水轮机抗泥沙磨损技术分析.docx

第37卷第l期黑龙江电力vol37 no-12015年2月heilon舒i肌g electric power feb2015水轮机抗泥沙磨损技术分析 张广，魏显著，刘万江 (哈尔滨大电机研究所水力发电设备国家重点试验室，哈尔滨150040)摘要：为了解决水电站水轮机泥沙磨损的问题，笔者根据国内外科研人员在水轮机抗泥沙磨损技术研究成果，分析了影响 水轮机泥沙磨损的因素，提出了在水轮机抗泥沙磨蚀的设计制造，以及表面防护技术方面采取的措施，即水轮机选型、水力设 计、结构设计和加工制造，以及焊条堆焊技术、环氧金刚砂涂层技术、聚氨酯涂层技术和高速燃氧碳化钨涂层技术。实践表 明，水轮机泥沙磨损同泥沙的含量、泥沙颗粒属性、水轮机材料、水流的速度及流态等因素有关。水轮机设计时应选用较低的 比转速和水流速度，并根据水轮机机型及水头范围选择相应的防护涂层技术。关键词：水轮机；泥沙磨损；设计制造；抗磨涂层中图分类号：7rv738 文献标志码：a 文章编号：20956843(2015)01一0061一04analysis of antiseildabr硒ion teclliiology for hydra山ic turbii硷zhang guang，wei xianzhu，liu wanjiang(national key ktb哪tory of hydmp旧r equipment，harbin motor i璐titute，harbin 150040，china)abstrj诎：in order to solve send abrasion in hydraulic turbine，the author anaiyzes the reasons f矗abrasion accord ing to the resea弛h resuh of antisendabrasion technology for hydraulic turbine f幻m the researchers both in chi- na and abroad，and pmpses the designing and manufacturing and measurs to protect tie su五ace，which are the selection，hydraulic design，stmctural optimization a11d processing of hydraulic turbine，and surfiacing elecnode，ep oxy resin coating，polyure山ane coating and highspeed oxygencombustion tungsten carbide coating the prac tice shows that tle f如tors influencing send abrasion in hydmulic turbine is sendiment content，properties，marterials of hydraulic turbine，water now and conditionwhen design hydraulic turbine，relatively low specific speed a11dwater now should be selected，埘tll protection coating selected by the turbine t)rpe and head range】匿沁y words：hychaulie turbine；send abi-asion；designing and manuflactudng；antia1)l甚sion coaing目前，中国的大中型水电机组中有3040 泥沙影响，小粒径的悬移质泥沙与水充分混合，随 存在不同程度的泥沙磨损破坏问题，个别水电站水轮 水流运动，对水轮机过流部件表面产生切削和冲击 机组泥沙磨损问题特别严重，使水电机组效率降低较 破坏作用。水轮机过流部件的泥沙磨损程度同过 快，导致机组检修频繁，这给水电机组的正常运行和 机泥沙的含量、泥沙颗粒属性、水轮机材料、水流的 电网的安全稳定带来极大的隐患u j。为此，本文根 速度及流态等因素关系密切，国外的sew集团和 据近年来国内外水电站及科研机构在工程实践、试验 voith集团通过相关试验总结出一系列泥沙磨损程及理论方面抗泥沙磨损技术的研究成果，分析了影响 度与相关因素的关系式旧j。