摘要:万家寨水电站位于黄河中游，水轮机磨蚀问题比力突出。为了减轻水轮机的磨蚀，从设计和维护运行等方面接纳了化水库泄流排沙设计、合理选择有关参数、化水力设计和结构设计、采用母材和抗磨材料、避开机组振动区域运行等主要措施。
关头词万家寨水电站水轮机抗磨蚀
1、概述
黄河万家寨水利枢纽水电站共装有6台立轴混流式水轮发机电组单机容为18万kW，总装机容为108万kW，设计年发电27.5亿kW.h。
万家寨水电站为多泥沙河流电站，其泥沙特征为：设计多年平均输沙为1.49亿ｔ，设计多年平均含沙6.6kg/ｍ3实测多年平均含沙为5.7kg/ｍ3(其中直径年夜于0.05ｍｍ的有害颗粒含为1.378kg/ｍ3，占其总的24.2)，实测年夜含沙河口镇水文站1955年9月1日为37.6kg/ｍ3；展望建库后排沙期时段平均过机含沙为8～12kg/ｍ3建库后多年平均含沙见表。
在排沙期，除高含沙水流直接对水轮机进行磨损破坏外，还由于电站低水头运行，造成水轮机偏离设计工况，机组振动加年夜，从而使过流部件的气蚀加重；即使在非汛期，由于万家寨水电站被山西电网肯定为调潮水电厂，机组介入潮水调理，一样使得机组经常在偏离设计工况的区域运行，振动加重，发生气蚀破坏。凭据黄河中下流多泥沙水电站尤其是三门峡水力发电厂运行的现实情况，万家寨水电站水轮机接纳了化水库泄流排沙设计、合理选择有关参数、化水力设计和结构设计、采用母材和抗磨材料、避开机组振动区域运行等主要措施以增加水轮机的抗磨蚀性能。
2、化水库泄流排沙设计，下降过机含沙
1.哄骗泄洪底孔作为枢纽主要排沙建筑物
年夜坝左侧5～10号坝段的8个泄洪底孔进口底坎高程为915.0ｍ蓄水前坝前库底高程为899.0ｍ，比机组进水口低17ｍ，比引黄取水口低37ｍ，在库水位970ｍ水库高洪水位时，单孔泄为660ｍ3/ｓ。泄洪底孔能够排走水库中年夜泥沙，有用控制泥沙主流，削减过机含沙，维持有用库容。
2.设置5个电站坝段排沙孔
在年夜坝右侧13～17号坝段设置5个电站坝段排沙孔，其位置在机组进水口左下侧912.0ｍ高程处(其中5、6号机组共用1孔)，主要控制直径年夜于0.05ｍｍ的有害颗粒泥沙过机。在水库低运用水位952.0ｍ高程时，其孔泄流为60ｍ3/ｓ。排沙孔能将有害颗粒泥沙排至下流，削减有害颗粒过机；同时也能够排走水库右侧年夜泥沙，有用避免机组检修时进水口下部泥沙淤积。凭据三门峡、龚嘴等电厂的运行经验，电站坝段排沙孔排走的有害颗粒泥沙应为机组的10倍左右，可年夜年夜改善水轮机的运行条件，减轻对水轮机的磨蚀。
3、合理选择水轮机参数，下降磨蚀的影响
1.合理选择转轮流道中的水流速度
转轮流道中含沙水流的相对速度是影响水轮机磨损强度的重要身分。凭据黄河上多泥沙电站的水轮机运行情况和有关含沙水流磨蚀实验资料，连系本电站运行特点依照多泥沙河流适当下降水轮机参数水平的原则，参考已建电站的设计运行经验，肯定万家寨水轮机的比转速为220ｍ.kW并使得额定工况下转轮叶片出口相对流速小于38ｍ/ｓ，小水头、导叶全开工况下，转轮叶片出口相对流速小于34ｍ/ｓ；高含沙排沙期时段，导叶区年夜流速小于20ｍ/ｓ，从而减轻高速含沙水流对水轮机部件的磨蚀。
2.合理选择水轮机的吸出高度和安装高程
在含沙水流条件下，气蚀往往提早发生，而且气蚀与磨损的联合作用又将进一步加重水轮机的磨蚀损坏水平。本电站按排沙期5台机组运行、1台机组检修来选择水轮机年夜吸出高度为－5.0ｍ即能知足各类可能的运行工况，这时候水轮机安装高程应当为895.0ｍ。而现实终肯定的水轮机安装高程为894.5ｍ，现实水轮机允许吸出高度为－3.58ｍ，真机装配气蚀系数与模子临界气蚀系数的比值在含沙水流条件下年夜于2，在清水条件下年夜于1.5，使得气蚀有较年夜的平安余，保证水轮性能在高含沙水流条件下更有用地抗气蚀磨损，持久高效运行。
3.合理选择水轮机设计水头
水轮机运行工况直接影响着水轮机的磨蚀水平。合理选择水轮机设计水头，使水轮机在汛期也能有相对较好的运行工况，可以年夜年夜下降磨蚀对机组的影响。万家寨水利枢纽采用"蓄清排浑"的运用方式，电站每一年8、9两个月为排沙期，水库从防洪限制水位966.0ｍ高程下降到957.0～952.0ｍ高程之间水轮机在低水头50～55ｍ、含沙水流条件下担任调峰运行；其余的水轮机正常运行时段，水轮机在较高水头68～75ｍ基本上是在清水条件下担任峰荷运行。兼顾上述两种运行工况，使水轮机尽少偏离工况区，既能多发电，又可减轻磨损。经计较和比力，水轮机设计水头终肯定为68ｍ。
