多泥沙河流水轮机抗磨蚀的技术研究

王 超，常 轩国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心，江苏苏州 215000

多泥沙河流水轮机抗磨蚀的技术研究

王 超，常 轩
国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心，江苏苏州 215000

水力发电是当前一种主要的发电形式，具有绿色环保的优势。而在水电站水轮机的运行当中，如果运行环境为多泥沙河流，将会更容易受到磨蚀，特别是在一些过流部件当中，将会发生更加严重的磨损。对此，为了对水轮机的磨蚀率进行控制，应当对其磨蚀规律进行分析，并根据水轮机运行条件、组成部件、建筑特征、泥沙特征等因素，对磨蚀情况进行分析。同时根据水轮机磨蚀的不良后果及影响因素，对多泥沙河流水轮机抗磨蚀技术进行了分析。

多泥沙河流；水轮机；抗磨蚀技术

在我国当前很多河流当中，都携带着大量的泥沙，因此，很多水电机组的运行环境都是多泥沙河流，面临着严重的磨蚀问题。在涉及范围内，有12条河流平均年输沙量高于1亿吨，其中，我国的黄河居世界首位，每年输沙量为16亿吨。而黄河与长江两条河流，其输沙量在这12条河流当中，输沙量就占到了34%的比例。在我国，每年高于1 000万吨输沙量的河流超过了100条，随着水土流失的不断加剧，河流含沙量不断增长，因而水电站的水轮机的磨蚀情况将会进一步加重，必须采取有效的措施加以应对，才能够解决这一问题。

1 水轮机磨蚀的不良后果

在水电站水轮机的运行当中，如果受到磨蚀情况较为严重，其机械效率、容积效率、谁能效率等，都会受到不良的影响，机组整体发电效率也将大打折扣，因而水电站的年发电量也会有所降低。在水轮机发生磨蚀之后，机组振动幅度将会提升，水轮机关机时间可能延长，甚至会发生漏水的情况，对水轮机的安全运行造成干扰。在水轮机磨蚀后，将会提升发生经常性事故的概率，水轮机的检修期也被极大的缩短，检修工作量也大大增加。同时，水电站需要花费更多的时间、精力、资金在水轮机检修上，其维护和运行成本升高，水电站的经济效益就会降低。而在水电站大多数的维护和检修工作当中，通常也就是为了对水轮机的磨蚀问题进行解决［1］。

2 水轮机磨蚀的影响因素

在水轮机的磨蚀情况中，存在很多方面的影响因素，例如沙粒特征、工程设计、机组设计制造、运行条件、防护材料、流场条件等。在多泥沙河流当中，沙粒特征主要体现在级配、硬度、矿物质组成、形状、大小等方面，不同特征的沙粒会对水轮机造成不同程度的磨蚀。在流道进口高程、底孔等工程设计当中，如果设计不合理，将会增加泥沙过流量，导致更多的粗颗粒沙粒过机。在水轮机的磨蚀当中，导水叶翼、叶片等水流速度均匀程度有着很大的影响，具体来说，不均匀的水流速度，将会造成过大的泥沙局部运动。在部件之间，水轮机磨蚀会受到空隙的较大影响，如果水流经过过窄的空隙，会产生空蚀、空化、扰动等情况。如果弯道水流过急，也容易发生局部磨损。

在设计水利机组取水口的时候，会对过机含沙量造成影响。因此，对于水轮机抗磨蚀性能来说，叶片的作用是十分关键的。对于水轮机来说，负荷、磨蚀程度之间，存在着一定的联系，当负荷增加，磨蚀情况也更为严重。在水轮机表面防护材料中，如果具有更大硬度的质地，就会具有越高的抗磨蚀能力。如果水轮机采用了抗空化性良好的材料，抗磨蚀能力也会提升［2］。在表面防护层中，防护材料的性质也会对抗磨蚀能力产生影响。在泥沙流速、流道壁磨损之间，存在着密切的联系。当有偏流出现在大型流场中，会造成过大的局部流速、漩涡等。对于流场流速、水轮机转轮叶片的分布数据来说，利用流动可视化技术、计算机技术等，能够对流场情况进行了解。

