黨河上游二級電站水輪機的抗磨設計

解再益（湖南云箭集團有限公司，湖南 長沙 40100）

黨河上游二級電站水輪機的抗磨設計

解再益
（湖南云箭集團有限公司，湖南 長沙 40100）

摘要：黨河上游二級站設計水頭較高，河流的泥沙含量大，我們采取多種聯合措施，從選擇合理的機型參數、抗磨結構設計和優化機組運行工況等多個方面考慮，全方位降低水輪機的泥沙磨蝕。通過探索更為全面的抗磨蝕方法，延長了水輪機的使用壽命，保證滿足了機組大修周期，最終獲得了更好的綜合效益。

關鍵詞：多泥沙；抗磨蝕；結構設計；材料；水力性能

1　概況

1.1電站概況

黨河發源于祁連山脈，流入敦煌結束，是一條內陸河，黨河上游二級水電站位于肅北縣城南42km的黨河主河道上，電站裝機容量為12.6MW，單機容量4.2MW，電站設計引用流量Q引=5.3m3/s，年平均發電量0.6億kW·h。

電站海拔高程3080m，電站多年平均懸移質含沙量為1.9kg/m3，多年平均懸移質輸沙量為20萬t，河流含沙量較大，而且推移質較多。

1.2電站基本參數

（1）電站水頭

最大水頭：Hmax=102m

最小水頭：Hmin=94m

額定水頭：Hsj=95.5m

（2）流量

設計引用流量：Q引=5.3m3/s

最小流量：Q保=2.0m3/s

（3）裝機容量及臺數

裝機容量3×4200kW

裝機臺數3臺

（4）電站型式：渠道引水式電站，采用臥式布置

（5）電站負荷性質及運行方式：基荷、聯網運行

2　機型選擇

對于多泥沙電站的機型選擇，一般要著重考慮二個方面：機組轉速和安裝高程的確定。

水輪機流道中含沙水流的相對速度是影響水輪機磨蝕的重要因素。有關的研究和試驗表明，水輪機過流部件的磨蝕與含沙水流速的n次方成正比[1]，對于轉輪葉片，一般n≥3。若流速增加10%，則磨蝕可加劇約33%,因此，應設法減小轉輪出口的相對流速，除加大轉輪直徑外，降低轉速是最好的選擇，以減緩水輪機轉輪及過流部件的磨蝕，這一點對多泥沙水輪機的選型尤為重要。

在含沙水流條件下，水輪機的空蝕往往提前發生，而且空蝕與磨蝕的聯合作用又將進一步加重水輪機的磨蝕損壞程度。因此機組的安裝高程要多留余量，以減輕空蝕和磨蝕的聯合作用。

根據黨河上游二級站的基本參數，在國內目前各水頭段的優秀模型轉輪的初選中，優化選出四個具有代表性的、不同轉速的原型水輪機，其型號及參數見表1。

表1原型水輪機主要參數

從表1中，可以看出：

（1）若采用500r/min轉速，水輪機按臥式布置，機組的安裝高程不夠，且轉輪直徑偏大，因此不推薦此方案；

（2）若采用600r/min轉速，其水輪機的空化系數最小，安裝高程有一定的裕度，而且機組的轉速降了二檔，降低了轉輪的出口流速，有效地減少了泥沙的磨蝕；

（3）若采用750r/min轉速，從參數上看能滿足電站的要求，但從降低轉輪出口的流速的角度出發，也不推薦此方案。

最終確定選用600r/min的轉速方案，即水輪機為HLD307C-WJ-105，電站的安裝高程取+2m。其原型機的運行區間圖見圖1。

從原型機的運行區間圖可以看出，運行工況接近最優工況，此時流態最好；原型機的整個運行工況分布合理，在機組穩定運行的45～100%出力范圍內，均處于模型曲線的高效區，并包含了模型曲線的最優工況區，因此600r/min轉速方案的選擇是合理的。

圖1原型水輪機運行區間圖

3　抗磨設計

多泥沙電站水輪機的抗磨蝕設計，可以從水力優化設計、材料及加工、結構設計等幾個方面綜合考慮；同時對容易磨蝕的部件做成易更換的結構，以方便電站的維護。

3.1轉輪

轉輪是水輪機中主要的能量轉換部件，是水輪機的心臟，同時也是易磨蝕的重要部件，因此轉輪的抗磨設計就具有特別重要的意義了。轉輪抗磨設計主要有以下幾方面。

3.1.1轉輪水力優化設計

合理設計轉輪，利用最先進的CFD軟件分析并改善轉輪內的流態，尤其在偏離最優工況時適當減少轉輪出口環量，可以改善水輪機的壓力脈動和空化性能。

電站運行表明混流式水輪機轉輪遭受破壞較嚴重的部位有：葉片進水邊、葉片出水邊及下環內表面處，其主要原因是這些部件表面流速相對較高，甚至有旋渦和脫流產生，從而導致嚴重的泥沙磨蝕。

