多泥沙河流水輪機(jī)抗磨蝕的技術(shù)研究

王 超，常 軒國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心，江蘇蘇州 215000

多泥沙河流水輪機(jī)抗磨蝕的技術(shù)研究

王 超，常 軒
國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心，江蘇蘇州 215000

水力發(fā)電是當(dāng)前一種主要的發(fā)電形式，具有綠色環(huán)保的優(yōu)勢(shì)。而在水電站水輪機(jī)的運(yùn)行當(dāng)中，如果運(yùn)行環(huán)境為多泥沙河流，將會(huì)更容易受到磨蝕，特別是在一些過流部件當(dāng)中，將會(huì)發(fā)生更加嚴(yán)重的磨損。對(duì)此，為了對(duì)水輪機(jī)的磨蝕率進(jìn)行控制，應(yīng)當(dāng)對(duì)其磨蝕規(guī)律進(jìn)行分析，并根據(jù)水輪機(jī)運(yùn)行條件、組成部件、建筑特征、泥沙特征等因素，對(duì)磨蝕情況進(jìn)行分析。同時(shí)根據(jù)水輪機(jī)磨蝕的不良后果及影響因素，對(duì)多泥沙河流水輪機(jī)抗磨蝕技術(shù)進(jìn)行了分析。

多泥沙河流；水輪機(jī)；抗磨蝕技術(shù)

在我國(guó)當(dāng)前很多河流當(dāng)中，都攜帶著大量的泥沙，因此，很多水電機(jī)組的運(yùn)行環(huán)境都是多泥沙河流，面臨著嚴(yán)重的磨蝕問題。在涉及范圍內(nèi)，有12條河流平均年輸沙量高于1億噸，其中，我國(guó)的黃河居世界首位，每年輸沙量為16億噸。而黃河與長(zhǎng)江兩條河流，其輸沙量在這12條河流當(dāng)中，輸沙量就占到了34%的比例。在我國(guó)，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(zhǎng)，因而水電站的水輪機(jī)的磨蝕情況將會(huì)進(jìn)一步加重，必須采取有效的措施加以應(yīng)對(duì)，才能夠解決這一問題。

1 水輪機(jī)磨蝕的不良后果

在水電站水輪機(jī)的運(yùn)行當(dāng)中，如果受到磨蝕情況較為嚴(yán)重，其機(jī)械效率、容積效率、誰能效率等，都會(huì)受到不良的影響，機(jī)組整體發(fā)電效率也將大打折扣，因而水電站的年發(fā)電量也會(huì)有所降低。在水輪機(jī)發(fā)生磨蝕之后，機(jī)組振動(dòng)幅度將會(huì)提升，水輪機(jī)關(guān)機(jī)時(shí)間可能延長(zhǎng)，甚至?xí)l(fā)生漏水的情況，對(duì)水輪機(jī)的安全運(yùn)行造成干擾。在水輪機(jī)磨蝕后，將會(huì)提升發(fā)生經(jīng)常性事故的概率，水輪機(jī)的檢修期也被極大的縮短，檢修工作量也大大增加。同時(shí)，水電站需要花費(fèi)更多的時(shí)間、精力、資金在水輪機(jī)檢修上，其維護(hù)和運(yùn)行成本升高，水電站的經(jīng)濟(jì)效益就會(huì)降低。而在水電站大多數(shù)的維護(hù)和檢修工作當(dāng)中，通常也就是為了對(duì)水輪機(jī)的磨蝕問題進(jìn)行解決［1］。

2 水輪機(jī)磨蝕的影響因素

在水輪機(jī)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(shè)計(jì)、機(jī)組設(shè)計(jì)制造、運(yùn)行條件、防護(hù)材料、流場(chǎng)條件等。在多泥沙河流當(dāng)中，沙粒特征主要體現(xiàn)在級(jí)配、硬度、礦物質(zhì)組成、形狀、大小等方面，不同特征的沙粒會(huì)對(duì)水輪機(jī)造成不同程度的磨蝕。在流道進(jìn)口高程、底孔等工程設(shè)計(jì)當(dāng)中，如果設(shè)計(jì)不合理，將會(huì)增加泥沙過流量，導(dǎo)致更多的粗顆粒沙粒過機(jī)。在水輪機(jī)的磨蝕當(dāng)中，導(dǎo)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(huì)造成過大的泥沙局部運(yùn)動(dòng)。在部件之間，水輪機(jī)磨蝕會(huì)受到空隙的較大影響，如果水流經(jīng)過過窄的空隙，會(huì)產(chǎn)生空蝕、空化、擾動(dòng)等情況。如果彎道水流過急，也容易發(fā)生局部磨損。