4、化水力设计和结构设计，提高水力性能
1.改良水轮机的水力设计
在水轮机模子实验中，对转轮运行范围及尾水管肘管进行了深进的研究与分析，进行了水轮机模子的清水和浑水的能与气蚀对比实验、清水流迹和浑水磨痕实验与修型和流场压力散布测定，经过次实验，不竭改良转轮(包括叶片型线和叶片数目)及导水机构等过流部件的水力设计，并采用今朝上早进的CFD技术ComputerFieldynamic--计较机流体动力学计较，又称计较机流体仿真计较，对速度场和压力场进行了计较和化，对各部件之间的流动干扰进行了分析，年夜限度地削减水力损失和空化的发生，从而保证水轮机具有较高的水力性能，较好的气蚀性能和运行稳定性，使选用的转轮及其过流部件顺应含沙水流条件，以到达机组水力设计在工况。
2.化过流部件的结构设计
(1)适当减小转轮出口直径，下环采用零锥角或小锥角。1～4号水轮机转轮进水口直径6.0874ｍ，转轮出水口直径6.1042ｍ；5、6号水轮机转轮进水口直径5.848ｍ，转轮出水口直径5.996ｍ。采用这些结构设计减小了叶片的弯曲度，改良了转轮叶片出水边与下环的毗连过渡，使水流顺畅，不发生加速突变、回流和漩涡，改善了水力性能，消除局部气蚀，减轻叶片出水边后背和下环内侧概况的磨蚀损坏，提高了装备自己的抗磨蚀能力。
(2)提高水轮机导叶相对高度，并适当加年夜导叶散布圆直径。保证在一定出力条件下导水机构有足够的过水断面面积，下降导叶出口流速，改善导叶区的流态，减轻导水机构的磨蚀损坏。
(3)增加座环、顶盖、底环的刚度，并适当削减导叶上下断面间隙的设计值和制造误差。顶盖和底环抗磨板采用可拆式结构，在导叶处于关闭状态的各间隙部位加装耐磨蚀的止水密封，减轻汛期水轮机停机状态下，导叶间隙射流所引发的磨蚀损坏。
(4)提高水轮机过流部件的加工精度，提高翼型概况和内部，下降其概况粗拙度，也从一定水平上减轻了磨蚀的影响。
3.采用易于检修维护的结构方案
本电站各机组均在水轮机室设有可拆卸的吊环，能在不拆卸发机电的情况下，在水轮机室内整体起吊水轮机顶盖、勾当导叶和底环，并固定在发机电下机架上，从而可以利便地检查及修补水轮机的上下止漏环和转轮叶片、下环等易磨损部位。
5、采用的母材料和抗磨材料
1.母材
1～4号水轮机转轮为铸焊结构，母材为今朝抗磨蚀性能较好的ZG0Cr16Ni5M0。导叶采用ＺＧ270－500整体铸造。5、6号水轮机转轮为整体铸焊结构，采用ZG0Cr13Ni4M0不锈钢材料，导叶采用ZG0Cr13Ni4Mo不锈钢整体铸造。
2.抗磨材料
1号水轮机转轮由于制造工期等缘由没有涂抗磨涂层。2、3号水轮机转轮及导叶的过流概况均涂以具有韧性的以聚氨酯为基底的加进TiNi高硬度微粒所组成的非金属材料耐磨涂层(俗称软涂层)；导叶立面堆焊抗磨蚀不锈钢，以堆焊层金属直接接触的方式来密封；导叶端面展焊Ｇ817材料的不锈钢抗磨板。4号水轮机转轮采用环氧金刚砂抗磨涂层，并在其中4个叶片的环氧金刚砂涂层上，又涂了一层软涂层，以实验软涂层在环氧金刚砂上的黏结能力。5、6号水轮机转轮及叶片正压与负压侧、下环、转轮上冠与下环止漏环、导叶过流面、导叶上下断面、立面封水面和部门导叶轴颈等过流面和易磨损部位均喷涂碳化钨抗磨蚀层(硬涂层)；固定导叶与上下环板之间的根部在现场喷涂软涂层。从今朝运行来看，环氧金刚砂抗磨涂层要于其他两种涂层。
6、避开机组振动区域运行
凭据水轮机特征，两制造厂家对机组运行给出了一定的条件，要求机组在响应水头允许出力的40～100范围内运行，这类工况能保证水轮机稳定运行，其中包括尾水管压力脉动、顶盖垂直振动、水导轴承的摆度和噪声。在响应水头允许出力的40以下运行，属于机组振动区域，机组振动剧烈，水轮机磨蚀加年夜，对机组各零部件造成较年夜的损害。针对这类情况本电站主要凭据水库来水情况向山西、内蒙古两电网调剂申请合理的负荷，使得网调分配的负荷尽在机组振动区域之外；同时要求运行人员凭据现实情况合理分配机组之间的负荷，尽避开机组的振动区域运行或尽削减在振动区域的运行时间，从而在一定水平上下降水轮机磨蚀的水平。
接纳以上抗磨蚀措施的主要目的是保证水轮机过流部件免遭严重风险，确保汛期正常发电，缔造更年夜的效益。可是本电站机组投产时间较短，抗磨蚀措施的效果还需随着水库的运用和机组的运行现实慢慢验证。