多沙水域水輪機(jī)防水力破壞措施分析

梁 興，李志紅

（南昌工程學(xué)院，江西 南昌 330099）

前言

由沖刷磨蝕以及空蝕等現(xiàn)象所造成的水力破壞，對(duì)葉片、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、閥門、上冠、底環(huán)乃至水工建筑物等水電站過(guò)流部件都有一定的危害。受此影響，我國(guó)現(xiàn)有水電站，特別是黃河、長(zhǎng)江流域的水電站幾乎每年都要進(jìn)行大修。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，由磨蝕造成的電能損失達(dá)20億度以上。而且隨著老電站機(jī)組日益老化、水文水質(zhì)條件變化，以及新機(jī)組單機(jī)容量的日益增大，該水力破壞所造成的危害也將隨之增加。

這種由多相流繞流誘發(fā)的水力破壞現(xiàn)象，已經(jīng)嚴(yán)重影響到了水電站工作效能以及水能資源的充分開(kāi)發(fā)。從19世紀(jì)后期第一例空化現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者投入了大量的時(shí)間和精力，從多相流體力學(xué)、材料力學(xué)到葉輪設(shè)計(jì)、加工工藝、材料應(yīng)用，從理論分析到試驗(yàn)論證，多學(xué)科交叉研究，雖然取得了一定成果，但仍然存在一定的問(wèn)題。本文從工程實(shí)際和材料科學(xué)出發(fā)，分析了水力破壞發(fā)生的機(jī)理，并從排沙設(shè)施、水輪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作參數(shù)優(yōu)化、水輪機(jī)鑄造用材選擇和抗磨蝕涂層等方面進(jìn)行討論，并展望了減輕水力破壞損失技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

1 多相流誘發(fā)的水力破壞現(xiàn)象

水輪機(jī)水力破壞現(xiàn)象一般被分為兩大類：沖刷磨蝕和空蝕。雖然它們都可以歸類于多相流誘發(fā)的水力破壞，且兩者之間也存在著相互促進(jìn)的作用，但是它們的工作介質(zhì)、發(fā)生機(jī)理以及發(fā)生部位卻不盡相同。

1.1 沖刷磨蝕

水流中挾帶著諸如河沙、巖石碎片等固體顆粒，通過(guò)轉(zhuǎn)輪等過(guò)流部件時(shí)，由于這些固體顆粒不斷的沖擊及切削作用，工作表面很容易出現(xiàn)魚鱗狀或波紋狀的劃痕，這種現(xiàn)象就是沖刷磨蝕，但是運(yùn)行在清水中的水輪機(jī)葉輪表面，卻極少出現(xiàn)這種外貌特征。影響水輪機(jī)沖刷磨蝕的主要因素可以總結(jié)為表1。

表1 影響水輪機(jī)沖刷磨蝕的主要因素

在上述因素中，一般以流速、含沙量、沙粒特性等作為影響磨蝕的關(guān)鍵因素。段呂國(guó)[1]等認(rèn)為在水流的沖刷磨蝕中，含沙量存在著一個(gè)臨界值，當(dāng)小于這一臨界值時(shí)，沖刷磨蝕將隨著含沙量的增大而增大，如果大于這一臨界值，情況則相反。楚清河[2]等人則通過(guò)試驗(yàn)研究了不同含沙量下磨蝕失重量的變化情況，并給出了一個(gè)磨蝕失重量與含沙量之間的參考公式：

其中tw為磨蝕的失重量，單位mg，s為含沙量，單位kg/m3。

Finnie[3]在剛性粒子的假定基礎(chǔ)上，研究了低攻角下沖刷磨蝕的情況，提出了微切削理論，用經(jīng)驗(yàn)公式定量表達(dá)了沖刷磨蝕率與攻角的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

GP Tilly[4]則側(cè)重于研究邊壁材料，并提出了第二相粒子脫層理論，他認(rèn)為在實(shí)際應(yīng)用中，邊壁的亞表面材料中夾雜著一些硬質(zhì)顆粒，兩相流中固體粒子的連續(xù)沖擊下，一旦邊壁亞表面內(nèi)所受應(yīng)力超過(guò)某一值，這些硬質(zhì)顆粒將自動(dòng)與母體分離，加速磨蝕。

J.GA.Bitter[5]則著眼于邊壁材料的屈服強(qiáng)度，認(rèn)為即便沖刷顆粒能量較小，但是經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期反復(fù)沖刷，也會(huì)導(dǎo)致邊壁材料產(chǎn)生疲勞裂紋，進(jìn)而提出疲勞剝落理論。

1.2 空蝕

空蝕與沖刷磨蝕的固液兩相流不同，它是一種氣液兩相流。在水流溫度不變的情況下，當(dāng)內(nèi)部壓力降低到某一臨界點(diǎn)后，會(huì)發(fā)生汽化現(xiàn)象形成空穴，由于水輪機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)流速變化劇烈，空穴會(huì)在極短的時(shí)間內(nèi)潰滅，形成高速壓力波沖擊到葉片上，使葉片發(fā)生塑性變形、材料脫落等變化，在葉片表面上留下點(diǎn)狀、孔狀，甚至是蜂窩狀痕跡。鮑崇高[6]等人通過(guò)試驗(yàn)，驗(yàn)證了空蝕現(xiàn)象常在葉片背面發(fā)生，主要原因是葉片背面壓力分布不均勻，其低壓區(qū)易于出現(xiàn)空穴。常見(jiàn)的衡量空蝕的方法見(jiàn)表2。