在設(shè)計(jì)水利機(jī)組取水口的時(shí)候，會(huì)對(duì)過機(jī)含沙量造成影響。因此，對(duì)于水輪機(jī)抗磨蝕性能來說，葉片的作用是十分關(guān)鍵的。對(duì)于水輪機(jī)來說，負(fù)荷、磨蝕程度之間，存在著一定的聯(lián)系，當(dāng)負(fù)荷增加，磨蝕情況也更為嚴(yán)重。在水輪機(jī)表面防護(hù)材料中，如果具有更大硬度的質(zhì)地，就會(huì)具有越高的抗磨蝕能力。如果水輪機(jī)采用了抗空化性良好的材料，抗磨蝕能力也會(huì)提升［2］。在表面防護(hù)層中，防護(hù)材料的性質(zhì)也會(huì)對(duì)抗磨蝕能力產(chǎn)生影響。在泥沙流速、流道壁磨損之間，存在著密切的聯(lián)系。當(dāng)有偏流出現(xiàn)在大型流場(chǎng)中，會(huì)造成過大的局部流速、漩渦等。對(duì)于流場(chǎng)流速、水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片的分布數(shù)據(jù)來說，利用流動(dòng)可視化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等，能夠?qū)α鲌?chǎng)情況進(jìn)行了解。

在與設(shè)計(jì)工況相偏離的情況下，葉片可能產(chǎn)生漩渦，因而水流會(huì)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(dāng)中還會(huì)攜帶大量的泥沙，從而對(duì)水輪機(jī)造成更加嚴(yán)重的磨蝕［3］。另外，產(chǎn)生的漩渦會(huì)聚集泥沙，使局部含沙量大增，從而增加了水輪機(jī)的磨蝕程度。此外，水流紊流度也會(huì)對(duì)水輪機(jī)磨蝕產(chǎn)生影響，在越大的紊流度情況下，將會(huì)造成更加嚴(yán)重的水輪機(jī)磨蝕。不穩(wěn)定的流態(tài)可能在空化現(xiàn)象的影響下發(fā)生，空泡造成局部擾動(dòng)，使得泥沙加速度提升，水輪機(jī)磨蝕程度也會(huì)更加嚴(yán)重。而在多泥沙河流當(dāng)中，空化現(xiàn)象也較為普遍，空蝕現(xiàn)象也會(huì)由于邊壁材料沙粒磨損而增加，從而對(duì)水輪機(jī)造成更大的磨蝕。

3 水輪機(jī)抗磨蝕技術(shù)應(yīng)用

在多泥沙河流當(dāng)中，為了對(duì)水輪機(jī)的磨蝕情況進(jìn)行更為有效的應(yīng)對(duì)和處理，可以對(duì)水輪機(jī)的過流部件進(jìn)行妥善的表面防護(hù)，利用金屬陶瓷、不銹鋼、抗磨焊條等表面防護(hù)劑，通過噴焊、堆焊、鋪焊等方式對(duì)過流部件表面進(jìn)行覆蓋?；蚴抢酶叻肿硬牧稀⒛猃?、復(fù)合樹脂等非金屬材料，通過澆筑、涂抹等方式對(duì)過流部件表面進(jìn)行覆蓋。在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，要根據(jù)水輪機(jī)及多泥沙河流的實(shí)際情況，選擇相應(yīng)的工藝、方法和材料組合，從而使水輪機(jī)的抗磨蝕性能得到有效的提升?？梢岳孟鄳?yīng)的方法和措施對(duì)多泥沙河流進(jìn)行處理，是過機(jī)的大粗顆粒、含沙量等發(fā)生降低，從而降低其對(duì)水輪機(jī)造成的磨蝕［4］。由于我國(guó)多泥沙河流水電站數(shù)量較多，也為水輪機(jī)的抗磨蝕技術(shù)應(yīng)用提供了一些思考。

