摘 要：水轮机转轮是整个水轮发电机组的核心工作部件，含沙水流中的转轮容易遭受磨蚀破坏，是一个普遍存在的问题，并且也是一直困扰多泥沙河流水电站的难题。长期的研究与实践表明，恰当的选型与良好的水力性能、合适的材质与优良的制造工艺是水轮机抗磨蚀的最根本方法。但对已建成的水电站而言，采用合理的运行方式和一定的检修措施，可延缓或减轻水轮机的磨蚀。
关键词：水轮机转轮；空蚀破坏；泥沙磨损；磨蚀破坏
1引 言
水轮机转轮是整个水轮发电机组的核心工作部件。在实际工作中，转轮主要的破坏方式是磨蚀破坏：泥沙磨损和空蚀破坏。转轮磨蚀破坏所造成的直接恶果是通流部件的损坏，进而使转轮的效率降低，出力下降，电能损失增大，使机组产生振动与噪声，缩短机组的使用寿命，缩短检修周期，耗费大量的人力和物力，从而造成很大的经济损失。我国河流众多，但地区分布不均衡，河网密度自东南向西北递减。我国许多河流的含沙量、输沙量较大，尤其是黄河以泥沙含量高而闻名于世，其含沙量居世界各大河之冠。多泥沙河流水轮机转轮的磨蚀破坏是困扰我国许多水电站的一个严重问题。因此，研究水轮机转轮问题，具有普遍的实际意义。
2转轮磨蚀破坏的介绍
2.1转轮泥沙磨损
泥沙磨损是转轮过流通道的工作水流中若含有足够数量的悬浮泥沙，坚硬的泥沙颗粒撞击过流表面，使其疲劳损坏。泥沙磨损是一种物理破坏过程。被水流夹带的泥沙具有一定动量，当它以一定的方向冲击转轮流道壁面时，被冲击点处的局部将发生疲劳损坏，微小的金属颗粒被剥落。随着运行时间的增加，长期被磨损的表面变得粗糙，从而加速了后期磨损破坏的进程。
泥沙磨损与下述因素有关：含沙水流的特性，如含沙浓度、水流速度、泥沙粒径、泥沙颗粒形状、泥沙硬度等；转轮流道过流面材料的特性，如材料的表面硬度、冲击韧性、表面弹性、表面粗糙度Ra等；磨损时的工作条件，如转轮的工作条件、流道几何参数、导叶翼型等。一般地说，水流的含沙量愈高，水流速度愈大，泥沙颗粒愈硬，转轮材料表面愈软、愈不光滑，转轮遭受泥沙磨损的破坏程度就愈严重。
2.2转轮空蚀破坏
当静止的或流动的液体内部压力降低到某一限度时，液体会发生汽化，局部形成汽泡或汽穴，随后在压力较高的地方汽泡或汽穴重新凝聚，这一整个过程为空蚀。当汽泡或汽穴随同水流一起进入高压区而发生凝聚时，由于时间非常短促，造成频率极高、压力很大的微观水击，使固体温度升高，电化学腐蚀加剧，从而加剧了固体材料破坏的进程。
由空蚀现象引起材料的破坏叫空蚀破坏。转轮上发生的空蚀均属于流体动力空蚀，它大致上可分为三种类型：翼型空蚀、局部空蚀和间隙空蚀。
3转轮磨蚀的特点和外观特征
3.1转轮磨蚀的特点
混流式转轮磨蚀严重的主要部位是叶片进水边靠近上冠和下环处、下环内表面和叶片出水边靠近下环内表面处，其中混流式转轮叶片与下环的连接处磨蚀最严重，从进口到出口边磨蚀范围逐渐加大，磨蚀程度逐渐加深，形成一个磨蚀三角区，在这个三角区中，叶片与下环同时磨蚀。形成三角区磨蚀的主要原因是转轮叶片间的二次回流引起的脱流。由于叶片工作面与下环内表面的夹角小于90°，在二次回流的作用下，形成脱流涡，使沙粒以较大的冲角打击叶片工作面及下环内侧，此外还是转轮流速最高的区域和焊接影响区域，所以叶片磨蚀最为严重。另外，当含沙水流在开始进入转轮流道时，由于惯性使水流在叶片头部背面形成脱流，产生磨蚀。叶片头部工作面附近受直接冲击面产生磨损。在水流进入叶片流道中间后，由于叶片正背面压差的存在，使水流又产生工作面向背面运动的附加流动，致使含沙水流对叶片背面出水边产生强的磨损。
3.2转轮磨蚀的外观特征
转轮磨蚀破坏最主要的原因是泥沙磨损和空蚀破坏，两种原因引起的破坏形式有所不同。泥沙磨损的外观特征是表面呈角鳞状波纹、鱼鳞坑、鱼鳞槽，磨损轻微的地方有沿着水流方向的划痕和斑点。当磨损严重时，则彼此连成一片，具有破坏痕迹的表面有阴暗光泽，形状呈细长。空蚀破坏的特征是零件表面呈海绵状，金属好似被一小块一小块的啄成相当深的小洞，形成蜂窝状。在破坏期，这些小洞是不连续的，小洞旁边的金属可以是完好的。泥沙磨损与空蚀破坏常常是相伴发生、相互促进，进而加剧对转轮的磨损和空蚀破坏。