因此只有降低葉片表面的流速，才能有效地改善水輪機的壓力脈動和空化性能。水輪機轉輪將采用特殊的進水邊，顯著降低轉輪進水邊的初生空化系數。盡可能避免在運行區內出現脫流和葉片流道內的二次流。特別是在低水頭運行時因進水邊正面脫流往往導致劇烈紊流，會給含沙水流中運行的轉輪造成嚴重磨蝕。同時將葉片的出水邊設計得比常規要厚實，以增加轉輪葉片出水邊的抗磨性。

3.1.2材料選擇

轉輪材料考慮選用可焊性好的不銹鋼材料，以便將來能在現場進行補焊修復。同時要考慮材料應具有更高的硬度，則采用馬氏體不銹鋼比奧氏體不銹鋼要好。根據多種試驗表明，葉片常用材料中，馬氏體不銹鋼耐磨蝕性能最好,但焊接性能不好，塑韌性差，不適用葉片材料。

ZG0Cr16Ni5Mo（16～5）是瑞典，法國、挪威、日本等國家從法國17-4PH基礎上研制的，經試驗和實際運行考驗，該鋼具有很好的機械性能、機加工性能和鑄造性能，因該材料含碳量更低，有更多的逆變奧氏體，因此，可焊性更好，可以不進行預熱焊接，耐磨蝕性能最佳，這對電站現場的葉片修復更為有利。為此選定優質的ZG0Cr16Ni5Mo不銹鋼為黨河上游二級站水輪機轉輪材料。

3.1.3轉輪制造

3.1.3.1轉輪葉片采用VOD真空精煉

葉片的制造方式會對葉片耐磨損性能產生較大影響。

微觀分析表明汽蝕破壞孕育期中，汽泡潰滅產生的針孔，主要沿葉片表面劃痕分布，并沿劃痕開裂。提高表面光潔度，可延長汽蝕孕育期。鋼中夾雜汽孔及疏松等鑄造缺陷對空蝕破壞速度有加速作用，裂紋可借助這些缺陷快速擴展。因此提高鋼水純凈度，減少鑄造缺陷可減緩空蝕破壞速度。

在葉片表面由于缺陷產生的磨損坑，使水流惡化，成為空蝕源，并加速后面部位的磨損，產生新的磨損坑，循環往復，使葉片表面被磨損掉，形成魚鱗坑。這在真機葉片中已得到證明。

因此轉輪葉片我們采用VOD真空精煉。

3.1.3.2葉片采用數控機床加工

葉片加工質量的好壞與轉輪的抗磨性能有很大的關系，葉片表面平順，光潔度高，不容易產生磨損。黨河上游二級站轉輪葉片加工將采用數控機床加工，該方法具有精度高、速度快、質量好等優點，此方法已成功應用于各電站。數控加工的葉片，其型線偏差和尺寸精度等都將超過IEC60193的要求。提高葉片表面的光潔度，過水流道的表面光潔度達至Ra3.2和Ra1.6，使葉片進水邊和出水邊的粗糙度達到3.2μm,葉片其它部分的粗糙度達到6.4μm以下。

選用優質的抗磨材料，并提高制造工藝水平，是可以大大降低轉輪的磨蝕強度，延長使用壽命的。

3.2主軸密封結構

在對黨河二級站的多泥沙的情況進行了充分的論證分析,并結合新疆、甘肅等多泥沙電站的設計經驗，以及調研多個電站密封結構的基礎上，優化設計出如圖2所示的組合式主軸密封結構，以確保主軸密封的有效與實用。

這個組合式的主軸密封采用的是多級泵板+非接觸式密封+橡膠平板密封的結構，由多個密封優化組合而成。

第一道密封如圖2序1所示，為轉輪的泵板密封，由轉輪與頂蓋組成，原理是當水輪機正常運行時，轉輪上的泵板裝置轉動，帶動轉輪上冠空腔內的泄漏水一起轉動，在離心力的作用下，在泵板外緣出口處產生壓差，將停留在轉輪上冠空腔處的水，排向轉輪與頂蓋之間的低壓空腔區，經過頂蓋上的排水孔，排到頂蓋的集水腔中，通過2-φ65鋼管接到尾水。少量的泄漏水由主軸間隙密封排到主軸密封位置。

圖2組合式主軸密封結構

由于轉輪的離心力作用，將經過轉輪的泄漏水從轉輪上的泵葉和泵蓋板之間泵出，在泵出的泄漏水的過程中，又對轉輪的泄漏水產生反方向的壓力，減少了轉輪的泄漏水，從而達到很好的密封效果。

第二道密封為圖2中的序2所示的泵板密封結構，串聯設置在主軸上（原理同上），是將少量的泄漏水通過排水管序5再次泵出水輪機，并產生反方向的壓力，阻止泄漏水外流。

第三道密封是序3的橡膠平板密封，此密封完全為了延長機組檢修時間所設置的一道密封，在前面的數道密封失效的情況下，仍可以起到密封泄漏水的作用，而且結構簡單，檢修方便。

