)象;③彎道的水流過急，很容易出現(xiàn)局部磨損;④水利機組取水口設(shè)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(zhì)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(zhuǎn)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(zhì)也有關(guān)系。

1.5 防護材料的影響

水輪機表面防護材料的質(zhì)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(xiàn)偏流現(xiàn)象，就會導(dǎo)致漩渦和局部流速過大的情況，其原因是偏流所產(chǎn)生的側(cè)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(shù)和流動可視化技術(shù)，可以獲得水輪機轉(zhuǎn)輪葉片及流場的流速矢量分布數(shù)據(jù)，可以清楚地掌握流場的整體情況。由實驗數(shù)據(jù)分析可知，當偏離設(shè)計的工況時，葉片處將會出現(xiàn)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(guān)系，紊流度越大，造成的磨損程度越大?？栈F(xiàn)象會造成不穩(wěn)定流態(tài)的出現(xiàn)，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(xiàn)象的出現(xiàn)，邊壁材料的沙粒磨損也加劇了空蝕現(xiàn)象的發(fā)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(fā)電效率的下降，導(dǎo)致水電站年發(fā)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(guān)機時間，并且出現(xiàn)嚴重的漏水現(xiàn)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(jīng)常性的發(fā)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(dǎo)致水電站經(jīng)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(jīng)常采用的非金屬材料有復(fù)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(shè)，積累了一定的經(jīng)驗基礎(chǔ)。如黃河水電站在建設(shè)時期未考慮到排沙措施，導(dǎo)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(shè)實施中都會充分考慮多泥沙設(shè)計。另外，合理調(diào)度水沙，利用洪水大量排沙及在汛期時關(guān)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(jīng)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(jīng)濟維護的思想和技術(shù)，采取集中型的維修策略，堅持質(zhì)量第一、修必修好的維修原則，采用先進的技術(shù)、工藝及設(shè)備進行水輪機完善修復(fù)，大大提升了修復(fù)效率和維修水平。

3.4 優(yōu)化調(diào)度和運行條件

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

3.5 優(yōu)良的設(shè)計

優(yōu)良的設(shè)計不僅可以保證流速均勻，還避免了脫流和漩渦現(xiàn)象的產(chǎn)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(shè)計經(jīng)驗，采用三元理論及數(shù)值模擬優(yōu)化理論等理論知識基礎(chǔ)，應(yīng)用先進的技術(shù)支持，應(yīng)用CFD軟件進行水輪機的設(shè)計，優(yōu)化流道各個參數(shù)。

4 總結(jié)

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(nèi)外已經(jīng)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(fù)雜，抗磨蝕問題仍處于探索階段。學習基本的經(jīng)驗技術(shù)，充分了解和認識抗磨蝕技術(shù)的理論知識和應(yīng)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(shè)計技術(shù)、過流部件的加工技術(shù)、優(yōu)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(tǒng)，加強管理層面的科學研究，大力引進狀態(tài)監(jiān)測和狀態(tài)維修等先進技術(shù)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(jīng)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(yīng)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(diào)與水利科技，2013，11(01):66-70.

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1007-7596(2014)07-0109-02

2014-03-05

曹宇(1993-)，男，江蘇南京人，學生。