杨沛源1，贺志富2
（1.华北水利水电大学，河南 郑州 450000；2.甘肃电力投资集团河西水电公司，甘肃 张掖 734000）
［摘要］中国大部分河流中都含有大量泥沙。大多数河流上的水电站都会存在磨蚀，空蚀与泥沙磨损结合起来共同作用于水轮机叶片,会进一步导致更严重的磨蚀，极大地降低机组的效率与水电机组稳定性，使得水轮机检修频繁，正常运行难以维持，造成巨大损失。所以，对水轮机抗磨蚀优化研究非常重要。
［关键词］水轮机；磨蚀；防护
我国河流众多且水力资源非常丰富，居世界前列。但其中大多数河流泥沙含量相当高，特别是黄河以多泥沙而闻名于世，其含沙量为全世界最多，年平均输沙量达16亿t，年均含沙量34kg/m3。长江的水流含沙量虽然不高，但是因水量充沛，输沙量大，年均输沙量达5.01亿t[1]。水中所含固体颗粒大小以及硬度的不同还有过流部件的形状的原因，使得水轮机发生磨蚀现象，特别在含沙量大的河流，水轮机过流部件磨蚀情况特别严峻。如果不及时采取措施，将会使其破坏情况加重，影响机组的安全稳定运行和使电站的技术经济效益大为降低。
造成水轮机过流部件表面上出现破坏是水轮机泥沙磨损的外在后果。同时也引起一系列间接后果，使水电站技术经济效益大为降低[2]。
（1）水轮机效率下降。混流式水轮机上下部迷宫环间隙和轴流式及斜流式水轮机叶片与转轮室之间的间隙，由于沙粒磨损的原因，渐渐变大，而引起水轮机的容积效率下降。
水轮机过流部件表面，遭到沙粒磨损时，若沙粒微细，造成均匀的轻微磨损时，有可能改善原来表面的糙度和不良的流道外形，使水轮机水力效率反而稍有提高。随磨损的发展，过流部件将凹凸不平。由于导叶出口部分的磨损导致转轮进口角发生改变，增大进口损失。转轮出口边磨损会导致转轮出口环量增加。这均造成水轮机水力效率下降。
由于磨损破坏导致迷宫环漏水量的加大，若减压孔大小不足时，推力轴承的荷载将变大，并也许导致含有泥沙的水流流进导轴承。这都将使水轮机机械效率降低。
（2）水电站检修频率增大，检修工作量增加。修建在含泥沙量大的河流上的水轮机，它沙粒磨损状况是决定检修频率以及检修量的最重要的依据。河流的洪峰的沙峰几乎都是出现在汛期。因此，河流各梯级电站的水轮机在汛期都承受严重的沙粒磨损，汛期后都需要及时检修。
（3）降低水电站运行质量。水轮机过流部件被泥沙冲击后而造成外表不光滑，加快了水流的局部扰动和空化的进展；转轮的磨损导致不对称，尤其是其中有的叶片的出口边由于磨蚀破坏出现折断时，将会导致水力的和机械的不平衡。
1.2 水轮机磨蚀机理
空化指在水中形成空穴对液体的连续性造成破坏，从而导致溶液析出气体。当这些空穴进入低压区时，开始发育成气泡[3]。气泡到达比压强临界值大的范围时，就会形成溃灭现象。空化的出现造成机组过流部件表面遭到破坏，会在过流部件形成麻点或蜂窝孔洞，使机组发生振动，从而减小效率及出力。
水中的固体颗粒在通过水轮机过流部件的时候，会对过流部件产生撞击以及切削，使过流表面产生变形，使得材料疲劳破坏并且脱落，使其出现划痕和麻点，磨蚀程度大时会在表面上形成鱼鳞坑及沙滩花样状的坑[4]。
空蚀及磨损对过流表面共同造成破坏简称为磨蚀。一般认为，磨蚀跟空化的作用是互相推进的。当水中含沙量较少时，水轮机过流部件的损伤主要是空蚀。当含沙量变大时，水轮机过流部件的损伤以泥沙磨损为主，并且与空蚀发生共同作用，加速与加剧过流部件表面的损坏。当过流表面的损伤由麻点变为较为严重鱼鳞坑时，会使水流产生脱流和旋涡，使空蚀更严重；另外，空蚀导致的过流表面材料的破坏也会使磨损的速度加快。两者的破坏作用形成一个恶性循环。
对于高速水流，小粒径颗粒在气泡溃灭时，产生的冲击波作用的空蚀破坏叶片表面，并且，冲击波向粒子传递一部分能量，使粒子撞击边壁。直径较大的颗粒携带的气泡溃灭时，颗粒会受到微射流模式的作用力。致使带有高动量的颗粒将对边壁产生切削、冲击等磨损作用[5]。
1.2 水轮机磨蚀破坏特征
（1）混流式水轮机的转轮叶片的正面和背面、上冠、下环、导水叶等是磨蚀常发生的地方。其中最严重是叶片进口边背面靠下环处、叶片之间的上冠流道、下环内外表面、导叶立面及端面、止漏环和抗磨板。并且，导叶流道的磨损损伤会随着水头的变大而变严重。
（2）轴流式水轮机的磨蚀以背面出水边、外缘1/3―3/4处及叶片正面外缘附近、靠近轮毂处、叶片头部三角区为主要损坏范围；叶片背部、叶片正面、轮毂、抗磨板、导水叶、转轮室较为严重；轴流式水轮机叶片的正、背面头部是磨蚀最经常出现的地方,磨蚀的程度最大。
2.1 磨蚀状态参数的构成
