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混流式水輪機磨蝕與防護措施研究

文檔作者：陽莉李延頻陳德新文檔來源：華北水利水電學院		點擊數：	更新時間： 2021年10月14日
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第32卷第12期
2010年12 J】
人民
YELLOW
黃河
RIVER
Vo1．32．No．12
DCC．，2010
【水利水電工程】
混流式水輪機磨蝕與防護措施研究
陽 莉，李延頻，陳德新
(華北水利水電學院，河南鄭州450011)
摘要：混流式水輪機磨蝕嚴重的部位是葉片背面出口邊靠近下環(huán)處、下環(huán)內外表面等。根據黃河水流的特性和對磨蝕
規(guī)律的分析，水輪機的磨蝕防護一般采取聚氨酯涂層防護、高速氧燃噴漆碳化鎢防護、優(yōu)化轉輪設計、減少過機泥沙等綜
合措施，取得了一定的效果
關鍵詞： 混流式水輪機；水輪機磨蝕；防護措施
中圖分類號：TK730．8 文獻標識碼：B doi：10．3969／j．issn．1000—1379．2010．12．091
黃河是世界上含沙量最大的河流，平均含沙量為37．5 kg／
m ，因此黃河上水電站水輪機泥沙磨蝕較為嚴重。較早投產的
龍羊峽、劉家峽、鹽鍋峽、八盤峽、青銅峽、天橋和三門峽7座大
中型水電站，有混流式水輪機18臺，水頭為38～100 m，水輪機
比轉速為】9O一241 m ·kW，屬于中高比速的混流式水輪機。
水輪機的類型不同，磨蝕的部位和強度以及相應的防護措施也
不相同，筆者著重分析了混流式水輪機的泥沙磨蝕及防護
技術
1 混流式水輪機磨蝕的特點
1．1 葉片的磨蝕
混流式水輪機葉片的磨蝕通常發(fā)生在葉片正面和背面，以
葉片進口邊背面靠近下環(huán)轉彎處及正面出水邊靠近下環(huán)處最
為嚴重。鹽鍋峽水輪機葉片進口邊背面靠近下環(huán)轉彎處出現
了大而深的凹坑，坑深30～50 mill，連成片。葉片背面均有磨
蝕，表現為上輕下重，下部靠近下環(huán)寬約400 mm范圍內嚴重磨
蝕，原抗磨層已全部磨去，出現大量順水流方向的溝槽，槽深
10～20 mm，個別地方已磨穿，葉片出水邊已磨蝕成鋸齒狀缺口。
1．2 下環(huán)的磨蝕
混流式機組下環(huán)內外表面是磨蝕的易發(fā)區(qū)，水頭越高該區(qū)
的磨蝕越嚴重。劉家峽水電站舊轉輪下環(huán)內側表而 現磨蝕
麻面、上端面普遍磨蝕成順水流方向的粗大溝槽，竹深10～15
mm；新轉輪的下環(huán)，盡管采用了抗磨性能好的不銹鈉材料，但
還是有磨蝕現象產生。
1．3 導葉的磨蝕
}昆流式機組由于應用水頭較高，導水葉區(qū)流速較大，因此
往往會發(fā)生空蝕。在多泥沙河流，導葉上也經常有磨蝕發(fā)生，
尤其以導葉的立面密封、端面的磨蝕最為嚴重。一般情況下，
機組水頭越高、含沙量越大，導葉的磨蝕越嚴重。嚴重磨蝕的
活動導葉立面密封及端面，使導水葉關閉時漏水量增大，易導
致機組無法停機。
1．4 抗磨板的磨蝕
混流式機組導水機構上下抗磨板間隙空化易受到泥沙的
磨蝕破壞?？鼓グ迨莿⒓覎{水輪機磨蝕較為嚴重的過流部件，
一般上抗磨板磨蝕較輕、下抗磨板磨蝕嚴重。主要表現：在導
葉全關位置，因間隙空蝕而造成上抗磨板表面呈導葉關閉狀態(tài)
的槽狀深坑；下抗磨板接縫處以及與底環(huán)蝶形邊搭接處因過流
而沖刷成深坑。
2 水輪機磨蝕原因分析
2．1 過機沙量大是磨蝕的主要原因
含沙河流對水輪機的破壞常常是奪蝕和泥沙磨損造成的，
泥沙的存在給空化侵蝕創(chuàng)造了一定的條件，反過來，磨損的粗
糙過流表面又促進了空蝕。以劉家峽水電站為例，1978年汛期
以前，水輪機基本在清水中運行，以奪蝕破壞為主，僅出現過泥
沙磨損的痕跡。1978年5—7月的過機沙量是前43個月過機