sew集团采用水轮机泥沙磨损的因素，从水轮机设计制造技术、抗x5crnil34钢材进行试验研究，测得试件的磨损率 磨涂层及材料的应用等方面提出了抗泥沙防磨蚀措 与来流速度的关系式为 施，为从事相关工作的科研人员提供了参考。言()=34(1)1影响泥沙磨损的因素 式中：6为磨蚀率，斗nh；k为与材料属性有关的常水轮机过流部件表面主要受水流中的悬移质数，需要通过试验获得；拈为来流速度。 voith得到的结论与sew的基本一致，试件磨收稿日期：201409一02。作者简介：张广(1983一)，男，工程师，博士，研究方向为水力机械 损量矽的近似关系式为多相流研究与设计。 形(d)=c昨(2)万方数据62 黑龙江电力第37卷式中：形为磨损量，m3kg；a为撞击角度；c为常数； 机组运行区选择方面，水轮机的运行范围尽量保证 屹为撞击速度；n为磨损与速度关系曲线上直线的在水轮机最优工况区附近，水轮机的额定点应选择 斜率，n的取值需要通过试验来确定，相对于塑性材在功率限制线附近。 料来说，脆性材料对来流速度的敏感性较大，相应22水力设计的n值较大。水轮机转轮和导叶通道内的流速分布均匀与 中国黄河水利委员会水利科学研究院以黄河否在很大程度上影响泥沙磨损程度，其水力设计的 三门峡、小浪底电站泥沙磨损为研究对象，对几种优异可以保证水轮机流道中流速分布的均匀性，减 不同材料的磨损损失与泥沙含量、含沙水流动速少和避免流道内叶道涡与脱流的产生，防止或减轻度、泥沙粒径的关系开展研究，得到了泥沙磨损与过流部件的泥沙磨损。其相关因素的关系。4j。 221导叶泥沙粒径与材料磨损程度关系式：高水头混流式水轮机磨损的主要部位是导水形=尉”(3)机构，导叶出口处的最大流速可达到5060 lns，式中：形为试件损失的重量，mg；k为与试件材料、 使导水机构的泥沙磨损程度远超过转轮叶片。目 泥沙含量及磨损时间相关的系数；d为泥沙粒径， 前水力设计上采取如下减轻导叶区域泥沙磨损技 m；玎为泥沙粒径指数，n=09一14，一般取值 术措施。为11829。1)适当扩大活动导叶分布圆的直径，在强度允材料损失的重量与含沙水来流速度、含沙量、许的前提下增大导叶相对高度，有利于降低过流 磨损时间的关系式：速度。形=勋26：3 5so 954：1139fo95：100(4)2)合理增加导叶数量，保证固定导叶与活动导式中：k为与试件材料、泥沙含量、泥沙颗粒属性相叶数量相同，可以使流动更加均匀。 关的系数；秽为含沙水的速度；s为泥沙含量，单位 3)通过水轮机cfd计算分析，应优化固定导 kgm3；t为磨损时间，h。 叶的最佳安放角，在圆周上相对于活动导叶的位置。2设计与制造技术 222转轮21水轮机选型 转轮是整个水电机组的核心部件，转轮叶片的 通过以上的分析可知，水轮机过流部件泥沙磨 泥沙磨损破坏会直接影响电站的正常安全运行，水损程度同含沙水流速度34次方成正比关系。所 轮机叶片水力设计主要采如下的抗泥沙磨损技术。以降低水轮机通道内部水流的相对速度，就可以有1)适当加厚转轮叶片，特别在叶片的出水边磨 效地缓解泥沙对过流部件的磨损破坏程度，在多泥损严重的部分，这样有利于延长转轮的维修周期。 沙河流电站水轮机选型过程中需要特别注意。文 出水边加厚需要注意倒角修型，防止卡门涡和压力 献5指出多泥沙电站机组选型时应采用较低的比 脉动的出现。 转速，这样能有效降低水轮机通道内的相对速度，2)适当增加转轮叶片的个数，或者使用长短叶 增大真机尺寸，在一定程度上提高了过流部件的抗 片转轮。 磨损能力，但比转速不能一味降低，它还受到电站3)适当增大转轮叶片的包角，增大叶片的长度 参数和机组能量指标的制约。 和面积，减小叶片表面的曲率变化。为了避免泥沙磨损与空化现象同时出现引起4)通过cfd计算分析，优化改型使转轮流道 严重的联合破坏，多泥沙电站选型时需要注意水轮速度场分布均匀，减小转轮出口速度以及叶片通道机吸出高度的选择，应尽量减小机组的吸出高 内部的涡流强度。 度6。国内有关科研机构在专门的泥沙磨损试验23结构设计 台上针对清水和含沙水两种介质进行过多次水轮对于多泥沙水电站，当机组选型确定之后，合 机性能对比试验，结果表明含沙水对水轮机的效理的结构设计同样是减轻水轮机过流部件的泥沙 率、运行工况和压力脉动影响并不大，对水轮机初磨损的重要措施，而且良好的结构设计会为易磨损 生空化有一定影响。因此，在确定多泥沙电站吸出部件的维护和更换创造便利条件，目前工程上采用 高度时，应留有较大裕度。文献7建议多泥沙电如下主要技术措旌。 