党河上游二级电站水轮机的抗磨设计

解再益（湖南云箭集团有限公司，湖南 长沙 40100）

党河上游二级电站水轮机的抗磨设计

解再益
（湖南云箭集团有限公司，湖南 长沙 40100）

摘要：党河上游二级站设计水头较高，河流的泥沙含量大，我们采取多种联合措施，从选择合理的机型参数、抗磨结构设计和优化机组运行工况等多个方面考虑，全方位降低水轮机的泥沙磨蚀。通过探索更为全面的抗磨蚀方法，延长了水轮机的使用寿命，保证满足了机组大修周期，最终获得了更好的综合效益。

关键词：多泥沙；抗磨蚀；结构设计；材料；水力性能

1　概况

1.1电站概况

党河发源于祁连山脉，流入敦煌结束，是一条内陆河，党河上游二级水电站位于肃北县城南42km的党河主河道上，电站装机容量为12.6MW，单机容量4.2MW，电站设计引用流量Q引=5.3m3/s，年平均发电量0.6亿kW·h。

电站海拔高程3080m，电站多年平均悬移质含沙量为1.9kg/m3，多年平均悬移质输沙量为20万t，河流含沙量较大，而且推移质较多。

1.2电站基本参数

（1）电站水头

最大水头：Hmax=102m

最小水头：Hmin=94m

额定水头：Hsj=95.5m

（2）流量

设计引用流量：Q引=5.3m3/s

最小流量：Q保=2.0m3/s

（3）装机容量及台数

装机容量3×4200kW

装机台数3台

（4）电站型式：渠道引水式电站，采用卧式布置

（5）电站负荷性质及运行方式：基荷、联网运行

2　机型选择

对于多泥沙电站的机型选择，一般要着重考虑二个方面：机组转速和安装高程的确定。

水轮机流道中含沙水流的相对速度是影响水轮机磨蚀的重要因素。有关的研究和试验表明，水轮机过流部件的磨蚀与含沙水流速的n次方成正比[1]，对于转轮叶片，一般n≥3。若流速增加10%，则磨蚀可加剧约33%,因此，应设法减小转轮出口的相对流速，除加大转轮直径外，降低转速是最好的选择，以减缓水轮机转轮及过流部件的磨蚀，这一点对多泥沙水轮机的选型尤为重要。

在含沙水流条件下，水轮机的空蚀往往提前发生，而且空蚀与磨蚀的联合作用又将进一步加重水轮机的磨蚀损坏程度。因此机组的安装高程要多留余量，以减轻空蚀和磨蚀的联合作用。

根据党河上游二级站的基本参数，在国内目前各水头段的优秀模型转轮的初选中，优化选出四个具有代表性的、不同转速的原型水轮机，其型号及参数见表1。

表1原型水轮机主要参数

从表1中，可以看出：

（1）若采用500r/min转速，水轮机按卧式布置，机组的安装高程不够，且转轮直径偏大，因此不推荐此方案；

（2）若采用600r/min转速，其水轮机的空化系数最小，安装高程有一定的裕度，而且机组的转速降了二档，降低了转轮的出口流速，有效地减少了泥沙的磨蚀；

（3）若采用750r/min转速，从参数上看能满足电站的要求，但从降低转轮出口的流速的角度出发，也不推荐此方案。

最终确定选用600r/min的转速方案，即水轮机为HLD307C-WJ-105，电站的安装高程取+2m。其原型机的运行区间图见图1。

从原型机的运行区间图可以看出，运行工况接近最优工况，此时流态最好；原型机的整个运行工况分布合理，在机组稳定运行的45～100%出力范围内，均处于模型曲线的高效区，并包含了模型曲线的最优工况区，因此600r/min转速方案的选择是合理的。

图1原型水轮机运行区间图

3　抗磨设计

多泥沙电站水轮机的抗磨蚀设计，可以从水力优化设计、材料及加工、结构设计等几个方面综合考虑；同时对容易磨蚀的部件做成易更换的结构，以方便电站的维护。

3.1转轮

转轮是水轮机中主要的能量转换部件，是水轮机的心脏，同时也是易磨蚀的重要部件，因此转轮的抗磨设计就具有特别重要的意义了。转轮抗磨设计主要有以下几方面。

3.1.1转轮水力优化设计

合理设计转轮，利用最先进的CFD软件分析并改善转轮内的流态，尤其在偏离最优工况时适当减少转轮出口环量，可以改善水轮机的压力脉动和空化性能。

电站运行表明混流式水轮机转轮遭受破坏较严重的部位有：叶片进水边、叶片出水边及下环内表面处，其主要原因是这些部件表面流速相对较高，甚至有旋涡和脱流产生，从而导致严重的泥沙磨蚀。