对于水轮机的磨蚀情况，能在过机泥沙、磨蚀的内外特性三方面进行评价。水流中泥沙含量和泥沙级配、硬度是磨损的外因。水轮机过流部件的磨蚀情况和导致水流的流线和压力在水轮机内出现的改变称为磨蚀内特性，磨蚀的外特性是磨蚀引起的外部效应，我们能在此看出磨蚀使水轮机过流部件出现的破坏和因此水轮机性能发生的改变。
2.1.1 磨蚀的内特性
（1）叶片磨蚀面积、占过流面积的比例及叶片平均糙度，磨蚀最大深度及平均深度，叶片失重量，中环间隙，导水叶密封间隙，防护层脱落面积及比例。（2）磨蚀的外特性：水轮机效率的降低，导水叶漏水量及容积效率的降低，空化强度，机组振动振幅、机组利用系数。（3）过机泥沙：过机泥沙含量，泥沙颗粒级配，沙粒几何形状与硬度，汛期运行时间。
2.1.2 检修策略
由于在泥沙含量高河流上的水轮机过流部件泥沙磨损的严重性，所以水电站状况的检修具有独特性。对水轮机过流部件磨蚀破坏程度的判断，是决定水电机组检修策略的重要凭据。因此，对水轮机磨蚀情况的判断情况，左右着水电机组合适的检修频率。如表1所示[6]
2.1.3 过流部件表面的防护措施
（1）水轮机过流部件表面防护技术。对于表面的保护普遍使用的金属材料有碳化钨、金属陶瓷、抗磨焊条、高强度不锈钢等，经常用铺焊、堆焊、喷焊等办法包裹于过流部件上；非金属材料有环氧金刚砂、复合树脂、聚氨酯橡胶、复合尼龙和其他高分子材料，经常使用浇注、涂抹等方式包裹于过流部件上。
表1 水轮机磨蚀情况的评价
磨蚀阶段 水轮机效率 检修周期 设备寿命 机组发电量 事故发生率潜伏期 无影响 无影响 稍微减少 无影响 无影响微损期 无影响 无影响 稍微减少 无影响 无影响轻损期 稍微下降 稍微缩短 轻微减少可修复性高 轻微减少 无影响中损期 明显下降 明显缩短 轻微减少可修复性差 轻微减少 稍有增高重损期 大幅度下降 大幅缩短 中度减少可以修复性差 大幅度减少 明显增高失效期 剩余系数很小 无法修复 已经失效 停机不发电 极大
（2）减少过机泥沙。在泥沙量大河流上，采用多种方法来降低通过水轮机水流中泥沙含量是减弱水轮机泥沙磨蚀的主要手段。最初在黄河上建设的水电站就是因为在设计时没有酌量排沙措施，导致大量泥沙淤积在大坝上游，汛期时水流中含有大量泥沙，致使水轮机磨蚀非常严重，盐锅峡、改造前的三门峡皆有这种教训[2]。所以，建设排沙洞，沉沙池等用于降低过机泥沙的措施在随后含沙量高河流上建设的水电站设计中受到普遍注意。另外，经过水沙优化调度，利用洪水把泥沙排走，最重要的是由于将大颗粒泥沙冲走，避免机组在汛期时水流中含沙量大的时候工作，俱可极大地减弱泥沙磨蚀的程度，再把表面保护措施结合使用，乃至能在汛期内能实现浑水发电。
（3）合理地选择水轮机的设计[7]。水轮机设计参数选取时该酌情减小参数水平，应留心掌握减少转轮出口的相对水流，使转轮到达最佳比转速。并且对转轮叶片进行优化设计，并且注意增加导叶分布圆的直径，使用合适的导叶翼型等措施。
（4）提高水轮机制造水平。转轮叶片母材应选用抗磨性能优良的原料，让过流部件的抗磨蚀性能有极大增强。
水轮机泥沙磨蚀的机理比较复杂，尽管国内外已经进行了多年的研究并且已经有一些研究进展，但还有待深入研究。结合水轮机磨蚀的机理研究，能陆续地将一些新理论研究成果等应用到水轮机过流部件抗磨蚀防护措施中，对最后治理水轮机泥沙磨蚀难题有很大的研究价值。□
参考文献：
[1]中华人民共和国水利部.中国河流泥沙公报（2014）[M].中国水利水电出版社，2015．
[2]段昌国.水轮机沙粒磨损[M].清华大学出版社，1981：4-6．
[3]河海大学，刘大恺.水轮机.第3版[M].中国水利水电出版社，1997：87．
[4]李国敬，陈和春，王继保.三峡电厂水轮机磨蚀机理与适时检修浅析[J].水电能源科学，2007，25（5）：106-109.
[5]廖庭庭，陈和春，高甜，等.三峡水电站过机泥沙粒径对水轮机叶片空化空蚀的影响[J].中国农村水利水电，2012（2）：121-123.
[6]陈德新，任岩.我国多泥沙河流水电站水轮机磨蚀状态检修系统[J].水利水电技术，2006，37（9）：61-64.
[7]熊茂涛，卢池，杨昌明，等.水轮机过流部件磨蚀问题的研究与防护[J].小水电，2006（1）：31-34.
［中图分类号］TK 730.8
［文献标识码］B
［文章编号］1009-2846(2017)10-0060-03
［收稿日期］2017-06-12
［作者简介］ 杨沛源（1992-），男，硕士研究生，主要研究方向：水力发电工程理论与新技术。
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