站初生空化安全系数适当增大到110115。在 1)在过流通道拐弯和截面面积变化较大的位万方数据第1期 张广，等：水轮机抗泥沙磨损技术分析63置适当增加过渡圆弧，削弱含沙水对过流部件的冲进一步改善。击破坏强度。33聚氨酯涂层技术2)尽可能减少导叶端面间隙，减少间隙漏水 非金属聚氨酯涂层具有很好的抗空蚀磨损性 量，合理布置导叶端面和立面密封，要方便易磨损 能，早期研制的聚氨酯涂层粘接强度在20mpa左 密封的维护和更换。 右，在小浪底、万家寨电站使用中，发现在流速较低3)合理选择水轮机上下止漏环的位置，高水头 的固定导流部件上聚氨酯涂层防护效果良好，但在 水轮机转轮上冠应采用梳齿密封，下环采用斜阶梯 转轮叶片上的防护效果较差。这主要是由于涂层式密封。同金属母材的粘接强度不够，电站机组运行一段时24加工制造 间后涂层便发生大面积脱落，而且多数情况是脱而 良好的母材材质和加工工艺可以明显提高过不断，造成叶片通道局部变形，影响水轮机性能12|。 流部件的抗磨能力。多泥沙电站机组转轮加工主在高速圆盘机进行模拟试验并结合真机观测，发现 要采用组焊结构，上冠、下环采用抗磨性能良好的 聚氨酯涂层粘接强度大于30 mpa才能有效避免涂 zg00crl3ni5mo不锈钢超低碳精炼铸造或不锈钢 层的大面积脱落现象。目前，国内已经研制出粘接 板热辊压加工成型。转轮叶片多数采用0crl3ni5mo强度达30 mpa的聚氨酯涂层，通过在三门峡电站不锈钢板热弯成型或zg00crl3ni5mo不锈钢超低 的实际对比试验，证明了其抗磨损性能。 碳精炼铸造。转轮叶片出水边和上冠、下环的连接34高速燃氧碳化钨涂层技术部位使用应力三角块，并以圆弧连接过渡，从而减 该项技术是通过把碳化钨粉末注入喷射速度 轻泥沙磨损。导叶材质通常使用zgocrl3ni5mo不 2000-ns的高速燃气之中，高速运动的碳化钨粒子 锈钢铸造或0crbni5mo不锈钢电渣熔铸，导叶表面 与水轮机过流部件表面相撞击并嵌人母材形成涂 采用硬化处理，使其硬度不低于hb280，以提高抗 层。经测试得知，碳化钨涂层与母材的结合强度大 磨能力。整个加工过程采用全方位数控机床进行， 于70 mpa，表面硬度大于1100 hv，表面抗磨能力 要特别注意水轮机叶片的加工，尽量减少误差，保 约为0crl3ni4m的70倍，抗空蚀能力与ocrl3ni4mo 证叶片几何的正确性，提高过流表面的粗糙度8 j。 相当。在喷涂过程中高速喷射燃气的温度不超过3000，母材的温度一般低于150，这样母材不3表面防护技术会发生变形，而且碳化钨涂层厚度仅为03 mm，能表面防护涂层技术在水轮机抗泥沙、防磨损方 够保证过流部件的几何外形11卜14 j。由于碳化钨涂 面取得较好的效果，在水轮机表面常用金属涂层包 层硬度较高，抗变形和空蚀的能力不够理想，使用 括焊条堆焊、线材喷涂、合金粉末喷涂等；非金属涂 成本较高，对旋工条件和设备要求苛刻，目前仅限 层材料常用环氧金刚砂涂层、聚氨脂涂层和复合尼 于在大型机组过流部件进行局部喷涂。该项技术 龙涂层等引。 已在青铜峡、刘家峡电站抗泥沙磨损的防护中投入31焊条堆焊技术作用，效果显著，延长了水轮机过流部件的使用寿 水轮机表面防护技术中最早常用的是抗磨焊命和机组检修周期。条堆焊技术。国内各科研单位都研制出了多种抗4结论磨损堆焊材料，例如0crl3ni5mo和gbl类抗磨焊条，这些材料的耐磨性能优良，焊接性能在不断提 1)水轮机泥沙磨损同泥沙的含量、泥沙颗粒属 高引。采用堆焊技术保护过流部件，成本低廉而且 性、水轮机材料、水流的速度及流态等因素有关，泥沙 防护效果良好，但多次焊接修复可能导致叶片母材磨损程度同含沙水流速度34次方成正比关系。 变形，影响水轮机的性能。2)多泥沙电站水轮机的选型设计中应使用较32环氧金刚砂涂层技术 低的比转速，选择水轮机吸出高度时应留有较大裕 环氧金刚砂涂层技术应用广泛且经济性好，根 度，电站初生空化安全系数增大到110115。 据不同情况采用不同配方，现场施工方便，可以在3)在水轮机的水力设计和结构设计中，应尽量 水电机组过流部件遭受大面积磨损破坏修复时使降低水流速度，保证流动均匀，减小部件间的配合用“。环氧金刚砂涂层技术在中国三门峡、葛洲坝 间隙，避免间隙磨损。 等水电机组使用后抗泥沙磨损效果良好，但是环氧4)水轮机各种表面防护技术各有优缺点及适 金刚砂涂层技术在强空蚀区防护效果较差，还有待用范围，在实际应用中应根据水轮机机型及水头范万方数据64 黑龙江电力第37卷围从经济性和易操作性选择相应的防护涂层技术。