一、概述
　　
　　黃河萬家寨水利樞紐水電站共裝有6臺立軸混流式水輪發(fā)電機組單機容量為18萬kW，總裝機容量為108萬kW，設(shè)計年發(fā)電量27.5億kW.h。
　　
　　萬家寨水電站為多泥沙河流電站，其泥沙特征為：設(shè)計多年平均輸沙量為1.49億ｔ，設(shè)計多年平均含沙量6.6kg/ｍ³實測多年平均含沙量為5.7kg/ｍ³(其中直徑大于0.05ｍｍ的有害顆粒含量為1.378kg/ｍ³，占其總量的24.2%)，實測最大含沙量河口鎮(zhèn)水文站1955年9月1日為37.6kg/ｍ³；預(yù)測建庫后排沙期時段平均過機含沙量為8～12kg/ｍ³建庫后多年平均含沙量見表。
　　
　　在排沙期，除了高含沙水流直接對水輪機進行磨損破壞外，還由于電站低水頭運行，造成水輪機偏離設(shè)計工況，機組振動加大，從而使過流部件的氣蝕加重；即使在非汛期，由于萬家寨水電站被山西電網(wǎng)確定為第一調(diào)潮流電廠，機組參與潮流調(diào)節(jié)，同樣使得機組經(jīng)常在偏離設(shè)計工況的區(qū)域運行，振動加劇，產(chǎn)生氣蝕破壞。根據(jù)黃河中下游多泥沙水電站尤其是三門峽水力發(fā)電廠運行的實際情況，萬家寨水電站水輪機采取了優(yōu)化水庫泄流排沙設(shè)計、合理選擇有關(guān)參數(shù)、優(yōu)化水力設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計、采用優(yōu)質(zhì)母材和抗磨材料、避開機組振動區(qū)域運行等主要措施以增加水輪機的抗磨蝕性能。
　　
　　二、優(yōu)化水庫泄流排沙設(shè)計，降低過機含沙量
　　
　　1.利用泄洪底孔作為樞紐主要排沙建筑物
　　
　　大壩左側(cè)5～10號壩段的8個泄洪底孔進口底坎高程為915.0ｍ蓄水前壩前庫底高程為899.0ｍ，比機組進水口低17ｍ，比引黃取水口低37ｍ，在庫水位970ｍ水庫最高洪水位時，單孔泄量為660ｍ3/ｓ。泄洪底孔能夠排走水庫中大量泥沙，有效控制泥沙主流，減少過機含沙量，維持有效庫容。
　　
　　2.設(shè)置5個電站壩段排沙孔
　　
　　在大壩右側(cè)13～17號壩段設(shè)置5個電站壩段排沙孔，其位置在機組進水口左下側(cè)912.0ｍ高程處(其中5、6號機組共用1孔)，主要控制直徑大于0.05ｍｍ的有害顆粒泥沙過機。在水庫最低運用水位952.0ｍ高程時，其孔泄流量為60ｍ³/ｓ。排沙孔能將有害顆粒泥沙排至下游，減少有害顆粒過機；同時也可以排走水庫右側(cè)大量泥沙，有效防止機組檢修時進水口下部泥沙淤積。根據(jù)三門峽、龔嘴等電廠的運行經(jīng)驗，電站壩段排沙孔排走的有害顆粒泥沙應(yīng)為機組的10倍左右，可大大改善水輪機的運行條件，減輕對水輪機的磨蝕。
　　
　　三、合理選擇水輪機參數(shù)，降低磨蝕的影響
　　
　　1.合理選擇轉(zhuǎn)輪流道中的水流速度
　　
　　轉(zhuǎn)輪流道中含沙水流的相對速度是影響水輪機磨損強度的重要因素。根據(jù)黃河上多泥沙電站的水輪機運行情況和有關(guān)含沙水流磨蝕試驗資料，結(jié)合本電站運行特點按照多泥沙河流適當(dāng)降低水輪機參數(shù)水平的原則，參考已建電站的設(shè)計運行經(jīng)驗，確定萬家寨水輪機的比轉(zhuǎn)速為220ｍ.kW并使得額定工況下轉(zhuǎn)輪葉片出口相對流速小于38ｍ/ｓ，最小水頭、導(dǎo)葉全開工況下，轉(zhuǎn)輪葉片出口相對流速小于34ｍ/ｓ；高含沙量排沙期時段，導(dǎo)葉區(qū)最大流速小于20ｍ/ｓ，從而減輕高速含沙水流對水輪機部件的磨蝕。
　　
　　2.合理選擇水輪機的吸出高度和安裝高程
　　
　　在含沙水流條件下，氣蝕往往提前發(fā)生，而且氣蝕與磨損的聯(lián)合作用又將進一步加重水輪機的磨蝕損壞程度。本電站按排沙期5臺機組運行、1臺機組檢修來選擇水輪機最大吸出高度為－5.0ｍ即能滿足各種可能的運行工況，這時水輪機安裝高程應(yīng)該為895.0ｍ。而實際最終確定的水輪機安裝高程為894.5ｍ，實際水輪機允許吸出高度為－3.58ｍ，真機裝置氣蝕系數(shù)與模型臨界氣蝕系數(shù)的比值在含沙水流條件下大于2，在清水條件下大于1.5，使得氣蝕有較大的安全余量，保證水輪機能在高含沙水流條件下更有效地抗氣蝕磨損，長期高效運行。
　　
　　3.合理選擇水輪機設(shè)計水頭
　　
　　水輪機運行工況直接影響著水輪機的磨蝕程度。合理選擇水輪機設(shè)計水頭，使水輪機在汛期也能有相對較好的運行工況，可以大大降低磨蝕對機組的影響。萬家寨水利樞紐采用"蓄清排渾"的運用方式，電站每年8、9兩個月為排沙期，水庫從防洪限制水位966.0ｍ高程下降到957.0～952.0ｍ高程之間水輪機在低水頭50～55ｍ、含沙水流條件下?lián)握{(diào)峰運行；其余的水輪機正常運行時段，水輪機在較高水頭68～75ｍ基本上是在清水條件下?lián)畏搴蛇\行。兼顧上述兩種運行工況，使水輪機盡可能少偏離最優(yōu)工況區(qū)，既能多發(fā)電量，又可減輕磨損。經(jīng)計算和比較，水輪機設(shè)計水頭最終確定為68ｍ。