多泥沙河流水輪機抗磨蝕的技術研究

王 超，常 軒國家知識產權局專利局專利審查協作江蘇中心，江蘇蘇州 215000

多泥沙河流水輪機抗磨蝕的技術研究

王 超，常 軒
國家知識產權局專利局專利審查協作江蘇中心，江蘇蘇州 215000

水力發電是當前一種主要的發電形式，具有綠色環保的優勢。而在水電站水輪機的運行當中，如果運行環境為多泥沙河流，將會更容易受到磨蝕，特別是在一些過流部件當中，將會發生更加嚴重的磨損。對此，為了對水輪機的磨蝕率進行控制，應當對其磨蝕規律進行分析，并根據水輪機運行條件、組成部件、建筑特征、泥沙特征等因素，對磨蝕情況進行分析。同時根據水輪機磨蝕的不良后果及影響因素，對多泥沙河流水輪機抗磨蝕技術進行了分析。

多泥沙河流；水輪機；抗磨蝕技術

在我國當前很多河流當中，都攜帶著大量的泥沙，因此，很多水電機組的運行環境都是多泥沙河流，面臨著嚴重的磨蝕問題。在涉及范圍內，有12條河流平均年輸沙量高于1億噸，其中，我國的黃河居世界首位，每年輸沙量為16億噸。而黃河與長江兩條河流，其輸沙量在這12條河流當中，輸沙量就占到了34%的比例。在我國，每年高于1 000萬噸輸沙量的河流超過了100條，隨著水土流失的不斷加劇，河流含沙量不斷增長，因而水電站的水輪機的磨蝕情況將會進一步加重，必須采取有效的措施加以應對，才能夠解決這一問題。

1 水輪機磨蝕的不良后果

在水電站水輪機的運行當中，如果受到磨蝕情況較為嚴重，其機械效率、容積效率、誰能效率等，都會受到不良的影響，機組整體發電效率也將大打折扣，因而水電站的年發電量也會有所降低。在水輪機發生磨蝕之后，機組振動幅度將會提升，水輪機關機時間可能延長，甚至會發生漏水的情況，對水輪機的安全運行造成干擾。在水輪機磨蝕后，將會提升發生經常性事故的概率，水輪機的檢修期也被極大的縮短，檢修工作量也大大增加。同時，水電站需要花費更多的時間、精力、資金在水輪機檢修上，其維護和運行成本升高，水電站的經濟效益就會降低。而在水電站大多數的維護和檢修工作當中，通常也就是為了對水輪機的磨蝕問題進行解決［1］。

2 水輪機磨蝕的影響因素

在水輪機的磨蝕情況中，存在很多方面的影響因素，例如沙粒特征、工程設計、機組設計制造、運行條件、防護材料、流場條件等。在多泥沙河流當中，沙粒特征主要體現在級配、硬度、礦物質組成、形狀、大小等方面，不同特征的沙粒會對水輪機造成不同程度的磨蝕。在流道進口高程、底孔等工程設計當中，如果設計不合理，將會增加泥沙過流量，導致更多的粗顆粒沙粒過機。在水輪機的磨蝕當中，導水葉翼、葉片等水流速度均勻程度有著很大的影響，具體來說，不均勻的水流速度，將會造成過大的泥沙局部運動。在部件之間，水輪機磨蝕會受到空隙的較大影響，如果水流經過過窄的空隙，會產生空蝕、空化、擾動等情況。如果彎道水流過急，也容易發生局部磨損。

在設計水利機組取水口的時候，會對過機含沙量造成影響。因此，對于水輪機抗磨蝕性能來說，葉片的作用是十分關鍵的。對于水輪機來說，負荷、磨蝕程度之間，存在著一定的聯系，當負荷增加，磨蝕情況也更為嚴重。在水輪機表面防護材料中，如果具有更大硬度的質地，就會具有越高的抗磨蝕能力。如果水輪機采用了抗空化性良好的材料，抗磨蝕能力也會提升［2］。在表面防護層中，防護材料的性質也會對抗磨蝕能力產生影響。在泥沙流速、流道壁磨損之間，存在著密切的聯系。當有偏流出現在大型流場中，會造成過大的局部流速、漩渦等。對于流場流速、水輪機轉輪葉片的分布數據來說，利用流動可視化技術、計算機技術等，能夠對流場情況進行了解。