4转轮磨蚀破坏的一般防止方法
4.1设计方面
（1）叶片的型式，主要是叶片的设计要符合流线型。（2）叶片的数量，如增加叶片数量，其目的可以减轻叶片单位面积的正负压差，叶片背面的负压力可随着减弱，一般用于高水头。（3）工作轮的级数，高水头时可考虑多级工作轮。（4）止漏环的结构，合理选择止漏环的结构型式。
4.2制造方面
（1）材质，在一般情况下材质愈是坚硬，抗空蚀性能就愈好，可采用含铬较高的（12～14%）不锈钢，或者热喷涂耐磨腐蚀的金属材料。（2）叶片加工，由过去“立体样板-铲-磨”工艺改为叶片模压成型-数控加工。（3）抛光，提高叶片的表面光洁度，即降低表面粗糙度Ra值，可减少低压区出现空蚀的几率。（4）圆滑过渡，转轮各断面处圆滑过渡。
4.3运行方面
在可控制运行区域中，若发现在某一工况下运行时有空蚀，或空蚀较严重时，可尽量避免在这一工况区域运行。定期将水库的积沙进行“冲洗”，将堆积泥沙用高压水强制排除。
5转轮磨蚀破坏的处理
5.1磨蚀破坏的测量
大修前，应先对转轮泥沙磨损、空蚀破坏情况进行检查，测量侵蚀面积、深度和金属失重量。侵蚀面积可用涂色翻印法测量；侵蚀深度可用探针或大头针插入破坏区，再用钢板尺量取；金属失重量可用黏泥按叶片的曲面形状抹在侵蚀区上，然后取下称重，按其比重换算出金属的失重量。测量结果应作为评定磨蚀破坏强度的原始数据和检修工作的资料加以保存。
5.2侵蚀区的处理
在破坏区域补焊前，应先对侵蚀区域进行处理，需要处理的区域应比实测区域的面积略大。侵蚀处理区域确定后，应对该区域进行铲削，它直接对以后的堆焊和打磨有直接影响：铲削过深，增加堆焊工作量；铲削过浅，影响堆焊质量；铲削高低不平也会增加堆焊和打磨的困难。
5.3抗泥沙磨损、空蚀焊条的选择
通过实践证明，含铬在12%以上的不锈钢焊条，抗空蚀性能较好，如高铬锰空蚀堆焊焊条堆277，它的堆焊层富有韧性，且有良好的抗裂性能。对于泥沙磨损严重的区域，宜采用堆 217铬铜钒堆焊电焊条修复，它的堆焊层具有很高的抗泥沙磨损稳定性。
5.4焊接工艺
焊条应保持干燥，不许掉皮，焊前应在300℃烘箱中烘干1h才能使用。堆焊的电流宜采用小电流短弧堆焊，堆焊过程中，运条速度应一致，电弧应稳定，并尽量采用短弧。为控制焊接造成的不均匀变形，减少内应力，最好将施焊部位进行预热在200℃以上，避免在环境温度为15℃以下进行堆焊。焊接时采用对称分段跳焊等方法，防止热量过分集中。为了减少和防止焊接过程中的变形，除采取合理的焊接工艺外，还须进行严密监视，以便及时发现变形，并及时处理，一般可采用千分尺和百分表来监视，也可以同时在容易产生变形的部位设置加强物来抑制变形。焊接后应做消除焊接应力处理（正火和退火）。
5.5打磨后的要求
用软质砂轮打磨堆焊处，使其表面粗糙度Ra值越小越好，至少应达到设计要求，转轮叶片打磨后应符合原线型。同时，打磨后不允许有深度超过0.5mm，长度大于50mm的沟槽与夹纹，转轮叶片与其样板的间隙应在0～1mm以内，且间隙同间隙的长度之比要小于2%。
5.6叶片开口度测量和整形处理
叶片经补焊后线型可能损坏，使得叶片间的流道宽度不均匀而引起径向受力不均衡，产生水力振动，从而引起效率的降低。因此，转轮必须检查叶片开口度和进行整形处理。叶片开口度测量应根据制造厂所给图纸的技术数据允许值，由专人进行测量和记录，一般进行两次，以便互相校验。如果实测数值没有超过允许值a0的±0.05a0，则不必进行处理。如果叶片在某一流面的型线发生变形，一般采用气焊把叶片背面加热烘红，然后在正面放上该型线的样板用千斤顶顶几次，直至用样板检验合格为止。
6结 语
本文针对已建成的电站，从运行与检修的角度，分析了水轮机转轮磨蚀的特点、外观特征以及和防护、处理问题。而水轮机抗磨蚀是一项从包括力设计、材质选择、制造工艺、机组安装、优化运行、检修处理等多个环节的系统工程，在每一个环节上都要严格要求，才能从根本上解决水轮机转轮的磨蚀问题。
参考文献略
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