表2 衡量空蝕的方法

空蝕不僅涉及到了葉片表面的材料因素，比如硬度、抗疲勞性、韌性、表面粗糙度、晶粒尺寸以及耐高溫性等特性，而且與水流酸堿性、流場(chǎng)溫度、水流含氣量、流速等因素有關(guān)，同時(shí)，氣液兩相流中是否含有固體顆粒對(duì)空蝕的危害也有很大影響。科研人員在空蝕機(jī)理方面取得了不少進(jìn)展。比如，G.Bregliozzi[7]等人研究了在相同空蝕條件下，不同硬度材料的抗空蝕特性，并給出了選材的建議。

1.3 空蝕、磨蝕及腐蝕聯(lián)合作用

由于水流具有一定酸堿度，而水流中夾帶的顆粒，比如粘滯性較強(qiáng)的土壤碎末等，也會(huì)帶有酸堿性，一旦它們附著在過(guò)流部件的表面上，化學(xué)腐蝕是難以避免的。更重要的是，Wyler[8]通過(guò)試驗(yàn)證實(shí)了化學(xué)腐蝕和空蝕之間是互相促進(jìn)的，兩者聯(lián)合作用所造成的破壞要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單獨(dú)作用所產(chǎn)生的破壞。

從理論上分析，空蝕所產(chǎn)生的高溫、水汽及氧，會(huì)加快腐蝕速度，而被腐蝕的金屬表面受到疲勞破壞時(shí)，也更加容易變形、剝蝕。邢文靜[9]等人采用失重法、表面粗糙度測(cè)量等方法，分析了幾種耐磨鋼在不同酸性介質(zhì)中的磨蝕和空蝕情況后，不僅得出顆粒濃度是影響磨蝕程度的關(guān)鍵因素，而且也驗(yàn)證了腐蝕和空蝕相互間的促進(jìn)作用。

沖刷磨蝕和空蝕的聯(lián)合作用要比上述討論的破壞作用更大，有時(shí)甚至比直接噴砂還要嚴(yán)重。姜?jiǎng)倮鸞10]等人通過(guò)旋轉(zhuǎn)圓盤儀對(duì)多相流破壞行為進(jìn)行了研究，結(jié)果表明空蝕對(duì)失重量的影響隨含沙量的增加而增大，到達(dá)轉(zhuǎn)折點(diǎn)以后，空蝕對(duì)失重量的影響趨于穩(wěn)定。

2 誘發(fā)磨蝕和空蝕現(xiàn)象的主要原因

（1）和一些發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)河流含沙量較大，其中黃河（陜縣站）多年平均含沙量為36.9kg/m3，居世界第一，遼河（鐵嶺站）為3.60 kg/m3，長(zhǎng)江支流嘉陵江（北碚站）為2.31kg/m3，因此，我國(guó)大部分水電站極易受到?jīng)_刷磨蝕影響。例如，田莊水電站由于磨蝕作用，轉(zhuǎn)輪葉片出口處缺口掉邊，導(dǎo)致水輪機(jī)效率僅為設(shè)計(jì)效率的50%；

（2）在 1990年以前，我國(guó)水輪機(jī)選型的通用方法是型譜法。由于地理位置的不同，實(shí)際運(yùn)行中的水電站經(jīng)常偏離其設(shè)計(jì)工況，甚至不在其設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行，另外還存在著氣候、水文條件的變化及管道效率下降等因素，這導(dǎo)致過(guò)流條件惡化，水力損失增大，水輪機(jī)性能下降，穩(wěn)定性較差，極大地增加了空蝕發(fā)生的可能性。例如，實(shí)測(cè)龔嘴水電站2號(hào)機(jī)組，大修后的平均效率比大修前提高了3.1%；

（3）我國(guó)國(guó)土面積廣闊，各條河流水質(zhì)條件比如酸堿性等是不同的，水輪機(jī)所用材料，特別是耐蝕涂料如果選擇不當(dāng)，可能會(huì)加速腐蝕現(xiàn)象。例如，萬(wàn)家寨水電站基本上是清水發(fā)電，2號(hào)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪采用了法國(guó)奈爾皮克技術(shù)噴涂了聚氨酯涂層，在很短的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)發(fā)生了鼓包和嚴(yán)重脫落，但是，采用碳化硅環(huán)氧復(fù)合涂層的4號(hào)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪，在運(yùn)行1949h之后只有局部脫落，大部分是完好的；而沒(méi)有采用抗磨蝕涂層的1號(hào)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪在運(yùn)行13666h后，表面僅有個(gè)別輕微空蝕點(diǎn)，轉(zhuǎn)輪型線完好如初。

