解再益（湖南云箭集團(tuán)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 40100）

黨河上游二級(jí)電站水輪機(jī)的抗磨設(shè)計(jì)

解再益
（湖南云箭集團(tuán)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 40100）

摘要：黨河上游二級(jí)站設(shè)計(jì)水頭較高，河流的泥沙含量大，我們采取多種聯(lián)合措施，從選擇合理的機(jī)型參數(shù)、抗磨結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化機(jī)組運(yùn)行工況等多個(gè)方面考慮，全方位降低水輪機(jī)的泥沙磨蝕。通過(guò)探索更為全面的抗磨蝕方法，延長(zhǎng)了水輪機(jī)的使用壽命，保證滿足了機(jī)組大修周期，最終獲得了更好的綜合效益。

關(guān)鍵詞：多泥沙；抗磨蝕；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；材料；水力性能

1　概況

1.1電站概況

黨河發(fā)源于祁連山脈，流入敦煌結(jié)束，是一條內(nèi)陸河，黨河上游二級(jí)水電站位于肅北縣城南42km的黨河主河道上，電站裝機(jī)容量為12.6MW，單機(jī)容量4.2MW，電站設(shè)計(jì)引用流量Q引=5.3m3/s，年平均發(fā)電量0.6億kW·h。

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

1.2電站基本參數(shù)

（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(shè)計(jì)引用流量：Q引=5.3m3/s

最小流量：Q保=2.0m3/s

（3）裝機(jī)容量及臺(tái)數(shù)

裝機(jī)容量3×4200kW

裝機(jī)臺(tái)數(shù)3臺(tái)

（4）電站型式：渠道引水式電站，采用臥式布置

（5）電站負(fù)荷性質(zhì)及運(yùn)行方式：基荷、聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行

2　機(jī)型選擇

對(duì)于多泥沙電站的機(jī)型選擇，一般要著重考慮二個(gè)方面：機(jī)組轉(zhuǎn)速和安裝高程的確定。

水輪機(jī)流道中含沙水流的相對(duì)速度是影響水輪機(jī)磨蝕的重要因素。有關(guān)的研究和試驗(yàn)表明，水輪機(jī)過(guò)流部件的磨蝕與含沙水流速的n次方成正比[1]，對(duì)于轉(zhuǎn)輪葉片，一般n≥3。若流速增加10%，則磨蝕可加劇約33%,因此，應(yīng)設(shè)法減小轉(zhuǎn)輪出口的相對(duì)流速，除加大轉(zhuǎn)輪直徑外，降低轉(zhuǎn)速是最好的選擇，以減緩水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪及過(guò)流部件的磨蝕，這一點(diǎn)對(duì)多泥沙水輪機(jī)的選型尤為重要。

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

根據(jù)黨河上游二級(jí)站的基本參數(shù)，在國(guó)內(nèi)目前各水頭段的優(yōu)秀模型轉(zhuǎn)輪的初選中，優(yōu)化選出四個(gè)具有代表性的、不同轉(zhuǎn)速的原型水輪機(jī)，其型號(hào)及參數(shù)見(jiàn)表1。

表1原型水輪機(jī)主要參數(shù)

從表1中，可以看出：

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

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

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

最終確定選用600r/min的轉(zhuǎn)速方案，即水輪機(jī)為HLD307C-WJ-105，電站的安裝高程取+2m。其原型機(jī)的運(yùn)行區(qū)間圖見(jiàn)圖1。

從原型機(jī)的運(yùn)行區(qū)間圖可以看出，運(yùn)行工況接近最優(yōu)工況，此時(shí)流態(tài)最好；原型機(jī)的整個(gè)運(yùn)行工況分布合理，在機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的45～100%出力范圍內(nèi)，均處于模型曲線的高效區(qū)，并包含了模型曲線的最優(yōu)工況區(qū)，因此600r/min轉(zhuǎn)速方案的選擇是合理的。

圖1原型水輪機(jī)運(yùn)行區(qū)間圖

3　抗磨設(shè)計(jì)

多泥沙電站水輪機(jī)的抗磨蝕設(shè)計(jì)，可以從水力優(yōu)化設(shè)計(jì)、材料及加工、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面綜合考慮；同時(shí)對(duì)容易磨蝕的部件做成易更換的結(jié)構(gòu)，以方便電站的維護(hù)。