8黄源芳中国河流沙粒对水轮机磨损影响的研究与实践j 水力发电，2005，31(12)：5658参考文献：huang yuarlf抽gresearch on practive of the abrastion e珏毛ct ofriver sand 0n turbine in chinajhydraulic p0wer，2005，1周慧利浑水电站用水轮机水力模型开发方案研究d兰3l(12)：5658州：兰州理工大学，20129陈德新，杨建设多泥沙河流水轮机的抗磨蚀对策j人民zhou huili c0ntains saild hydrip0wer s扭ti叫turbine devel叩- 黄河，2003，25(5)：4345mentplail w油a hydraulic modeljlanzhou：lanzllou univer_chen d喇n，yang jiailshec叫nte册e踟res for hyd舢lic tur_s畸of tbchnolo灯，2012bine under ab瑚ion and erosion on sedimentladen riverj2代永成部分国外公司对泥沙磨损的研究及对策j东方电yeow river，2003，25(5)：4345气评论，1998，12(3)：192一19610陈莹，陈德新，崔旭东多泥沙河流水轮机磨蚀的防护技dai yongeheng research and countermea8ures on sand abm术j华北水利水电学院学报，2006，”(2)：60一62sionjd0n如g electric review，1998，12(3)：192一196chen ying，chen de】【in，cui xudongne technology of wear3盂安波，殷豪，陈德新。多泥沙河流水轮机的磨蚀与防护技术resistaiice in siltladen riverjjoumal of nornl china in的研究j中国农村水利水电，2008(4)：115116s嘲1lte of water consenrancy and hydroelectirc power，2006，meng anbo，yin hao，chen dexinresearch on tlle abr龋ion27(2)：60一62柚d cohosi明on hy蛔lljc turbine on sedimentladen riverj11刘正勇，陈祖嘉，杜敏黄河泥沙对水轮机的磨蚀与防护研china rural water aild hydmpower，2008(4)：115116究j黄河水利职业技术学院学报，2012，24(1)：794杜敏，刘正勇，陈祖嘉多泥沙河流水轮机泥沙磨蚀及防护研uu zhengyong，chen zujia，du minresearch on tlle me船一究j人民长江，2011，42(24)：7375ures for preventing hydraulic turbine from erosionjjoumal ofdu min，liy zheng)rong，chen zujiaresearch on tlle abr船ionyeu0w river conse啪cy techinial institute，2012，24(1)：79柚d consion on hydraulic turbine on sedimentladen riverj12邢广彦，张兰多泥沙河流水轮机的磨蚀与防护措施j黄yailgtze river，2011，42(24)：7375河水利职业技术学院学报，2003，15(4)：16175刘光宁，陶星明，刘诗琪水轮机泥沙磨损的综合治理j大xiu guan留ail，zhang lanthe technology of wear resistarlce电机技术，2008(1)：3l一37in siltladen riverjjoumal of yeuow river consevancy 7re-uu guan印ing，tao xin目面ng，liu shiqi11ie compmhensivechinial institute，2003，15(4)：1617吨atment of山e s柚d erosion 0n dydmulic turbinejlarge e13王世健青铜蛱水电站水轮机磨蚀与防护措施j水电能源lec试c machine and hydra