結合轉輪、頂蓋梳齒、密封座等多個間隙密封,能有效地封水。在圍繞主軸密封功效，結合電站的實際情況，從水輪機結構的多個方面出發，設計的一套組合式的方案，實際證明其效果是顯著的。

3.3活動導葉

3.3.1活動導葉水力設計

選擇合理的導葉翼型和最佳的擺放位置，是減輕導葉磨蝕的。合理的導葉翼型，可以避免由于繞流沖角與最大沖角雙重影響而導致流速過高，從而減輕導葉區的磨蝕。

固定導葉與活動導葉雙排葉柵周向相對位置對導葉區域的流動有一定的影響，通過CFD的分析，可使固定導葉與活動導葉處于最佳的周向相對位置，此時導葉區流道最為通暢，導葉角較小，流態最佳，對減輕泥沙磨蝕和提高水輪機效率最為有利。

3.3.2抗磨材料選擇

面對含沙水流的零部件，其材料的選擇至關重要。活動導葉的材料同轉輪材料均采用ZG0Cr16Ni5Mo （16～5）不銹鋼。在材料的選擇上面，盡最大可能選擇抗磨材料，從而延長電站的檢修周期。

3.3.3抗磨結構設計

對于多泥沙電站，導葉的抗磨設計與導葉軸的密封設計同樣至關重要，是影響機組安全穩定運行的又一個關鍵因素。在導葉抗磨設計中主要有：

（1）導葉上、下端面采用帶軸肩和大端蓋的特殊結構，以減小導葉端面的間隙磨蝕并保護下軸套。該技術已被我公司成功的應用于電站改造中，取得了良好的效果。

（2）導葉軸密封采用Yx密封結構，經過電站的實際運行證明，其結構可靠，能有效地利用進水口采用減少泥沙進入間隙的特殊設計。

（3）增加座環、頂蓋、底環的剛度，并適當減少導葉上下端面間隙的設計值和制造誤差。只要保證足夠大的頂蓋剛度，運行時導葉的活動端面間隙才不會變化，從而減少含沙水流對導葉、頂蓋的磨蝕。

（4）頂蓋及底環上設置便于拆換的不銹鋼抗磨板，其型式及進水口采用減少泥沙進入間隙的特殊設計。

4　優化電站的運行工況

優化電站的運行工況就是從源頭上減輕水輪機的磨蝕，要求電站按科學合理的方式來運行，能起到非常好抗磨效果。優化電站運行工況主要有以下三個方面。

4.1排沙和沉沙

通過調研黨河流域的水輪機磨蝕情況，發現雷墩子電站在這方面做得較成功。

雷墩子電站于2010年12月發電，運行一年后，轉輪磨蝕嚴重，主要是出水邊磨蝕。修復三個轉輪，后汛期在前池加裝鋼絲網，大的推移質和躍移質不能進入流道，磨蝕情況減輕很多。2年后檢查，發現轉輪較好，預計還可以再使用4年。主軸密封運行情況較好，基本不漏水，也沒有檢修過。

因此，電站需要在電站進水口前面設置沖沙或導沙坎，以及布置鋼絲網，使河道內的推移質和躍移質進不了水輪機的流道，可大大減輕水輪機的磨蝕。

4.2優化機組運行工況

水輪機運行過程中，應盡可能接近最優工況，此時流態最好，盡可能避免機組運行于低負荷或過負荷工況。對于黨河上游二級站，其導葉區的磨蝕應給予一定關注，尤其是在空載、旋轉備用和關機狀態。在這些狀態，一方面導葉流速高，容易磨蝕；另一方面存在間隙空蝕與泥沙磨蝕的聯合作用，危害較大。

4.3避開洪水期運行

洪水期的水流含沙量劇增，此時要停機。此時發電，對機組損傷巨大，對電站而言是得不償失的。

5　結束語

多泥沙電站水輪機的磨蝕是一個復雜的過程，而其治理是個系統工程，需要多方共同努力。

黨河上游二級站在采取系統性的抗磨措施后，電站已運行2年多，在電站大修檢查時，轉輪、主軸密封、導葉、導葉密封都只有輕微磨蝕，業主對此深感滿意。

與黨河流域上的同類機組相比，黨河上游二級水輪機所采取的一系列抗磨設計是成功的。隨著水輪機設計制造的新技術、新材料的不斷出現，我們將更有信心將水輪機抗磨技術不斷推進到更高水平，不斷延長水輪機的使用壽命，為社會取得更好的經濟效益。

參考文獻：

[1]李國梁.水輪機泥沙磨蝕防護的技術進展[C]//水機磨蝕1999-2000論文集，2000.

中圖分類號：TV734.1

文獻標識碼：B

文章編號：1672-5387（2015）01-0010-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.01.003

收稿日期：2014-08-27

作者簡介：解再益（1975-），男，工程師，從事水輪機設計工作。