在與設計工況相偏離的情況下，葉片可能產生漩渦，因而水流會從不同角度摩擦、撞擊和接觸葉片。而在多泥沙河流中，水流當中還會攜帶大量的泥沙，從而對水輪機造成更加嚴重的磨蝕［3］。另外，產生的漩渦會聚集泥沙，使局部含沙量大增，從而增加了水輪機的磨蝕程度。此外，水流紊流度也會對水輪機磨蝕產生影響，在越大的紊流度情況下，將會造成更加嚴重的水輪機磨蝕。不穩定的流態可能在空化現象的影響下發生，空泡造成局部擾動，使得泥沙加速度提升，水輪機磨蝕程度也會更加嚴重。而在多泥沙河流當中，空化現象也較為普遍，空蝕現象也會由于邊壁材料沙粒磨損而增加，從而對水輪機造成更大的磨蝕。

3 水輪機抗磨蝕技術應用

在多泥沙河流當中，為了對水輪機的磨蝕情況進行更為有效的應對和處理，可以對水輪機的過流部件進行妥善的表面防護，利用金屬陶瓷、不銹鋼、抗磨焊條等表面防護劑，通過噴焊、堆焊、鋪焊等方式對過流部件表面進行覆蓋。或是利用高分子材料、尼龍、復合樹脂等非金屬材料，通過澆筑、涂抹等方式對過流部件表面進行覆蓋。在實際應用當中，要根據水輪機及多泥沙河流的實際情況，選擇相應的工藝、方法和材料組合，從而使水輪機的抗磨蝕性能得到有效的提升。可以利用相應的方法和措施對多泥沙河流進行處理，是過機的大粗顆粒、含沙量等發生降低，從而降低其對水輪機造成的磨蝕［4］。由于我國多泥沙河流水電站數量較多，也為水輪機的抗磨蝕技術應用提供了一些思考。

例如，在黃河水電站的建設當中，對于排沙措施并沒有進行充分的考慮，因而造成淤積了大量泥沙。在汛期，過機的泥沙量極大，使得水輪機遭受了更為嚴重的磨蝕。因此，在此后進行水電站建設當中，對于泥沙的問題，都會進行充分的思考，通過對水沙進行合理的調度，采用汛期關閉機組、洪水大量排沙等技術，使得水輪機磨蝕情況得到了有效的緩解。對于水輪機的過流部位，應當定期進行檢修，根據水電站的實際運行情況，對相應的檢修周期進行設定。應當對經濟維護的技術和理念進行提倡和應用，利用集中型維修策略，在維修當中確保良好的維修質量。對水輪機利用先進的設備、工藝、技術等，使維修水平、維修效率等都能夠得到有效的提升。

在多泥沙河流當中，對于制定水電站運行調度措施，應當對機組運行工況進行有效的優化，防止產生氣蝕的問題。對補氣系統應進行設置，并利用補氣措施對水輪機轉輪出口區進行處理，從而避免水輪機受到氣蝕的影響。對于發電、排沙等運行方式，應當進行科學的設計與安排，不但要達到排沙的標準，也應確保良好的發電效率［5］。在水輪機的設計當中，應當進行科學有效的設計，能夠確保均勻的流速，方式出現漩渦、脫流的情況，降低泥沙對水輪機的磨蝕。例如，在水輪機的設計制造當中，可以基于數值模擬優化理論、三元理論等理論基礎知識，利用先進的技術手段，采用CFD軟件等方式，對其進行設計，并對各個流道參數進行優化，從而進一步提升水輪機的性能和抗磨蝕能力。

4 結論

水電站發電是我國當前一種十分重要的發電形式，在水電站的建設當中，往往要處于多泥沙河流的環境下。因此，在水電站的運行當中，水輪機很容易受到河流中泥沙的影響，從而發生磨蝕的情況。因此，應當對多泥沙河流水輪機抗磨蝕技術進行細致的研究，確保水電站水輪機的良好運行狀態。

［1］文曉涵.新疆克孜河流域塔日勒嘎水電站水輪機抗泥沙磨蝕解決方案［J］.湖南水利水電，2014（4）：100-103.

［2］程廣福，魏松，李長虹，等.高速火焰噴涂技術在水輪機抗磨蝕方面的應用［J］.大電機技術，2011（1）：50-52.

［3］鄭凱，朱海峰，常龍，等.表面涂層技術在水輪機抗磨蝕中的應用及發展［J］.水電與抽水蓄能，2015（6）：56-60.

［4］郭萬宇，程巖，楊東，等.電火花表面強化技術在多泥沙河流水輪機磨蝕表面抗磨應用及研究［J］.電力科技與環保，2012（6）：24-27.

［5］李延頻，王鵬飛，陽莉，等.黃河上水電站混流式水輪機磨蝕與防護措施的研究［J］.水力發電，2010（4）：70-72.

TH17

A

1674-6708（2016）168-0226-02

王超，國家知識產權局專利局專利審查協作江蘇中心。

常軒，國家知識產權局專利局專利審查協作江蘇中心。