水轮机过流部件磨蚀问题的研究与防护小水电2006年第1期(总第127期)技术交流水轮机过流部件磨蚀问题的研究与防护熊茂涛卢池杨昌明(西华大学能源与环境学院四川成都610039)陈次昌(西南石油学院四川成都610500)【摘要】针对我国高含沙水流中运行的水轮机组的过流部件的磨蚀这个长期存在的疑难问题,开展研究工作,在分析水轮机过流部件泥沙磨损,空化破坏各自的磨损机理,特点,影响因素,预测模型等的基础上,总结出水轮机过流部件的磨蚀主要是泥沙磨损,空化破坏及它们的联合作用,提出水轮机过流部件磨蚀的主要防护措施,为最终解决水轮机过流部件磨蚀问题提供了理论依据.图6幅,表1个.【关键词1泥沙水轮机磨蚀机理磨损空化l引言我国水能资源丰富,据2000年的数据,我国可开发水能资源为4.1324亿kW,2000年末我国水电装机总量达到75OO万kW,占全国总装机容量的24%_1】.同时我国河流的特点之一是含沙量大,年平均输沙量在1000万t以上的河流就有115条,每年直接人海泥沙总量达到19.4亿t[2】.因此在我国的水电开发中,存在着突出的泥沙问题.据不完全统计,在我国建成的装机7500kW以上的各类型大中小水电站中,有泥沙磨损的约占4o%[3J,由此产生的磨损,空化破坏严重,不仅影响了水电机组的安全经济运行,造成巨大的经济损失,而且威胁电网的安全运行,成为水电生产中急待解决的难题.表1为我国部分大型水电站水轮机磨蚀情况,其他河流上的水电站也存在着严重的磨蚀问题(见表1).表1我国部分大型水电站水轮机磨蚀简况河名,水电站名水轮机泥沙磨蚀情况90%的泥沙通过机组下泄,过机含沙量多年平均值为1.60ks/m3,汛期多年平黄河,刘家峡箬车翁簇赣嘉篷l泥沙大增,磨损,空化破坏空前加剧….多年平均含沙量为1.2kg/m~,最大含沙.…量1O.5kg,m3,水轮机转轮采用长江,葛洲坝0Crl3Ni4Mo和0Crl3Ni5Mo不锈钢铸造. 首台机组运行两个汛期就发现明显的磨损,空化破坏….1983年汛期后,沉沙库容所剩无几,过大渡河/龚嘴机泥沙数量猛增,水轮机开始进入严重的磨蚀损坏期.基金项目:国家自然基金项目资助(NO.90410013)由于磨蚀问题的复杂性和研究手段的制约,磨蚀的破坏机理至今看法不一.有鉴于此,通过分析水轮机泥沙磨损,空化各自的破坏机理,总结出高含沙水流中水轮机过流部件磨蚀机理及主要防护措施,为解决水轮机过流部件的磨蚀问题提供理论依据,对于提高水电站的经济效益和延长机组寿命,促进国民经济的发展有着极其重要的意义.2水轮机磨蚀破坏特征2.1水轮机的泥沙磨蚀携带泥,沙,石的高速水流,在通过水轮机流道时,对水轮机过流表面产生的破坏称之为磨蚀.通常情况下水轮机某一过流表面局部的破坏,往往不是单一因素造成的,多数情况下,它包括泥沙磨损和空化破坏及其联合作用.2.2水轮机过流部件的磨蚀部位及其特点1)混流式水轮机:叶片正面磨蚀表现为上轻下重,叶片正面靠进水边的边缘磨蚀一般较严重;下部靠出水边出现沟槽和锯齿状;叶片背面亦是普遍磨蚀,尤其是叶片下部靠近下环处和叶片出水边靠下环转弯处,均出现针孔,鱼鳞状凹坑等.图1为轴流式水轮机转轮叶片磨损情况示意图(见图1).圈1轴流式水轮机转轮叶片磨损情况示意图3l?技术交流SMAILHn)R0POWER2006Nol.TotalNo127 图2混流式水轮机转轮磨损部位示意图2)轴流式水轮机:叶片正面靠出水边缘特别是叶片外边缘,叶片背面亦严重磨蚀;转轮室下部半球形部分,转轮体及泄水锥的外表面等出现磨损.