在与设计工况相偏离的情况下，叶片可能产生漩涡，因而水流会从不同角度摩擦、撞击和接触叶片。而在多泥沙河流中，水流当中还会携带大量的泥沙，从而对水轮机造成更加严重的磨蚀［3］。另外，产生的漩涡会聚集泥沙，使局部含沙量大增，从而增加了水轮机的磨蚀程度。此外，水流紊流度也会对水轮机磨蚀产生影响，在越大的紊流度情况下，将会造成更加严重的水轮机磨蚀。不稳定的流态可能在空化现象的影响下发生，空泡造成局部扰动，使得泥沙加速度提升，水轮机磨蚀程度也会更加严重。而在多泥沙河流当中，空化现象也较为普遍，空蚀现象也会由于边壁材料沙粒磨损而增加，从而对水轮机造成更大的磨蚀。

3 水轮机抗磨蚀技术应用

在多泥沙河流当中，为了对水轮机的磨蚀情况进行更为有效的应对和处理，可以对水轮机的过流部件进行妥善的表面防护，利用金属陶瓷、不锈钢、抗磨焊条等表面防护剂，通过喷焊、堆焊、铺焊等方式对过流部件表面进行覆盖。或是利用高分子材料、尼龙、复合树脂等非金属材料，通过浇筑、涂抹等方式对过流部件表面进行覆盖。在实际应用当中，要根据水轮机及多泥沙河流的实际情况，选择相应的工艺、方法和材料组合，从而使水轮机的抗磨蚀性能得到有效的提升。可以利用相应的方法和措施对多泥沙河流进行处理，是过机的大粗颗粒、含沙量等发生降低，从而降低其对水轮机造成的磨蚀［4］。由于我国多泥沙河流水电站数量较多，也为水轮机的抗磨蚀技术应用提供了一些思考。

例如，在黄河水电站的建设当中，对于排沙措施并没有进行充分的考虑，因而造成淤积了大量泥沙。在汛期，过机的泥沙量极大，使得水轮机遭受了更为严重的磨蚀。因此，在此后进行水电站建设当中，对于泥沙的问题，都会进行充分的思考，通过对水沙进行合理的调度，采用汛期关闭机组、洪水大量排沙等技术，使得水轮机磨蚀情况得到了有效的缓解。对于水轮机的过流部位，应当定期进行检修，根据水电站的实际运行情况，对相应的检修周期进行设定。应当对经济维护的技术和理念进行提倡和应用，利用集中型维修策略，在维修当中确保良好的维修质量。对水轮机利用先进的设备、工艺、技术等，使维修水平、维修效率等都能够得到有效的提升。

在多泥沙河流当中，对于制定水电站运行调度措施，应当对机组运行工况进行有效的优化，防止产生气蚀的问题。对补气系统应进行设置，并利用补气措施对水轮机转轮出口区进行处理，从而避免水轮机受到气蚀的影响。对于发电、排沙等运行方式，应当进行科学的设计与安排，不但要达到排沙的标准，也应确保良好的发电效率［5］。在水轮机的设计当中，应当进行科学有效的设计，能够确保均匀的流速，方式出现漩涡、脱流的情况，降低泥沙对水轮机的磨蚀。例如，在水轮机的设计制造当中，可以基于数值模拟优化理论、三元理论等理论基础知识，利用先进的技术手段，采用CFD软件等方式，对其进行设计，并对各个流道参数进行优化，从而进一步提升水轮机的性能和抗磨蚀能力。

4 结论

水电站发电是我国当前一种十分重要的发电形式，在水电站的建设当中，往往要处于多泥沙河流的环境下。因此，在水电站的运行当中，水轮机很容易受到河流中泥沙的影响，从而发生磨蚀的情况。因此，应当对多泥沙河流水轮机抗磨蚀技术进行细致的研究，确保水电站水轮机的良好运行状态。

［1］文晓涵.新疆克孜河流域塔日勒嘎水电站水轮机抗泥沙磨蚀解决方案［J］.湖南水利水电，2014（4）：100-103.

［2］程广福，魏松，李长虹，等.高速火焰喷涂技术在水轮机抗磨蚀方面的应用［J］.大电机技术，2011（1）：50-52.

［3］郑凯，朱海峰，常龙，等.表面涂层技术在水轮机抗磨蚀中的应用及发展［J］.水电与抽水蓄能，2015（6）：56-60.

［4］郭万宇，程岩，杨东，等.电火花表面强化技术在多泥沙河流水轮机磨蚀表面抗磨应用及研究［J］.电力科技与环保，2012（6）：24-27.

［5］李延频，王鹏飞，阳莉，等.黄河上水电站混流式水轮机磨蚀与防护措施的研究［J］.水力发电，2010（4）：70-72.

TH17

A

1674-6708（2016）168-0226-02

王超，国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心。

常轩，国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心。