3.1轉(zhuǎn)輪

轉(zhuǎn)輪是水輪機(jī)中主要的能量轉(zhuǎn)換部件，是水輪機(jī)的心臟，同時(shí)也是易磨蝕的重要部件，因此轉(zhuǎn)輪的抗磨設(shè)計(jì)就具有特別重要的意義了。轉(zhuǎn)輪抗磨設(shè)計(jì)主要有以下幾方面。

3.1.1轉(zhuǎn)輪水力優(yōu)化設(shè)計(jì)

合理設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)輪，利用最先進(jìn)的CFD軟件分析并改善轉(zhuǎn)輪內(nèi)的流態(tài)，尤其在偏離最優(yōu)工況時(shí)適當(dāng)減少轉(zhuǎn)輪出口環(huán)量，可以改善水輪機(jī)的壓力脈動(dòng)和空化性能。

電站運(yùn)行表明混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪遭受破壞較嚴(yán)重的部位有：葉片進(jìn)水邊、葉片出水邊及下環(huán)內(nèi)表面處，其主要原因是這些部件表面流速相對(duì)較高，甚至有旋渦和脫流產(chǎn)生，從而導(dǎo)致嚴(yán)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(jī)的壓力脈動(dòng)和空化性能。水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪將采用特殊的進(jìn)水邊，顯著降低轉(zhuǎn)輪進(jìn)水邊的初生空化系數(shù)。盡可能避免在運(yùn)行區(qū)內(nèi)出現(xiàn)脫流和葉片流道內(nèi)的二次流。特別是在低水頭運(yùn)行時(shí)因進(jìn)水邊正面脫流往往導(dǎo)致劇烈紊流，會(huì)給含沙水流中運(yùn)行的轉(zhuǎn)輪造成嚴(yán)重磨蝕。同時(shí)將葉片的出水邊設(shè)計(jì)得比常規(guī)要厚實(shí)，以增加轉(zhuǎn)輪葉片出水邊的抗磨性。

3.1.2材料選擇

轉(zhuǎn)輪材料考慮選用可焊性好的不銹鋼材料，以便將來(lái)能在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)焊修復(fù)。同時(shí)要考慮材料應(yīng)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(jù)多種試驗(yàn)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(guó)、挪威、日本等國(guó)家從法國(guó)17-4PH基礎(chǔ)上研制的，經(jīng)試驗(yàn)和實(shí)際運(yùn)行考驗(yàn)，該鋼具有很好的機(jī)械性能、機(jī)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(jìn)行預(yù)熱焊接，耐磨蝕性能最佳，這對(duì)電站現(xiàn)場(chǎng)的葉片修復(fù)更為有利。為此選定優(yōu)質(zhì)的ZG0Cr16Ni5Mo不銹鋼為黨河上游二級(jí)站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪材料。

3.1.3轉(zhuǎn)輪制造

3.1.3.1轉(zhuǎn)輪葉片采用VOD真空精煉

葉片的制造方式會(huì)對(duì)葉片耐磨損性能產(chǎn)生較大影響。

微觀分析表明汽蝕破壞孕育期中，汽泡潰滅產(chǎn)生的針孔，主要沿葉片表面劃痕分布，并沿劃痕開(kāi)裂。提高表面光潔度，可延長(zhǎng)汽蝕孕育期。鋼中夾雜汽孔及疏松等鑄造缺陷對(duì)空蝕破壞速度有加速作用，裂紋可借助這些缺陷快速擴(kuò)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(chǎn)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(chǎn)生新的磨損坑，循環(huán)往復(fù)，使葉片表面被磨損掉，形成魚鱗坑。這在真機(jī)葉片中已得到證明。

因此轉(zhuǎn)輪葉片我們采用VOD真空精煉。

3.1.3.2葉片采用數(shù)控機(jī)床加工

葉片加工質(zhì)量的好壞與轉(zhuǎn)輪的抗磨性能有很大的關(guān)系，葉片表面平順，光潔度高，不容易產(chǎn)生磨損。黨河上游二級(jí)站轉(zhuǎn)輪葉片加工將采用數(shù)控機(jī)床加工，該方法具有精度高、速度快、質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，此方法已成功應(yīng)用于各電站。數(shù)控加工的葉片，其型線偏差和尺寸精度等都將超過(guò)IEC60193的要求。提高葉片表面的光潔度，過(guò)水流道的表面光潔度達(dá)至Ra3.2和Ra1.6，使葉片進(jìn)水邊和出水邊的粗糙度達(dá)到3.2μm,葉片其它部分的粗糙度達(dá)到6.4μm以下。