图2为混流式水轮机转轮磨损部位示意图(见图2).3)冲击式水轮机:引水管道,针阀,水斗内表面和喷嘴环等处容易受到泥沙磨蚀.3磨损破坏机理研究3.1磨损理论水轮机工作水流中含有泥沙颗粒时,具有一定动能的坚硬沙粒将有可能垂直冲击水轮机部件的过流表面的金属材料,材料在沙粒的冲击压力下,产生弹性变形,进入塑性流动状态.此后,表面弹性变形部分将恢复,而塑性变形被保留,形成冲击凹坑.在凹坑边缘有塑性变形中挤出的材料堆积物在沙粒不断冲击下,堆积物将重新受挤压变形和移位而有可能从材料表面剥落.同时,在合适的沙粒冲击角度下,堆积物易受剪切折断,形成材料的磨损量.某些金属有很强的冷作硬化能力,具有较高的硬度和脆性,可能产生变形裂纹.在足够的冲击能量下,冲击凹坑边缘和坑壁就常可能存在径向裂纹,即使沙粒冲击能量较小,不足以直接产生材料剥落,但经过长期反复冲击,也会导致材料的疲劳剥落.上述即为金属表面受沙粒冲击后,因弹一塑性变形引起的微体积损失过程,称之为变形磨损. 当沙粒以小冲角撞击材料表面,接触点很小的面积上将集中很高的压力.此冲击压力的垂直分量使沙粒压人材料表面.同时,沙粒在小冲角下有较大的水平动能分量,将使其沿大致水平于材料表面的方向移动.材料在沙粒尖角水平移动时.产生接触点的横向塑性流动,切出一定量的微体积材料. 这种材料的微体积损失称为微切削磨损.高含沙水流中含有不同形状的沙粒,流动也表-32-现为紊流形态,沙粒颗粒群体的运动方向可能是任意的,因此,高含沙水流中水轮机过流表面的实际磨损过程为上述变形磨损和微切削磨损的复合作用引.3.2泥沙磨损的破坏形态破坏轻微处有沿水流方向的划痕和麻点;严重时,表面呈波纹状或沟槽状,并常形成鱼鳞状凹坑;磨损强烈发展时,可使过流部件穿孔,成块崩落.磨损有明显的方向性,与水流特征一致;磨损表面密实,呈金属阴暗光泽L4J.3.3水轮机泥沙磨损的影响因素泥沙对磨损的影响因素:沙粒的特征,包括颗粒尺寸,硬度,形状等;含沙水流的特征,包括相对速度,冲击角等;金属材料的特征,包括硬度,韧性,破断强度等;水轮机的设计,如负荷选择,水头变化频率等等(见图3-5).圈3水轮机磨损的影响因素3.4水轮机泥沙磨损的预测水轮机过流表面的磨损行为十分复杂,到目前为止还没有一个公认的,普遍适用的机理和公式可以预}贝5水轮机材料的抗磨损性能.其中Finnie的微切削模型在验证塑性材料的冲蚀磨损规律方面有较好的效果L6】.cM厂(D)-r.式中:为冲蚀磨损量(kn);M为沙粒颗粒的质量(kg);U为沙粒的速度(rrds);P为金属材料的屈服应力;c为经验系数;a为入射角.国外,已有水轮机制造厂(如伏依特公司)利用TASCflow等商用软件计算泥沙颗粒运动轨迹,并预测泥沙磨损.但是,其颗粒运动轨迹计算量有限,不能得出分散相运动特性,预测泥沙磨损还需小水电2006年第1期(总第127期)大量经验数据.4空化破坏机理研究4.1空化理论空化存在两种物理变化过程:水流在流道里高速运动过程中,速度和压力都会变化.当速度增加压力降低时,水流中就会产生气泡,气泡集中的区域叫空穴,这种变化叫空化;挟带气泡的水流在高速流动过程中当速度降低压力增加时,气泡就会溃. 灭,气泡溃灭时会产生高温高压的微射流,靠近流道边壁的微射流长期对边壁作用,就会使边壁的固体物质产生疲劳破坏,使材料大量流失,这种变化过程叫空化.对流道边壁产生破坏作用的是后一种物理变化….图4为微射流引起的空化示意图(见图4).