沙量的2．6倍，此時，水輪機的破壞轉變?yōu)橐阅p為主，并且出
現了空蝕和磨損同時存在的情況。當過流表面出現大量的魚
鱗坑以后，水流條件惡化，產生脫流或旋渦，從而使空蝕得以發(fā)
生，而空蝕破壞又使材料晶體組織疏松，加快了磨損速度，接著
出現的溝槽更易產生空蝕。因此，必須減少過機沙量，以減輕
水輪機的磨蝕。
2．2 葉片工藝是磨蝕的重要原因
據觀察與試驗，水輪機葉片的好壞直接影響水輪機的抗空
蝕性能。根據空蝕破壞機理，旋渦空蝕發(fā)生的原因是轉輪葉片
表面糙度過大或凸凹不平誘發(fā)局部脫流產生的。葉片表面越
光，在相同的大修周期內，空蝕越輕。鹽鍋峽水輪機是我國20
世紀60—70年代生產的產品，制造質量不高，葉片靠手工打
磨，葉片表面糙度大，波浪度大，而且有鼓包，這些原因使轉輪
內部流態(tài)不好，產生局部速度過高或脫流，促使空蝕和磨損的
產生。該電站對不合理的流道及葉片進行修型改造后磨蝕明
顯減輕。
收稿日期：2010—03—19
基金項目：水利部“948”計劃技術創(chuàng)新推廣轉化項目(CT200207)。
作者簡介：陽莉(1985一)，女，貴州六盤水人，碩士研究生，研究方向為水電站
狀態(tài)控制。
E—mail：luIu19850715@ 163．corn
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人民黃河2010年第l2期
2．3 葉片材質是磨蝕的本質原因
根據黃河泥沙【fl礦物質成分分析可知，黃河泥沙物質成分
多為 英、K 等，其硬度值為莫氏硬度7左右，而制造水輪機
葉片的金屬材料硬嚏一般為莫氏硬度4．5左右，遠小于沙粒硬
度。根據沙粒磨損機珥，泥沙顆粒的硬度高于水輪機過流面硬
度時，沙粒與過溉 沖撞再．硬度離的沙粒將壓入較軟的水輪
機過流表面，他之產 塑性變形，給微切削過程創(chuàng)造條件。閑
此，金屬材質的抗 蝕性能取決于金屬材料的耐磨性，而金屬
卡于料的耐磨性不儀取決于其硬度，還 金屬組織有很大的關
系。對于均勻組織的材料．影響抗磨蝕的因素主要是硬度，而
對于非均勻組織的金屬，影響抗磨性的因素主要是顯微組織。
對于金屬材料， 抗磨性能的好壞，不僅取決于材料的硬度，還
取決于材料的韌性和脆性 以劉家峽水利站為例，運行前期5
俞轉輪均為ZG20SiMn(備用轉輪為不銹刑結構)，導葉和底環(huán)
為ZG30，從運行結果看，ZG20SiMn的抗空蝕性能和抗磨損性
能都很差，因此水輪機的空蝕lj磨損都比較嚴重。后經過機組
改造，更換為材質為0Crl3Ni4Mo的不銹鋼轉輪后，抗磨蝕狀況
有r較大改善。在后續(xù)的機組增容改造中，水輪機主要過流部
件采片】了優(yōu)質抗磨不銹鋼材料OCrl3—16Ni4—5Mo，使機組的
抗廉能力大幅度提高．．
2．4 磨蝕區(qū)處理質量是磨蝕的關鍵原因
對磨蝕區(qū)的處理，日前仍采用電弧氣刨后堆焊抗磨不銹鋼
層，最后打磨成型的辦法 但是有時電弧氣刨不徹底，存在堆
焊質量差，有夾渣、氣孔、咬邊、未焊透、焊道缺陷或焊后打磨不
理想，表而高低不平、小成流線型，流場紊亂，加重磨蝕程度等
問題。現在采J}J專用儀器同時對葉片進行保型修復，不但可保
證水輪機的效率與出 ，而且還町減輕磨損。
3 混流式水輪機磨蝕防護措施
我國多泥沙河流水電站水輪機的防護一般采用涂層防護、
優(yōu)化水輪機設計、減少過機泥沙等綜合措施 。
3．1 聚氨酯涂層防護措施
聚氨酯為有機高分子化合物，聚氨酯材料中問帶鋼骨架的
抗磨板，可以吸收泥沙顆粒的沖擊，且具有良好的彈性和韌性，
抗磨效果很好。
小浪底水電站采用水輪機固定導葉、尾水管錐管實行聚氨
酯涂層防護，從運行情況看，運行l(wèi) 330 h內涂層完好，運行
8 075 h后各機組軟涂層的情況差異較大，1 、2 機涂層完好，3
機尾水管錐管進口處產生局部層間剝落，4 機涂層面積的
