水轮机过流金属表面泥沙磨蚀机理及其保护性措施

程烈蓉成禄泉黄贵斌

摘要：本文从水轮机在水电站实际运行状态中分析了水轮机过流金属表面在泥沙作用下受到磨蚀和空蚀破坏。

关键词：水轮机；泥沙磨蚀；空蚀

1前言

水轮机是一种利用水的落差来实现能量转换的机械，即把水能通过特制的机械设备转换为机械旋转能量，并带动发电机转子旋转，应用法拉第电磁感应定律，导线在旋转的磁场中产生电能。导线即发电机定子线圈，由励磁装置给发电机转子线圈充磁产生旋转磁场。

本身带有能量的水流作功于水轮机转轮，将水能传递给转轮，转轮旋转作功，并通过主轴将旋转机械能传递给发电机。作功后的水流排人尾水，完成第一步能量转换工作。水流经过的地方就称之为过流通道。在水轮机过流通道中工作的零件如蜗壳，座环，导叶，顶盖，底环，转轮室，转轮，尾水管，管型壳，机壳，喷嘴，喷针等都为金属（铸铁，铸钢，焊接碳素钢材，不锈钢或其它有色金属等）制造，所以这些零件也称为过流金属零件，其与流体介质直接相接触的部位就是过流金属表面。

当流体介质通过过流金属表面，并进行一定形式的能量交换时，过流金属表面就会受到流体介质的各种物理和化学作用。如果在进行能量交换时过流金属表面出现组织缺陷或流体介质含有泥沙及化学腐蚀性物质，就会在过流金属表面发生明显的组织疏松和机体磨削现象，这种现象严重时将造成过流金属表面受到破坏而使整个机器丧失很大的作用功能。轻则也会使机器的使用效果和寿命大为降低。因此有效地减少或消除这种破坏影响已成为流体机械行业，特别是从事水轮机科研和生产的科技工作者们当前所面临的一个紧迫问题。

2泥沙磨蚀

中国幅员辽阔，南北方的气候，地质，植被，风沙，环保等自然环境都有非常太的显著区别。从泥沙磨蚀角度来看，北方远比南方的情况严重得多。如新疆，青海，甘肃，山西，河北，内蒙等地森林植被被严重破坏，风沙较大。在汛期时，河流中水质含大量泥沙对水轮机过流金属表面磨蚀损害特别大，尤其是黄河流域更显得突出。南方情况也不容乐观，同样是因森林植被被滥砍滥伐，随意开荒等自然环境遭到严重破坏，使长江有成为第二条黄河的威胁，也使许多水电站出现较严重的水轮机过流金属表面被磨蚀损坏的现象。

近年来全国各地区各级政府实行封山育林，退耕还林，遇草还林，禁伐禁开荒，植树造林等有效措施。使河流中泥沙含量有逐年减少的趋势，但在短期内不可能收到立竿见影的效果，因此泥沙磨蚀依然是水轮机的主要顽症。

因为环境的破坏，植被的减少，河流中往往夹带着大量泥沙，使水流中的含沙量达到很高的比例，尤其在汛期特别严重，有的地方达40公斤／m3。

坚硬而带有锋利刃口的泥沙，在高速水流的裹夹下以很高的速度和能量作用于过流金属表面，对表面产生物理和化学综台作用，使金属表面不断连续加剧产生疲劳和腐蚀性交替作用的磨削破坏．直至一块叉一块的机体组织不断连续地周而复始地发生机械性剥离，这就是泥沙磨蚀。

轻微时如研磨使过流金属表面平滑如镜，严重时使过流金属表面出现如磨削加工一样的规则或不规则的鱼鳞坑或凸凹不平的沟槽，更严重时使过流金属表面出现无规律性的一个又一个巨大的深坑，深坑上又形成有锋利的较大的金属刃口，这样促使过流金属零件受到不同程度的破坏，以致影响其正常使用性能和寿命．直到报废。

泥沙磨蚀使过流金属表面不平整，并可能伴随着空蚀的发生，更加剧了过流金属表面的破坏和损毁，使水流漏泄增加，水力性能下降，噪音和振动加剧。金属零件强度降低，以至断裂损坏。如果空蚀和泥沙联合作用，则将使金属过流表面形成不可逆转的快速的严重损坏。

3空蚀

当水流通过过流金属表面，而此时这个表面刚好由于机械加工，泥沙磨蚀或其它原因出现凸起的小包或凹下的小坑等时．水流在绕流通过这些阻碍部分时，根据叶栅绕流中的连续流方程式理论，在其上势必造成水流的速度发生变化，使一部分流速增大或使另一部分流速减小，当某一点速度小时则压力必大．当其另一点速度变大时则压力必小。当这个压力降低，即小到某一个临界值时（此时水流已把该部分的空气带走，而使该部分成为真空），水流固由于压力降低而迅速气化，致使其体积在瞬间急剧膨胀数十或成百倍，形成水分子团剧烈爆破。无数的水流分子团不断地连续地在这个阻碍部分上进行剧烈爆破。则过流金属表面逐渐发生疲劳破坏而最终造成机体剥离，使该部分组织疏松成为豆腐渣，进而使强度降低，这样在水流的冲刷下，最终造成金属表面或表层的机械损坏（此时如水流中含有过多的泥、沙则会更加剧这种损坏过程）。但金属表面组织不可能十分严密．总是有的地方疏松．有的地方紧密，尤其铸造成型的零件更是如此，所以空蚀的结果总是在金属组织疏松的部位或某些特殊部位形成若干海绵状或蜂窝状的组织破坏。如果在空蚀和泥沙的联合作用下，空蚀使金属组织薄弱部分疲劳而疏松，泥沙磨蚀则更易把疏松的组织剥离掉，这样将加速和加重过流金属表面的这种严重损坏。

4空蚀和泥沙磨蚀联台作用的后果

其后果将使水轮机过流金属表面形成鱼鳞坑空洞，蜂窝状或峡谷状深坑等机体破坏现象，使水轮机发生效率下降，出力降低，强度受影响，导致机组机械或水力不平衡，使振动和噪音加大，严重缩短机器零件的使用寿命，造成使用工作效果变得恶劣，以致严重时造成根本性的机械损坏而完全不能运行的可怕后果。空蚀将使材料强度严重受损，这样便加剧了泥沙磨蚀破坏的后果。如能有效地减轻或消除空蚀的影响，将减埋泥沙磨蚀的破坏程度。

较为严重的如河南三门峡，新疆沙湾水电厂与和田喀拉格尔，四川雅安石棉矿，重庆彭水朱三洞等都己出现较严重的水轮机过流金属零件损坏报废的情况．许多过流部件正常使用寿命还不到一年，给电站造成较大的经济损失。电站厂房外放了一大片被泥沙和空蚀损坏的零部件，看了真叫人心疼．这是水电设备制造厂的耻辱啊。

所以空蚀和泥沙磨蚀的严重后果已是非常致命地髟响到水轮机乃至整千水电站的重要而频繁发生的主要事故原因之一，已被形容成为水轮机的“癌症”。

因此有效地减轻和消除空蚀和泥沙磨蚀造成的严重后果已成为水电行业中所有科研和技术人员的重中之重．也引起了相关部门和颁导的足够重视。

参考文献：

[1]张维聚等.戈兰滩水电站水轮发电机组及其附属设备设计.水利水电工程，2009，28：43.

[2]程则久.含沙水流上水电站安装高程的研究.水机磨蚀论文集.天津：水机磨蚀实验研究中心，1993：222.