圈4微射流引起的空化示意图4.2空化的部位与特点空化破坏常常会出现在叶片的背面等低压区.轻微的空化使过流表面失去光泽而变暗,进而发展为麻点,麻面,针孔状等;较重的空化使表面变得十分疏松成为蜂窝状;空化严重时转轮叶片出水边较薄的地方就会穿孔,甚至整块脱落,过流部件很快就破坏失效.4.3空化的影响因素影响空化的因素主要是:硬度,断裂应变能,韧性及材料的抗腐蚀性能,流体速度,工件的表面粗糙度,流体的温度和气体含量等.但由于目前尚没有完全掌握空化机理,还不能准确预测各类材料耐空化性能.4.4水轮机空化的预测目前仍没有一种非常完善的评判水轮机空化状态的标准,尤其水轮机在实际运行过程中,无法直接确定其叶片的空化破坏程度,极大地制约了水轮机状态检修技术的发展.通常水电厂都是根据水轮技术交流机实际运行吸出高度的大小,能量特性的变化及振动状况来判断水轮机的空化状态,但这仅仅是一种趋势性分析,并没有确定的标准可依哺].5泥沙磨损,空化联合作用泥沙磨损和空化联合作用,就是含沙掺气高速水流产生的复合磨损破坏(即为磨蚀),其原理是:高含沙水流以混合体(压力水携带泥沙颗粒)高速冲击水轮机过流部件,其冲击强度随气泡大小可达上千个大气压,造成复合形式的磨损.其中,有气泡的空化,也有高速水滴和泥沙颗粒的冲蚀磨损及其交互作用.在水轮机过流部件的磨蚀破坏过程中,当水流中气泡爆裂产生的带有巨大冲击波的微射流射到泥沙颗粒上时,就使得泥沙颗粒从微射流上得到了速度.受到微射流冲击的泥沙颗粒由于微射流的速度远大于悬移质的速度,所以泥沙颗粒一般是以旋转状态沿着接近微射流的方向高速前进,旋转着的高速沙粒与边壁相遇时,金属材料除了受空化产生的脉冲式法向应力的重复作用外,还受泥沙颗粒的非法向力的切削作用.材料表面气泡溃灭时产生的微射流除直接蚀损材料外.还以冲击波的形式作用于泥沙颗粒上,极大地增加了泥沙颗粒的冲击速度,提高了对材料的切削作用,致使材料表面出现麻点,麻面,凹坑,甚至使泥沙颗粒嵌入材料表面形成凹凸不平,从而改变材料表面的平整度.当沙粒有锐利的棱角时,其切削作用则更加明显.这种切削作用使得金属表面的氧化膜不断受到冲击而产生崩落,既而引起水中腐蚀性介质对金属表面的进一步侵蚀.大量试验表明,含沙水流由于泥沙裂隙挟带气泡进入水流中,增加了水中气核,促使气泡初生提前发生.但气泡初生后,含沙水流对从气泡生长,溃灭到对过流表面的破坏机理,尚存在较大分歧.一般认为磨损促进了空化,空化又促进了磨损,但哪一个起主导作用尚未完全搞清楚.图5,图6即为葛洲坝水电站水轮机叶片典型的磨蚀表面,显示出分布规则的鱼鳞坑[6].这种磨蚀表面形貌与纯泥沙磨损和纯空化破坏得到的磨损表面有非常巨大的差别.说明我国高含沙水流中水轮机的磨蚀机理既不是简单的泥沙磨损也不是纯粹的空化破坏,而是泥沙磨损和空化联合作用对水轮机过流部件的破坏作用.33?技术交流SMAIHu)R()POWF~2O06Ⅳ0,TotalNo127 图5被严重磨损的叶片边缘6泥沙磨蚀防护措施6.1水电站的排沙措施与运行方式合理排沙,减少过机沙量是有效减轻水轮机泥沙磨蚀的重要措施.水库在设计时,就应该做好枢纽布置及科学调度的规划,以减少通过水轮机的泥沙.我国已总结出许多减少水库淤积,延长水库寿命的措施,包括在流域内大力开展水土保持工作; 合理布置电站取水口;设置导沙坝,冲沙闸,沉沙池等排沙设施.另外,利用水库采取调水调沙,蓄清排浑,泄洪排沙,异重流排沙等方式,都是行之有效的.6.2水轮机设计参数的合理选择水轮机设计参数选择时应考虑适当降低参数水平,特别注意控制降低水轮机转轮出lZl的相对流速,以达到最优比转速.