肖翔

摘 要：水輪機(jī)是水電站不可或缺的動(dòng)力設(shè)備之一，在水電站所有的動(dòng)力設(shè)備中，工作環(huán)境最為嚴(yán)酷的當(dāng)屬水輪機(jī)。在當(dāng)前的水輪機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，水輪機(jī)過(guò)流部件磨蝕現(xiàn)象對(duì)水輪機(jī)的正常運(yùn)行有非常大的影響，因此，分析和研究影響泥沙磨蝕的原因，并找到合適的解決方法，對(duì)水輪機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的安全問(wèn)題的解決具有重要的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：水輪機(jī)；泥沙磨損；嚴(yán)重性；影響因素；抗損措施

1 泥沙磨損問(wèn)題的嚴(yán)重性

泥沙磨損是指水流中含有的泥沙對(duì)水輪機(jī)過(guò)流部件導(dǎo)致的磨損破壞。我國(guó)大部分地區(qū)水土流失比較嚴(yán)重，河流中大量的泥沙導(dǎo)致水輪機(jī)的泥沙磨損問(wèn)題尤為突出。泥沙磨損可使水輪機(jī)過(guò)流部件遭受不同程度的破壞，在流速較高的轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)葉部件中破壞更為嚴(yán)重，有些破壞甚至無(wú)法修復(fù)。當(dāng)高速的水流夾帶著泥沙撞擊固體表面時(shí)，大的沖擊應(yīng)力可能超過(guò)材料的屈服極限而使材料發(fā)生塑性變形，小的沖擊應(yīng)力由于頻率高會(huì)導(dǎo)致材料疲勞損壞。磨蝕造成的損失很多。首先是磨蝕會(huì)導(dǎo)致水輪機(jī)的效率變低，發(fā)電量會(huì)減少。水輪機(jī)效率降低的具體表現(xiàn)為水能效率，容積效率以及機(jī)械效率的大幅度降低。其次是水輪機(jī)的安全性會(huì)因?yàn)槟ノg而降低。水輪機(jī)由于磨損會(huì)加劇水輪機(jī)組的振動(dòng)，關(guān)機(jī)時(shí)間也會(huì)延長(zhǎng)，還有漏水問(wèn)題都會(huì)影響水輪機(jī)組的安全運(yùn)行。最后，水輪機(jī)的運(yùn)行成本由于磨蝕而增加了，電站的經(jīng)濟(jì)效益也因此而下降。發(fā)電量和安全性能的降低致使維修的工作量增加，維修周期縮短了，維修時(shí)間變長(zhǎng)了，自然會(huì)增加維護(hù)的成本，經(jīng)濟(jì)效應(yīng)也就隨之下降了。在水電站早期的建設(shè)經(jīng)過(guò)中，中國(guó)有過(guò)很多的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，像在每年汛期時(shí)，水流中的泥沙非常多，水電站設(shè)施不到位的排沙，從而讓過(guò)機(jī)泥沙對(duì)水輪機(jī)導(dǎo)致非常大的磨蝕。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)顯示，我國(guó)中小型水電站中，約有30%左右的水輪機(jī)存在泥沙磨損問(wèn)題，導(dǎo)致水輪機(jī)出現(xiàn)進(jìn)水閥嚴(yán)重漏水，甚至還會(huì)出現(xiàn)無(wú)法正常停機(jī)和開(kāi)機(jī)，部分水輪機(jī)的葉片出現(xiàn)斷裂或者裂紋問(wèn)題，影響水輪機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。 因此探討水輪機(jī)的防泥沙磨損問(wèn)題具有重要的經(jīng)濟(jì)意義和社會(huì)意義。

2 水輪機(jī)泥沙磨損防護(hù)措施

2.1 影響磨損的因素分析

泥沙對(duì)水輪機(jī)的磨蝕作用主要取決于水輪機(jī)的工作條件、水流的含沙特性、過(guò)流部件的材質(zhì)等。水輪機(jī)的工作條件主要包括過(guò)機(jī)水流流速、過(guò)流歷時(shí)、水流摻氣、流態(tài)等；水流的含沙特性主要包括泥沙含量、顆粒級(jí)配、形狀、礦物質(zhì)含量及硬度等。在影響磨損程度的因素中，以過(guò)機(jī)水流流速的影響最為顯著，一般磨損量與其成3次方關(guān)系。磨損強(qiáng)度與含沙量、顆粒粒徑成線形關(guān)系。

2.2 減少泥沙磨損的措施

（1）采用合理的設(shè)計(jì)