因此只有降低叶片表面的流速，才能有效地改善水轮机的压力脉动和空化性能。水轮机转轮将采用特殊的进水边，显著降低转轮进水边的初生空化系数。尽可能避免在运行区内出现脱流和叶片流道内的二次流。特别是在低水头运行时因进水边正面脱流往往导致剧烈紊流，会给含沙水流中运行的转轮造成严重磨蚀。同时将叶片的出水边设计得比常规要厚实，以增加转轮叶片出水边的抗磨性。

3.1.2材料选择

转轮材料考虑选用可焊性好的不锈钢材料，以便将来能在现场进行补焊修复。同时要考虑材料应具有更高的硬度，则采用马氏体不锈钢比奥氏体不锈钢要好。根据多种试验表明，叶片常用材料中，马氏体不锈钢耐磨蚀性能最好,但焊接性能不好，塑韧性差，不适用叶片材料。

ZG0Cr16Ni5Mo（16～5）是瑞典，法国、挪威、日本等国家从法国17-4PH基础上研制的，经试验和实际运行考验，该钢具有很好的机械性能、机加工性能和铸造性能，因该材料含碳量更低，有更多的逆变奥氏体，因此，可焊性更好，可以不进行预热焊接，耐磨蚀性能最佳，这对电站现场的叶片修复更为有利。为此选定优质的ZG0Cr16Ni5Mo不锈钢为党河上游二级站水轮机转轮材料。

3.1.3转轮制造

3.1.3.1转轮叶片采用VOD真空精炼

叶片的制造方式会对叶片耐磨损性能产生较大影响。

微观分析表明汽蚀破坏孕育期中，汽泡溃灭产生的针孔，主要沿叶片表面划痕分布，并沿划痕开裂。提高表面光洁度，可延长汽蚀孕育期。钢中夹杂汽孔及疏松等铸造缺陷对空蚀破坏速度有加速作用，裂纹可借助这些缺陷快速扩展。因此提高钢水纯净度，减少铸造缺陷可减缓空蚀破坏速度。

在叶片表面由于缺陷产生的磨损坑，使水流恶化，成为空蚀源，并加速后面部位的磨损，产生新的磨损坑，循环往复，使叶片表面被磨损掉，形成鱼鳞坑。这在真机叶片中已得到证明。

因此转轮叶片我们采用VOD真空精炼。

3.1.3.2叶片采用数控机床加工

叶片加工质量的好坏与转轮的抗磨性能有很大的关系，叶片表面平顺，光洁度高，不容易产生磨损。党河上游二级站转轮叶片加工将采用数控机床加工，该方法具有精度高、速度快、质量好等优点，此方法已成功应用于各电站。数控加工的叶片，其型线偏差和尺寸精度等都将超过IEC60193的要求。提高叶片表面的光洁度，过水流道的表面光洁度达至Ra3.2和Ra1.6，使叶片进水边和出水边的粗糙度达到3.2μm,叶片其它部分的粗糙度达到6.4μm以下。

选用优质的抗磨材料，并提高制造工艺水平，是可以大大降低转轮的磨蚀强度，延长使用寿命的。

3.2主轴密封结构

在对党河二级站的多泥沙的情况进行了充分的论证分析,并结合新疆、甘肃等多泥沙电站的设计经验，以及调研多个电站密封结构的基础上，优化设计出如图2所示的组合式主轴密封结构，以确保主轴密封的有效与实用。

这个组合式的主轴密封采用的是多级泵板+非接触式密封+橡胶平板密封的结构，由多个密封优化组合而成。

第一道密封如图2序1所示，为转轮的泵板密封，由转轮与顶盖组成，原理是当水轮机正常运行时，转轮上的泵板装置转动，带动转轮上冠空腔内的泄漏水一起转动，在离心力的作用下，在泵板外缘出口处产生压差，将停留在转轮上冠空腔处的水，排向转轮与顶盖之间的低压空腔区，经过顶盖上的排水孔，排到顶盖的集水腔中，通过2-φ65钢管接到尾水。少量的泄漏水由主轴间隙密封排到主轴密封位置。

图2组合式主轴密封结构

由于转轮的离心力作用，将经过转轮的泄漏水从转轮上的泵叶和泵盖板之间泵出，在泵出的泄漏水的过程中，又对转轮的泄漏水产生反方向的压力，减少了转轮的泄漏水，从而达到很好的密封效果。

第二道密封为图2中的序2所示的泵板密封结构，串联设置在主轴上（原理同上），是将少量的泄漏水通过排水管序5再次泵出水轮机，并产生反方向的压力，阻止泄漏水外流。

第三道密封是序3的橡胶平板密封，此密封完全为了延长机组检修时间所设置的一道密封，在前面的数道密封失效的情况下，仍可以起到密封泄漏水的作用，而且结构简单，检修方便。