同时采取水轮机转轮叶片的优化设计,考虑加大导叶分布圆的直径,选择合理导叶翼型,转轮叶片外缘加装裙边等措施.在转轮结构设计中,应注意提高部件的互换性,保证部件容易拆卸,修理和更换,以提高工作效率.6.3水轮机的制造和防护水轮机转轮采用0Crl3Ni4Mo,0Crl3Ni5Mo和0Crl3Ni6Mo等抗磨蚀性好的高强度不锈钢铸造, 特别是提高制造水平和质量,保证加工精度和表面光洁度.水轮机的防护采取材料表面物理强化技术,改性环氧金刚砂涂层,聚氯酯涂层,金属陶瓷涂层,喷涂超高音速WC,喷焊SPHG1焊条,堆焊GB1,A132焊条等先进技术和材料.6.4电站的检测,维修手段水电站要加强各种技术资料的收集和积累,加强水电站检修手段的研究和配置,提高检修质量, 采用叶型测绘修形,智能专家系统,坑内水轮机修复机器人等先进设备和措施.7结束语由于水轮机过流表面的磨蚀机理复杂,影响因素众多和研究手段的制约,目前对磨损,空化双重34?图6水轮机磨损表面的鱼鳞坑作用下的过流表面快速损坏机理的认识还不足以得到实用性强的水力抗磨耐蚀优化设计方法,有待于深入研究.近年来随着扫描电镜,电子探针,x射线衍射和能谱分析等现代化测试手段的出现,磨蚀问题的研究进入到微观程度,把磨蚀的宏观形貌和微观过程相联系,通过微观破坏形貌判定磨蚀机理,使人们对磨蚀机理的认识又推进到了新的高度.通过对水轮机过流部件表面的磨蚀机理研究,认识磨蚀损坏本质,进行水轮机泥沙磨蚀的预估和防护.可以对水轮机进行水力抗磨耐蚀优化设计提供依据和手段,对于最终解决水轮机过流表面磨蚀问题具有重要的意义.参考文献:[1]段生孝.我国水轮机空蚀磨损破坏状况与对策[A].天津:水机磨蚀论文集.2001,11—15.[2]王志高.我国水机腐蚀的现状和防护措施的进展[J].水利水电工程设计,2O02,21(3):1.[3]顾四行.我国水轮机泥沙磨损问题回顾[A].天津:水机磨蚀论文集.2001,20—21.[4]段昌国.水轮机沙粒磨损[M].北京:清华大学出版社.1981,9—14.【5]GreinH,Sehac~nmamA+SolarProblemofAbrasionin HydmclccmcMachinery[J].WaterPower&DamConstrue- tion,1992,(8):19.[6]李健,彭恩高,白秀琴,周燕,孙家峰.水轮机过流部件的磨损问题[J].材料保护,2004,37(7): 44—46.[7]薛伟,陈昭运.水轮机空蚀和磨蚀理论研究[J].大电机技术,l996,(6):46—47.[8]徐朝晖,陈乃祥,吴玉林,周兵.水轮机空蚀破坏估算法[J].华东电力,2002,(8):75.■熊茂涛(1976一),男,硕士研究生,工程师,主要从事水轮机空化与泥沙磨损理论和数值模拟研究工作. Dnail:********************陈次昌(1948一),男,工学博士,教授,博士生导师,主要从事流体机械研究工作.。
混流式水轮机转轮流场单向双向流固耦合数值的分析比较研究论文混流式水轮机转轮流场单向双向流固耦合数值的分析比较研究论文由于流固耦合问题考虑到流体和结构之间存在的相互作用的特性，既涉及流体域求解又涉及固体域求解，使得计算结果更接近物理现象本身的规律，近年来在水轮机虚拟设计、仿真及振动特性分析中应用得越来越广泛和深入。
目前，流固耦合的求解问题有顺序单向耦合(后文均用单向耦合表述)和迭代双向耦合(后文均用双向耦合表述)。