首先，設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)水輪機(jī)的過(guò)機(jī)含沙量、泥沙中值粒徑及泥沙礦物成份等條件，選用單位轉(zhuǎn)速相近或略低，單位流量適當(dāng)減小，模型空化系數(shù)適當(dāng)降低，模型效率較高的新型轉(zhuǎn)輪，并合理加大導(dǎo)水葉分布圖相對(duì)直徑，改進(jìn)導(dǎo)水葉型線，降低和勻化導(dǎo)葉區(qū)流速；其次，在實(shí)施水電站設(shè)計(jì)時(shí)就必須要思考怎樣把泥沙經(jīng)過(guò)水輪機(jī)流道減少，設(shè)置行之有效的沉、排沙建筑物，非常顯著和有效的能排除水流中的泥沙，抗泥沙磨蝕效果非常顯著，可以在水電站的樞紐設(shè)計(jì)當(dāng)中充分利用本地的地形，對(duì)于底孔、流道進(jìn)口高程等水工建筑進(jìn)行合理的布置，來(lái)減少和防止粗顆粒泥沙過(guò)機(jī)，或者設(shè)置必然容量的沉沙池、排沙洞等設(shè)施；此外，使用蓄清排渾、洪水排沙、平水發(fā)電等形式，也能夠相對(duì)好地處理排沙和發(fā)電的關(guān)系；再次，含沙水流電站，當(dāng)機(jī)型確定后，水輪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要采取措施減輕磨損，做到容易維護(hù)和更換被磨損部件?？傇瓌t是使高速含沙水流與部件的接觸面積盡可能小，并避免水流持續(xù)沖刷、急劇變化或方向突變。

（2）做好日常維護(hù)管理

泥沙磨損和汽蝕都隨水流速度的增加而急劇加大。低水頭或者過(guò)負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，通過(guò)過(guò)流部件的水流速度增大，汽蝕和磨損速度必然增加，因此必須避免這兩種工況盡量保持在額定工況運(yùn)行。比如可以根據(jù)一般情況下進(jìn)入機(jī)組中泥沙的含量以及特性，適當(dāng)減小水輪機(jī)的速度，降低過(guò)機(jī)的流速，改進(jìn)水力和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，或選用抗磨損的材料及保護(hù)涂層等合理的運(yùn)行方式。而且，在非常時(shí)期如潮汛期間泥沙量有明顯增大，可以采取必要的過(guò)濾排泥措施或短時(shí)間停運(yùn)，從而對(duì)水輪機(jī)進(jìn)行保護(hù)，延長(zhǎng)期使用壽命。來(lái)水含沙量較多時(shí)，應(yīng)邊運(yùn)行邊開(kāi)啟渠首沖砂閘門(mén)拉沙；當(dāng)洪水過(guò)大或含沙量超標(biāo)時(shí)，停機(jī)敞開(kāi)沖沙閘門(mén)拉沙；汛后清水挾沙能力強(qiáng)，充分利用檢修等停機(jī)機(jī)會(huì)清水沖淤。汛期前池也須定期沖沙，定期人工清理前池中堆積的石塊。

（3）加強(qiáng)水輪機(jī)過(guò)流部件的表面防護(hù)

由于水流中含有一定硬度的泥沙、石塊等顆粒狀物體，這些物體高速進(jìn)入機(jī)組后，對(duì)機(jī)組產(chǎn)生很強(qiáng)的撞擊、切削破壞。針對(duì)這種磨蝕破壞情況，則要采用有一定硬度的抗磨蝕防護(hù)材料。目前主要有復(fù)合樹(shù)脂金剛砂技術(shù)、耐磨焊條技術(shù)、熱鍍硬鉻技術(shù)、金屬陶瓷技術(shù)等。這類(lèi)抗磨蝕防護(hù)技術(shù)稱為“硬抗”。復(fù)合樹(shù)脂金剛砂材料硬度高，有較高的邵氏硬度，可提高過(guò)流部件抗沖擊和磨損的性能，適用于葉輪正面的磨蝕防護(hù)。聚氨酯彈性體技術(shù)抗磨蝕性能好，具有一定的彈性，有較好的抗撕裂強(qiáng)度，可防止高速水流中砂粒、石塊對(duì)葉片產(chǎn)生劃傷和撕裂破壞，適用于葉輪背面的氣蝕防護(hù)。

3 結(jié)語(yǔ)

河水中不可避免的帶有大量的沙質(zhì)，水輪機(jī)在高速運(yùn)行過(guò)程中，含沙水流會(huì)不斷沖刷部件表面，會(huì)不斷摩擦形成切削效果，特別是當(dāng)部件的較弱或有缺陷的表面區(qū)域被堅(jiān)硬、尖利的沙粒沖刷后，更容易對(duì)金屬表層產(chǎn)生切削，日久天長(zhǎng)、不斷磨損。因此，在今后水輪機(jī)選擇時(shí)，應(yīng)充分考慮抗磨損問(wèn)題，結(jié)合電站運(yùn)行的實(shí)際情況，選擇合適的機(jī)型，同時(shí)做好運(yùn)行過(guò)程中的維護(hù)工作，提高水輪機(jī)的抗磨蝕能力，更好的地確保水輪機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

[1]王華仁，孫川寧.水輪機(jī)過(guò)流部件的磨蝕與表面防護(hù)[J].華電技術(shù)，2008，30（5）：30-32.

（作者單位：湖南省電力公司東江水力發(fā)電廠）