3 減輕水力破壞的措施

針對(duì)水力破壞產(chǎn)生的原因，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從防止和防護(hù)兩角度出發(fā)，在水輪機(jī)運(yùn)行方式、水電站設(shè)計(jì)、水輪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、水輪機(jī)主體材料應(yīng)用以及抗磨蝕涂層等方面，進(jìn)行了大量有益的探索與研究。現(xiàn)總結(jié)如下：

3.1 合理布置水工建筑物，減少過(guò)機(jī)的泥沙量

布置水工建筑物，尤其是取水口以及沖沙底孔的位置時(shí)，應(yīng)考慮泥沙因素，充分利用地形條件，減少泥沙進(jìn)入，合理設(shè)置排沙設(shè)施，選擇適當(dāng)?shù)臅r(shí)間調(diào)水調(diào)沙。例如，三門峽水電站改變?cè)信派撤绞胶螅谘雌诶门派车卓着派常瑢⑦^(guò)機(jī)的泥沙量減少了50%，不僅降低了沖刷磨蝕影響，而且讓水輪機(jī)可以在汛期滿負(fù)荷發(fā)電，充分利用水能資源。

3.2 優(yōu)化水輪機(jī)結(jié)構(gòu)，提高加工工藝

從磨蝕、空蝕機(jī)理中可以看出，運(yùn)行在含沙水域中的水輪機(jī)及其過(guò)流部件，作為邊壁都是磨蝕、空蝕的一個(gè)重要影響因素，特別是水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的設(shè)計(jì)、用材以及加工工藝更是重中之重。近年來(lái)CFD計(jì)算的發(fā)展更是為分析水輪機(jī)結(jié)構(gòu)及翼型空化提供了有力的工具。宋海輝等[10]利用 CFD技術(shù)模擬了轉(zhuǎn)輪抗空蝕性能，并通過(guò)實(shí)踐證明，驗(yàn)證了經(jīng)過(guò)抗空蝕改造后，水輪機(jī)的抗空蝕性能有很大的提高。

在轉(zhuǎn)輪鑄造用材上則偏重于選擇硬度高、韌性好、質(zhì)量分布均勻、疲勞極限高、結(jié)晶顆粒細(xì)的材料，比如馬氏體不銹鋼 0Cr13Ni4Mo、0Cr13Ni5Mo、ZG06Cr16Ni5Mo等材料。三門峽水電站發(fā)電試驗(yàn)表明，ZG06Cr16Ni5Mo鑄鋼的抗磨蝕性要優(yōu)于馬氏體不銹鋼0Cr13Ni4Mo。高云濤[11]等人介紹了劉家峽水電站水輪機(jī)抗磨蝕性能，該電站水輪機(jī)母材為0Cr13Ni5Mo。張小彬[12]等調(diào)整合金成分，通過(guò)真空精煉工藝，開(kāi)發(fā)了M-CrNiMo不銹鋼，該材料具有較強(qiáng)的抗磨蝕性能，且不易出現(xiàn)裂紋。但是由于加工成本較高，工藝復(fù)雜，這類新型材料還有待進(jìn)一步的研究。

3.3 涂層保護(hù)

只要水輪機(jī)在含沙水域中運(yùn)行，至少?zèng)_刷磨蝕是必然存在的。因此，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的涂層保護(hù)，無(wú)論是涂層材料，還是噴涂工藝，一直都是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，并且已取得了顯著成效。噴涂材料有金屬、合金、陶瓷、塑料等多種類別。噴涂工藝則由表面刷涂、堆焊、電鍍，逐漸發(fā)展到火焰噴涂、電弧噴涂、等離子噴涂等，比如東川電站就采用電鍍的方法，在水機(jī)表面形成了以稀土鉻合金為主的電鍍層，硬度高達(dá)HV1000，具有較好的抗磨蝕性能。張健生等[13]人跟蹤分析了小浪底水電站所采用的聚氨酯涂層和碳化鎢硬涂層抗磨蝕、抗空蝕的效果，給出了有益的建議。

另外，吳鋼[14]等人采用噴丸工藝以強(qiáng)化水力機(jī)械的表面，提高了機(jī)械材料的疲勞壽命，且利用 ansys軟件進(jìn)行了數(shù)值仿真，并與試驗(yàn)資料驗(yàn)證，得出噴丸工藝的有效性。

4 結(jié)語(yǔ)

由于我國(guó)河流泥沙含量相對(duì)較大，沖刷磨蝕和空蝕現(xiàn)象在水輪機(jī)運(yùn)行中不可避免。但受各水電站工作環(huán)境等因素的影響，抗磨蝕抗空蝕措施千變?nèi)f化，效果也有好有壞。因此，總結(jié)磨蝕規(guī)律，研究空蝕機(jī)理，理清減輕水力破壞的思路，探索抗磨蝕和空蝕的措施，對(duì)水電站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有很大的參考價(jià)值和指導(dǎo)意義，對(duì)已投產(chǎn)電站來(lái)說(shuō)，發(fā)展新型抗磨蝕材料、采用高新噴涂工藝是提高水電站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的有力保障。

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