梁权伟等运用单向耦合的方法进行了三维旋转流动所产生的水压力作用下转轮体的静强度特性分析及转轮在水介质中的模态分析，陈香林等计算并分析了应力刚化及流体压缩性对混流式水轮机叶片动力特性的影响，张双全、李海亮等运用ANSYS-CFX软件进行了转轮应力、位移等力学特性计算和分析。
由于单向耦合只考虑流体压力对于结构场的影响，不考虑结构场对流场的影响，计算结果在原理上存在误差。
近几年，随着流固耦合技术和计算机软、硬件技术的发展，双向流固耦合算法研究及应用逐渐引起学者的重视。
在水力机械双向流固耦合计算方面，目前可查文献还较少，张立翔等利用广义变分原理进行了水轮机叶片双向流固耦合模态分析，计算的模态频率与试验测试值基本吻合，H Schmucker等借助AN?SYS-CFX软件计算了低水头水轮机转轮叶片单向耦合和双向耦合问题，发现转轮刚度对计算结果的一致性影响很大，肖若富等通过对流体方程和结构方程的双向迭代分析了水轮机转轮在双向耦合下的应力特性，得出转轮变形量大小是单、双向耦合计算结果差别的重要因素的结论。
本研究结合某小型水电站水轮机建立精确的蜗壳、转轮、尾水管流道模型，进行低水头低转速和高水头高转速两种工况下单、双向流固耦合计算对比，并对计算结果进行分析。
1 流固耦合理论通常流体流动的守恒定律包括质量守恒、动量守恒、能量守恒，对于一般不考虑能量传递的水轮机内部水流运动可以用如下质量守恒方程和动量守恒方程来描述。
大型混流式水轮机稳定性分析随着社会的进步和发展，对于电力需求度也在不断扩大，混流式的水轮机的出现逐渐装箱后高转速的大容量的方向的发展、单机的容量在不断的扩大、转速的提高和高水量的需求，对于混流式水轮机的要求也在不断的提高，同型机组的水力设计的要求呈现高比转速的发展趋势，空化引起的对相涡流引转式的问题逐渐得到了重视。
标签：混流式水轮机；稳定性；流场；流动性0 引言混流式水轮机具有结构简单，适用范围广、研究发展技术成熟的特点在大型水电站的应用上占据着主导的地位，但由于涡轮机组的水轮机是固定叶片结构的水力设施，设备运行时的稳定性和转轮叶片的裂纹的产生是主要威胁水轮机安全运行的重点问题。
1 影响混流式水轮机内部稳定运行的因素1.1 水力因素水轮发电机组的建设是由于水力在平面上引起的振动产生的，由于水轮机组在设计状况下产生的震动；以及空腔内部的水轮机旋转引发的涡轮带来的压力脉动：还有水轮机转动部分的固定界面的间隙不均匀产生的压力脉动。
以及水里的不均匀产生的不平衡感脉动的情况。
水轮机在工作时处于负荷性，由高水性满负荷的运转带来的压力承受值意外，还承受了相当于水力平面的振动和压力脉动的负荷情况。
虽然都能引发传统意义上的作用机理是不同可以进行分析鉴别。
水轮机在工作时会产生的脉动经过水流通的活动导致叶面的调整，叶片的出水口方向是固定的。
在特地情况下的水管中，叶片前部的水流会产生脱流空转现象。
都是产生水利振动的因素。
由于混流情况的水轮机组是采用固定叶片的运作的水利设施，当到页开度处于比较小流量的涡带的开度的运转下，会引发更大程度的震荡，加剧流道中的压力脉动使设备出现故障。
1.2 转轮制造技术随着机器机组的增加，机组尺寸的比例也得到了放大，设计制造方面所导致的机组设备刚度降低，使得固有的频率下降，大型机组更容易诱发共振，由于机组的水利干扰设备更加的混沌而引发的机器效率下降。
转轮叶片所采用的技术是上冠和下部比较，平面的面积较大，横截面尺寸相对较低，与转轮接触点较大，容易形成卡槽。