選用優(yōu)質(zhì)的抗磨材料，并提高制造工藝水平，是可以大大降低轉(zhuǎn)輪的磨蝕強(qiáng)度，延長(zhǎng)使用壽命的。

3.2主軸密封結(jié)構(gòu)

在對(duì)黨河二級(jí)站的多泥沙的情況進(jìn)行了充分的論證分析,并結(jié)合新疆、甘肅等多泥沙電站的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，以及調(diào)研多個(gè)電站密封結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，優(yōu)化設(shè)計(jì)出如圖2所示的組合式主軸密封結(jié)構(gòu)，以確保主軸密封的有效與實(shí)用。

這個(gè)組合式的主軸密封采用的是多級(jí)泵板+非接觸式密封+橡膠平板密封的結(jié)構(gòu)，由多個(gè)密封優(yōu)化組合而成。

第一道密封如圖2序1所示，為轉(zhuǎn)輪的泵板密封，由轉(zhuǎn)輪與頂蓋組成，原理是當(dāng)水輪機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)輪上的泵板裝置轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)轉(zhuǎn)輪上冠空腔內(nèi)的泄漏水一起轉(zhuǎn)動(dòng)，在離心力的作用下，在泵板外緣出口處產(chǎn)生壓差，將停留在轉(zhuǎn)輪上冠空腔處的水，排向轉(zhuǎn)輪與頂蓋之間的低壓空腔區(qū)，經(jīng)過(guò)頂蓋上的排水孔，排到頂蓋的集水腔中，通過(guò)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(jié)構(gòu)

由于轉(zhuǎn)輪的離心力作用，將經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)輪的泄漏水從轉(zhuǎn)輪上的泵葉和泵蓋板之間泵出，在泵出的泄漏水的過(guò)程中，又對(duì)轉(zhuǎn)輪的泄漏水產(chǎn)生反方向的壓力，減少了轉(zhuǎn)輪的泄漏水，從而達(dá)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(jié)構(gòu)，串聯(lián)設(shè)置在主軸上（原理同上），是將少量的泄漏水通過(guò)排水管序5再次泵出水輪機(jī)，并產(chǎn)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(zhǎng)機(jī)組檢修時(shí)間所設(shè)置的一道密封，在前面的數(shù)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，檢修方便。

結(jié)合轉(zhuǎn)輪、頂蓋梳齒、密封座等多個(gè)間隙密封,能有效地封水。在圍繞主軸密封功效，結(jié)合電站的實(shí)際情況，從水輪機(jī)結(jié)構(gòu)的多個(gè)方面出發(fā)，設(shè)計(jì)的一套組合式的方案，實(shí)際證明其效果是顯著的。

3.3活動(dòng)導(dǎo)葉

3.3.1活動(dòng)導(dǎo)葉水力設(shè)計(jì)

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

固定導(dǎo)葉與活動(dòng)導(dǎo)葉雙排葉柵周向相對(duì)位置對(duì)導(dǎo)葉區(qū)域的流動(dòng)有一定的影響，通過(guò)CFD的分析，可使固定導(dǎo)葉與活動(dòng)導(dǎo)葉處于最佳的周向相對(duì)位置，此時(shí)導(dǎo)葉區(qū)流道最為通暢，導(dǎo)葉角較小，流態(tài)最佳，對(duì)減輕泥沙磨蝕和提高水輪機(jī)效率最為有利。

3.3.2抗磨材料選擇

面對(duì)含沙水流的零部件，其材料的選擇至關(guān)重要?；顒?dòng)導(dǎo)葉的材料同轉(zhuǎn)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(zhǎng)電站的檢修周期。

3.3.3抗磨結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)于多泥沙電站，導(dǎo)葉的抗磨設(shè)計(jì)與導(dǎo)葉軸的密封設(shè)計(jì)同樣至關(guān)重要，是影響機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的又一個(gè)關(guān)鍵因素。在導(dǎo)葉抗磨設(shè)計(jì)中主要有：

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

（2）導(dǎo)葉軸密封采用Yx密封結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)電站的實(shí)際運(yùn)行證明，其結(jié)構(gòu)可靠，能有效地利用進(jìn)水口采用減少泥沙進(jìn)入間隙的特殊設(shè)計(jì)。

