水轮机抗磨损问题研究

肖翔

摘 要：水轮机是水电站不可或缺的动力设备之一，在水电站所有的动力设备中，工作环境最为严酷的当属水轮机。在当前的水轮机运行过程中，水轮机过流部件磨蚀现象对水轮机的正常运行有非常大的影响，因此，分析和研究影响泥沙磨蚀的原因，并找到合适的解决方法，对水轮机运行过程中的安全问题的解决具有重要的指导意义。

关键词：水轮机；泥沙磨损；严重性；影响因素；抗损措施

1 泥沙磨损问题的严重性

泥沙磨损是指水流中含有的泥沙对水轮机过流部件导致的磨损破坏。我国大部分地区水土流失比较严重，河流中大量的泥沙导致水轮机的泥沙磨损问题尤为突出。泥沙磨损可使水轮机过流部件遭受不同程度的破坏，在流速较高的转轮、导叶部件中破坏更为严重，有些破坏甚至无法修复。当高速的水流夹带着泥沙撞击固体表面时，大的冲击应力可能超过材料的屈服极限而使材料发生塑性变形，小的冲击应力由于频率高会导致材料疲劳损坏。磨蚀造成的损失很多。首先是磨蚀会导致水轮机的效率变低，发电量会减少。水轮机效率降低的具体表现为水能效率，容积效率以及机械效率的大幅度降低。其次是水轮机的安全性会因为磨蚀而降低。水轮机由于磨损会加剧水轮机组的振动，关机时间也会延长，还有漏水问题都会影响水轮机组的安全运行。最后，水轮机的运行成本由于磨蚀而增加了，电站的经济效益也因此而下降。发电量和安全性能的降低致使维修的工作量增加，维修周期缩短了，维修时间变长了，自然会增加维护的成本，经济效应也就随之下降了。在水电站早期的建设经过中，中国有过很多的经验和教训，像在每年汛期时，水流中的泥沙非常多，水电站设施不到位的排沙，从而让过机泥沙对水轮机导致非常大的磨蚀。据不完全统计显示，我国中小型水电站中，约有30%左右的水轮机存在泥沙磨损问题，导致水轮机出现进水阀严重漏水，甚至还会出现无法正常停机和开机，部分水轮机的叶片出现断裂或者裂纹问题，影响水轮机的正常运转。 因此探讨水轮机的防泥沙磨损问题具有重要的经济意义和社会意义。

2 水轮机泥沙磨损防护措施

2.1 影响磨损的因素分析

泥沙对水轮机的磨蚀作用主要取决于水轮机的工作条件、水流的含沙特性、过流部件的材质等。水轮机的工作条件主要包括过机水流流速、过流历时、水流掺气、流态等；水流的含沙特性主要包括泥沙含量、颗粒级配、形狀、矿物质含量及硬度等。在影响磨损程度的因素中，以过机水流流速的影响最为显著，一般磨损量与其成3次方关系。磨损强度与含沙量、颗粒粒径成线形关系。

2.2 减少泥沙磨损的措施

（1）采用合理的设计

首先，设计中应根据水轮机的过机含沙量、泥沙中值粒径及泥沙矿物成份等条件，选用单位转速相近或略低，单位流量适当减小，模型空化系数适当降低，模型效率较高的新型转轮，并合理加大导水叶分布图相对直径，改进导水叶型线，降低和匀化导叶区流速；其次，在实施水电站设计时就必须要思考怎样把泥沙经过水轮机流道减少，设置行之有效的沉、排沙建筑物，非常显著和有效的能排除水流中的泥沙，抗泥沙磨蚀效果非常显著，可以在水电站的枢纽设计当中充分利用本地的地形，对于底孔、流道进口高程等水工建筑进行合理的布置，来减少和防止粗颗粒泥沙过机，或者设置必然容量的沉沙池、排沙洞等设施；此外，使用蓄清排浑、洪水排沙、平水发电等形式，也能够相对好地处理排沙和发电的关系；再次，含沙水流电站，当机型确定后，水轮机结构设计要采取措施减轻磨损，做到容易维护和更换被磨损部件。总原则是使高速含沙水流与部件的接触面积尽可能小，并避免水流持续冲刷、急剧变化或方向突变。

（2）做好日常维护管理

泥沙磨损和汽蚀都随水流速度的增加而急剧加大。低水头或者过负荷運转时，通过过流部件的水流速度增大，汽蚀和磨损速度必然增加，因此必须避免这两种工况尽量保持在额定工况运行。比如可以根据一般情况下进入机组中泥沙的含量以及特性，适当减小水轮机的速度，降低过机的流速，改进水力和结构设计，或选用抗磨损的材料及保护涂层等合理的运行方式。而且，在非常时期如潮汛期间泥沙量有明显增大，可以采取必要的过滤排泥措施或短时间停运，从而对水轮机进行保护，延长期使用寿命。来水含沙量较多时，应边运行边开启渠首冲砂闸门拉沙；当洪水过大或含沙量超标时，停机敞开冲沙闸门拉沙；汛后清水挟沙能力强，充分利用检修等停机机会清水冲淤。汛期前池也须定期冲沙，定期人工清理前池中堆积的石块。

（3）加强水轮机过流部件的表面防护

由于水流中含有一定硬度的泥沙、石块等颗粒状物体，这些物体高速进入机组后，对机组产生很强的撞击、切削破坏。针对这种磨蚀破坏情况，则要采用有一定硬度的抗磨蚀防护材料。目前主要有复合树脂金刚砂技术、耐磨焊条技术、热镀硬铬技术、金属陶瓷技术等。这类抗磨蚀防护技术称为“硬抗”。复合树脂金刚砂材料硬度高，有较高的邵氏硬度，可提高过流部件抗冲击和磨损的性能，适用于叶轮正面的磨蚀防护。聚氨酯弹性体技术抗磨蚀性能好，具有一定的弹性，有较好的抗撕裂强度，可防止高速水流中砂粒、石块对叶片产生划伤和撕裂破坏，适用于叶轮背面的气蚀防护。

3 结语

河水中不可避免的带有大量的沙质，水轮机在高速运行过程中，含沙水流会不断冲刷部件表面，会不断摩擦形成切削效果，特别是当部件的较弱或有缺陷的表面区域被坚硬、尖利的沙粒冲刷后，更容易对金属表层产生切削，日久天长、不断磨损。因此，在今后水轮机选择时，应充分考虑抗磨损问题，结合电站运行的实际情况，选择合适的机型，同时做好运行过程中的维护工作，提高水轮机的抗磨蚀能力，更好的地确保水轮机组的安全稳定运行。

参考文献

[1]王华仁，孙川宁.水轮机过流部件的磨蚀与表面防护[J].华电技术，2008，30（5）：30-32.

（作者单位：湖南省电力公司东江水力发电厂）