结合转轮、顶盖梳齿、密封座等多个间隙密封,能有效地封水。在围绕主轴密封功效，结合电站的实际情况，从水轮机结构的多个方面出发，设计的一套组合式的方案，实际证明其效果是显著的。

3.3活动导叶

3.3.1活动导叶水力设计

选择合理的导叶翼型和最佳的摆放位置，是减轻导叶磨蚀的。合理的导叶翼型，可以避免由于绕流冲角与最大冲角双重影响而导致流速过高，从而减轻导叶区的磨蚀。

固定导叶与活动导叶双排叶栅周向相对位置对导叶区域的流动有一定的影响，通过CFD的分析，可使固定导叶与活动导叶处于最佳的周向相对位置，此时导叶区流道最为通畅，导叶角较小，流态最佳，对减轻泥沙磨蚀和提高水轮机效率最为有利。

3.3.2抗磨材料选择

面对含沙水流的零部件，其材料的选择至关重要。活动导叶的材料同转轮材料均采用ZG0Cr16Ni5Mo （16～5）不锈钢。在材料的选择上面，尽最大可能选择抗磨材料，从而延长电站的检修周期。

3.3.3抗磨结构设计

对于多泥沙电站，导叶的抗磨设计与导叶轴的密封设计同样至关重要，是影响机组安全稳定运行的又一个关键因素。在导叶抗磨设计中主要有：

（1）导叶上、下端面采用带轴肩和大端盖的特殊结构，以减小导叶端面的间隙磨蚀并保护下轴套。该技术已被我公司成功的应用于电站改造中，取得了良好的效果。

（2）导叶轴密封采用Yx密封结构，经过电站的实际运行证明，其结构可靠，能有效地利用进水口采用减少泥沙进入间隙的特殊设计。

（3）增加座环、顶盖、底环的刚度，并适当减少导叶上下端面间隙的设计值和制造误差。只要保证足够大的顶盖刚度，运行时导叶的活动端面间隙才不会变化，从而减少含沙水流对导叶、顶盖的磨蚀。

（4）顶盖及底环上设置便于拆换的不锈钢抗磨板，其型式及进水口采用减少泥沙进入间隙的特殊设计。

4　优化电站的运行工况

优化电站的运行工况就是从源头上减轻水轮机的磨蚀，要求电站按科学合理的方式来运行，能起到非常好抗磨效果。优化电站运行工况主要有以下三个方面。

4.1排沙和沉沙

通过调研党河流域的水轮机磨蚀情况，发现雷墩子电站在这方面做得较成功。

雷墩子电站于2010年12月发电，运行一年后，转轮磨蚀严重，主要是出水边磨蚀。修复三个转轮，后汛期在前池加装钢丝网，大的推移质和跃移质不能进入流道，磨蚀情况减轻很多。2年后检查，发现转轮较好，预计还可以再使用4年。主轴密封运行情况较好，基本不漏水，也没有检修过。

因此，电站需要在电站进水口前面设置冲沙或导沙坎，以及布置钢丝网，使河道内的推移质和跃移质进不了水轮机的流道，可大大减轻水轮机的磨蚀。

4.2优化机组运行工况

水轮机运行过程中，应尽可能接近最优工况，此时流态最好，尽可能避免机组运行于低负荷或过负荷工况。对于党河上游二级站，其导叶区的磨蚀应给予一定关注，尤其是在空载、旋转备用和关机状态。在这些状态，一方面导叶流速高，容易磨蚀；另一方面存在间隙空蚀与泥沙磨蚀的联合作用，危害较大。

4.3避开洪水期运行

洪水期的水流含沙量剧增，此时要停机。此时发电，对机组损伤巨大，对电站而言是得不偿失的。

5　结束语

多泥沙电站水轮机的磨蚀是一个复杂的过程，而其治理是个系统工程，需要多方共同努力。

党河上游二级站在采取系统性的抗磨措施后，电站已运行2年多，在电站大修检查时，转轮、主轴密封、导叶、导叶密封都只有轻微磨蚀，业主对此深感满意。

与党河流域上的同类机组相比，党河上游二级水轮机所采取的一系列抗磨设计是成功的。随着水轮机设计制造的新技术、新材料的不断出现，我们将更有信心将水轮机抗磨技术不断推进到更高水平，不断延长水轮机的使用寿命，为社会取得更好的经济效益。

参考文献：

[1]李国梁.水轮机泥沙磨蚀防护的技术进展[C]//水机磨蚀1999-2000论文集，2000.

中图分类号：TV734.1

文献标识码：B

文章编号：1672-5387（2015）01-0010-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.01.003

收稿日期：2014-08-27

作者简介：解再益（1975-），男，工程师，从事水轮机设计工作。