13．7％ 出現剝落，5 、6 機涂層脫落較少?？傮w來看，小浪底水
電站使用聚氨酯涂層在固定導葉上的防護效果較明顯。
3．2 高速氧燃噴漆碳化鎢(HVOF—WC)防護措施
高壓氧燃噴涂HVOF是20世紀80年代初出現的一種噴
涂方法．該方法采用超音速火焰噴涂槍，將丙烷、丙稀或氫和氧
氣以0．3 MPa以E的壓力送人噴涂槍的燃燒室，經過混合燃
燒，形成1 500 m／s以上的高速氣流，在噴嘴處與高壓空氣送人
的噴涂材料粉末混合，使噴涂粉末熔融和加速到500 m／s左右
形成高速射流，而射流在噴嘴出口后進一步膨脹加速，產生2
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倍音速的噴涂火焰，使粉末噴涂在基材上形成致密的涂層0。。
噴涂材料町用抗磨金屬粉末、碳化物金屬陶瓷，其中碳化鎢
(WC)粉末在抗泥沙磨蝕方面表現出突出的優(yōu)越性 ．小浪底6
臺水輪機葉片和部分機組活動導葉上采用了HVOF—WC涂
層，自2000年1月首臺機組投運到2003年底檢 時，機紐最多
運行時問為17 320 h，各機組涂層均有不同程度的脫落，但脫落
面積不大，涂層大部分完好，總的看來，碳化鎢涂層具有較好的
抗磨性能。
3．3 優(yōu)化水輪機設計
水輪機磨蝕的機理表明，流速高、脫流、旋渦均會加重磨
蝕。轉輪流道設計不合理造成局部流速過高及脫流，會加重水
輪機的磨蝕。鹽鍋峽水電站第一臺機組在2004年改造中，轉
輪為高效不銹鋼轉輪，轉輪葉片由l4片增加至15片，改造后
的水輪機流量由原來的138 Ill ／s增加到149．8 In ／s，水輪機效
率由原來的87．6％提高到92．7％ ，在此基礎上，進一一步優(yōu)化導
水葉、頂蓋結構，使水輪機出力由原來的4．4萬kW 提高到5．
12萬kW，水輪機的磨蝕也得到了較好控制。另外，合理優(yōu)化
母體材料也是防護軸流式水輪機磨蝕的一種方法，水輪機的材
料應選用質量均一、結構致密、硬度高、韌性和抗拉力強、抗疲
勞性能好且便于加工的材料。
3．4 減少過機泥沙
減少過機泥沙是防磨蝕的一種有效措施。從1974年開
始，劉家峽水電站對洮河異重流排沙的特性、傳播時間、潛入條
件、壩前渾水面高程的變化以及泄水建筑物排沙情況進行觀測
分析，當洮河紅旗水文站沙峰含沙量達20 kg／1／1 時，就可能產
生異重流。只要掌握異重流到達壩前的時間并及時開啟泄水
排沙建筑物閘門，就能大量排沙。根據1976年汛期實測資料，
洮河入庫總沙量為1 800多萬t，共排出泥沙1 500多t，占入庫
沙量的83．3％ ，對保證電站運行起到了顯著作用，至1996年
底，異重流排沙共133次，排沙量達2．51億t，排沙比在50％
以上
3．5 改造檢修工具。引進先進技術【3j
隨著科技的不斷發(fā)展，新技術、新工藝、新設備和新材料大
量應用到水電站機組抗磨蝕中。劉家峽水電站采用了大型混
流式水輪機轉輪檢修用磨削機，工業(yè)試驗證明該設備可靈活磨
削89％以上的轉輪流道面積，功效是人工磨削的11．8倍，磨削
精度是人工的2倍。同時，該電站引進Scompi機器人完成水輪
機大修、擴修中水輪機轉輪磨蝕區(qū)的補焊和修復工作，提高了
功效，保證了轉輪的修復質量。
參考文獻：
[I] 邢廣彥，張?zhí)m．多泥沙河流水輪機的磨蝕與防護措施[J]．黃河水利職業(yè)技
術學院學報，2003(4)：l6一l7．
[2] 陳德新，楊建設．多泥沙河流水輪機的抗磨蝕對策[J]．人民黃河，2003，25
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[3] 孟安波，顏廷松，陳德新．多泥沙河流水電站機組檢修策略的探討[J]．水力
發(fā)電，2007，33(12)：47—49．
【責任編輯呂艷梅】

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