（3）增加座環(huán)、頂蓋、底環(huán)的剛度，并適當(dāng)減少導(dǎo)葉上下端面間隙的設(shè)計(jì)值和制造誤差。只要保證足夠大的頂蓋剛度，運(yùn)行時(shí)導(dǎo)葉的活動(dòng)端面間隙才不會(huì)變化，從而減少含沙水流對(duì)導(dǎo)葉、頂蓋的磨蝕。

（4）頂蓋及底環(huán)上設(shè)置便于拆換的不銹鋼抗磨板，其型式及進(jìn)水口采用減少泥沙進(jìn)入間隙的特殊設(shè)計(jì)。

4　優(yōu)化電站的運(yùn)行工況

優(yōu)化電站的運(yùn)行工況就是從源頭上減輕水輪機(jī)的磨蝕，要求電站按科學(xué)合理的方式來(lái)運(yùn)行，能起到非常好抗磨效果。優(yōu)化電站運(yùn)行工況主要有以下三個(gè)方面。

4.1排沙和沉沙

通過(guò)調(diào)研黨河流域的水輪機(jī)磨蝕情況，發(fā)現(xiàn)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(fā)電，運(yùn)行一年后，轉(zhuǎn)輪磨蝕嚴(yán)重，主要是出水邊磨蝕。修復(fù)三個(gè)轉(zhuǎn)輪，后汛期在前池加裝鋼絲網(wǎng)，大的推移質(zhì)和躍移質(zhì)不能進(jìn)入流道，磨蝕情況減輕很多。2年后檢查，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪較好，預(yù)計(jì)還可以再使用4年。主軸密封運(yùn)行情況較好，基本不漏水，也沒(méi)有檢修過(guò)。

因此，電站需要在電站進(jìn)水口前面設(shè)置沖沙或?qū)晨?，以及布置鋼絲網(wǎng)，使河道內(nèi)的推移質(zhì)和躍移質(zhì)進(jìn)不了水輪機(jī)的流道，可大大減輕水輪機(jī)的磨蝕。

4.2優(yōu)化機(jī)組運(yùn)行工況

水輪機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，應(yīng)盡可能接近最優(yōu)工況，此時(shí)流態(tài)最好，盡可能避免機(jī)組運(yùn)行于低負(fù)荷或過(guò)負(fù)荷工況。對(duì)于黨河上游二級(jí)站，其導(dǎo)葉區(qū)的磨蝕應(yīng)給予一定關(guān)注，尤其是在空載、旋轉(zhuǎn)備用和關(guān)機(jī)狀態(tài)。在這些狀態(tài)，一方面導(dǎo)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(lián)合作用，危害較大。

4.3避開(kāi)洪水期運(yùn)行

洪水期的水流含沙量劇增，此時(shí)要停機(jī)。此時(shí)發(fā)電，對(duì)機(jī)組損傷巨大，對(duì)電站而言是得不償失的。

5　結(jié)束語(yǔ)

多泥沙電站水輪機(jī)的磨蝕是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，而其治理是個(gè)系統(tǒng)工程，需要多方共同努力。

黨河上游二級(jí)站在采取系統(tǒng)性的抗磨措施后，電站已運(yùn)行2年多，在電站大修檢查時(shí)，轉(zhuǎn)輪、主軸密封、導(dǎo)葉、導(dǎo)葉密封都只有輕微磨蝕，業(yè)主對(duì)此深感滿意。

與黨河流域上的同類機(jī)組相比，黨河上游二級(jí)水輪機(jī)所采取的一系列抗磨設(shè)計(jì)是成功的。隨著水輪機(jī)設(shè)計(jì)制造的新技術(shù)、新材料的不斷出現(xiàn)，我們將更有信心將水輪機(jī)抗磨技術(shù)不斷推進(jìn)到更高水平，不斷延長(zhǎng)水輪機(jī)的使用壽命，為社會(huì)取得更好的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

[1]李國(guó)梁.水輪機(jī)泥沙磨蝕防護(hù)的技術(shù)進(jìn)展[C]//水機(jī)磨蝕1999-2000論文集，2000.

中圖分類號(hào)：TV734.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：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(jiǎn)介：解再益（1975-），男，工程師，從事水輪機(jī)設(shè)計(jì)工作。