例如，在黃河水電站的建設(shè)當(dāng)中，對(duì)于排沙措施并沒有進(jìn)行充分的考慮，因而造成淤積了大量泥沙。在汛期，過機(jī)的泥沙量極大，使得水輪機(jī)遭受了更為嚴(yán)重的磨蝕。因此，在此后進(jìn)行水電站建設(shè)當(dāng)中，對(duì)于泥沙的問題，都會(huì)進(jìn)行充分的思考，通過對(duì)水沙進(jìn)行合理的調(diào)度，采用汛期關(guān)閉機(jī)組、洪水大量排沙等技術(shù)，使得水輪機(jī)磨蝕情況得到了有效的緩解。對(duì)于水輪機(jī)的過流部位，應(yīng)當(dāng)定期進(jìn)行檢修，根據(jù)水電站的實(shí)際運(yùn)行情況，對(duì)相應(yīng)的檢修周期進(jìn)行設(shè)定。應(yīng)當(dāng)對(duì)經(jīng)濟(jì)維護(hù)的技術(shù)和理念進(jìn)行提倡和應(yīng)用，利用集中型維修策略，在維修當(dāng)中確保良好的維修質(zhì)量。對(duì)水輪機(jī)利用先進(jìn)的設(shè)備、工藝、技術(shù)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(dāng)中，對(duì)于制定水電站運(yùn)行調(diào)度措施，應(yīng)當(dāng)對(duì)機(jī)組運(yùn)行工況進(jìn)行有效的優(yōu)化，防止產(chǎn)生氣蝕的問題。對(duì)補(bǔ)氣系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)行設(shè)置，并利用補(bǔ)氣措施對(duì)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪出口區(qū)進(jìn)行處理，從而避免水輪機(jī)受到氣蝕的影響。對(duì)于發(fā)電、排沙等運(yùn)行方式，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行科學(xué)的設(shè)計(jì)與安排，不但要達(dá)到排沙的標(biāo)準(zhǔn)，也應(yīng)確保良好的發(fā)電效率［5］。在水輪機(jī)的設(shè)計(jì)當(dāng)中，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行科學(xué)有效的設(shè)計(jì)，能夠確保均勻的流速，方式出現(xiàn)漩渦、脫流的情況，降低泥沙對(duì)水輪機(jī)的磨蝕。例如，在水輪機(jī)的設(shè)計(jì)制造當(dāng)中，可以基于數(shù)值模擬優(yōu)化理論、三元理論等理論基礎(chǔ)知識(shí)，利用先進(jìn)的技術(shù)手段，采用CFD軟件等方式，對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)各個(gè)流道參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，從而進(jìn)一步提升水輪機(jī)的性能和抗磨蝕能力。

4 結(jié)論

水電站發(fā)電是我國(guó)當(dāng)前一種十分重要的發(fā)電形式，在水電站的建設(shè)當(dāng)中，往往要處于多泥沙河流的環(huán)境下。因此，在水電站的運(yùn)行當(dāng)中，水輪機(jī)很容易受到河流中泥沙的影響，從而發(fā)生磨蝕的情況。因此，應(yīng)當(dāng)對(duì)多泥沙河流水輪機(jī)抗磨蝕技術(shù)進(jìn)行細(xì)致的研究，確保水電站水輪機(jī)的良好運(yùn)行狀態(tài)。

［1］文曉涵.新疆克孜河流域塔日勒嘎水電站水輪機(jī)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(zhǎng)虹，等.高速火焰噴涂技術(shù)在水輪機(jī)抗磨蝕方面的應(yīng)用［J］.大電機(jī)技術(shù)，2011（1）：50-52.

［3］鄭凱，朱海峰，常龍，等.表面涂層技術(shù)在水輪機(jī)抗磨蝕中的應(yīng)用及發(fā)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(qiáng)化技術(shù)在多泥沙河流水輪機(jī)磨蝕表面抗磨應(yīng)用及研究［J］.電力科技與環(huán)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(jī)磨蝕與防護(hù)措施的研究［J］.水力發(fā)電，2010（4）：70-72.

TH17

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1674-6708（2016）168-0226-02

王超，國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心。

常軒，國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心。