摘要：针对多泥沙中高水头电站水轮机的特点，从转轮选型、结构改进、转轮材质选用、叶片加工工艺诸方面，论述了提高中高水头机组综合效率和可靠性、改善多泥沙电站水轮机抗空蚀性能的技术措施。
关键词：多泥沙；中高水头；水轮机；技术措施
泥沙的存在，改变了清洁水流的物化特性和流动性；泥沙挟带的气泡增加了水中的气核；泥沙使水轮机流道内的流场和压力场发生了畸变；沙粒对过流部件表面的反复冲击和切削形成的局部磨损使绕流发生剧变，产生脱流漩涡，引起局部压力降低；上述因素均为泥沙水流气蚀的产生或提前发生创造了条件，因此多泥沙电站水轮机更易产生气蚀。
水轮机过流表面已发生气蚀的部位凹凸不平，更易磨损。试验研究表明，在相同工况下，泥沙水产生的气蚀强度是清水的4～6倍。因此含沙水中气蚀和磨损的联合作用，进一步加剧了水轮机过流部件的损坏。
泥沙磨蚀强度
P≈KWmSn（1）
式中K——与材质、泥沙特性、加工条件等有关的综合系数；
W——水流相对速度，m/s；
m——速度指数，在2～4之间，平均为3；S——含沙量kg/m3；
n——含沙浓度指数，n≤1，一般在0．6～1．0之间。
因此，泥沙磨蚀强度也可用下式表示，即
P≈KW3S0．8（2）
由（2）式可以看出泥沙磨蚀强度与含沙量成正比，与水流相对速度的三次方成正比，而含沙量较大的中高水头电站，相对速度较大，过流部件的气蚀和磨损联合破坏更应引起注意。据统计，泥沙磨损造成了机组效率的下降和年发电量的锐减。我国大中型电站水轮机平均效率下降1．5～6，中小型水轮机效率下降可达3～10。泥沙的磨损也缩短了机组大修周期，增加了机组检修工作量，有的转轮一个汛期就遭严重破坏，不得不停机检修，有的电站机组大修期不得不缩短为一年，较清水电站5年的大修期相去甚远，设备频繁检修给用户的生产和生活造成不便。多泥沙高水头电站水轮机除气蚀和磨损外，容积损失、机组稳定性等问题也较突出，因此，对于多泥沙中高水头电站水轮机生产，应综合考虑其特殊性，在生产制造过程中，应采取特殊的技术措施。现以某电站水轮机（单机容量22MW）为例做一论述。
1选型
1．1 电站基本参数
该电站基本参数为：Hmax=139．3m，Hcp=121．66m，Hp=117m，Hmin=106．54m，NP=22920kW，天然河道多年平均含沙量1．4kg/m3，最大含沙量140kg/m3，安装高程1914．4m。
1．2转轮选用
1．2．1能量指标转轮的选用首先应保证相对较高的效率。适合于该电站的模型转轮有HLA356、HLA598等等，最后选用了HLX180转轮，其模型额定点效率ηM=0．94。较通常转轮高出2个百分点，最高效率圈相对扁平，额定和加权平均水头下Q1′跨度达120L/m3，n1r′非常接近最优单位转速，运行区域包括了整个最优效率区，依据效率加权因子，求得的模型加权平均效率达88．4，额定水头下具有8．3的超发能力，因此该转轮能量指标较高，水能利用率高。运行区域见图1。
图1水轮机综合特性曲线
1．2．2水力稳定性
中高水头电站机组稳定性问题较为突出，为此，我们从众多的方案中选用了水轮机压力脉动相对值较低的转轮，额定点<4，水轮机转轮选用时，必须考虑在汛期时，仍可处在最优效率区运行，使水轮机在大部分运行范围内，压力脉动幅值较小，以降低机组诱发水力振动的因素。
1．2．3安全的气蚀系数及吸出高度
经对几个转轮的比较，所选转轮额定点模型气蚀系数仅有0．08。且水轮机在汛期时，仍可处在最优效率区运行。经电站实际考验，尽管是不锈钢叶片及下环，多泥沙电站Kσ=1．1～1．2的取值范围仍然偏小，为了提高机组抗空蚀性能，取Kσ=1．4，留下较大的气蚀安全余量更为合理。
1．2．4叶片出口相对速度应低于安全值
叶片出口牵连速度
U2=πnDj/60（3）
式中Dj——出水边计算点半径，m。
叶片出口轴面速度
V2m=Q/πD2CB2ψ2（4）
式中D2C——过计算点j的过水母线曲线重心所在直径，m；
B2——过计算点的过水断面曲线长度；
ψ2——过计算点的叶片排挤系数。
近似认为水流为法向出口，则叶片出口水流相对速度为
W2=（V22m u22）1/2（5）
经计算u2≈25．4m/s，w2≈28m/s
国外经验认为多泥沙河流电站水轮机u2≤38m/s较好，据水利部天津院对A3、0Cr13Ni6Mo等材料的试验成果，参照已运行电站的磨蚀现状，认为当含沙量s≤5kg/m3时，u2≤38～40m/s，较为合适，而w2通常取值w2≤32m/s，由此可见，尽管该机额定转速较高，泥沙磨损量仍在安全值范围内。
2特殊措施
2．1导水机构
2．1．1顶盖、底环抗磨板材质选用
若抗磨板采用普通不锈钢板一般用塞焊工艺，抗磨板的更换很不方便，且耐磨性能不尽人意，近年来中国水科院研制的超高分子量聚乙烯板，在宁夏唐渠1×30MW，甘肃大峡4×75MW，福建雍口2×25MW、湖南碗米坡3×80MW等工程上应用情况显示，该材料的耐磨性能是不锈钢的10倍以上，在转盘式空蚀试验仪测试抗空蚀系数，1Cr18Ni9Ti为1，0Cr13Ni5Mo为1．27，超高分子量聚乙烯为16．78。在泥沙粒径<0．065mm的条件下，效果更佳。根据本电站悬移质泥沙级配表（见表1）可以看出，粒径≤0．065mm的悬移质占到6成以上，该电站的水质，更加适宜这种材料的应用，且该材料表面光滑，摩擦系数小，不吸水，变形小，备品加工和更换方便。
2．1．2顶盖排沙装置及可靠性论证
高水头多泥沙电站存在的主要问题有水力振动，轴向水推力大和密封件易于磨损，其中水力振动的原因之一是转轮上、下止漏环间隙过小，止漏环前后压差大，加工、安装又无法达到理想同心度，在止漏环中产生旋转压力场引起自激震荡。这种现象在国内屡见不鲜。原因之二是转轮上腔与顶盖下端的腔体太小，其中水力不均引起的轴向振动，如陕南某电站顶盖垂直振动高达0．458mm。轴向水推力太大，增加了轴承推力负荷，对轴承的可靠运行不利。排除泥沙可延长密封件寿命，提高容积效率，下面对密封结构的合理布局和排沙结构分别进行论证。
（1）密封结构合理性。
转轮密封结构为漏水经顶盖和转轮的间隙密封，经均压腔均压后，进入顶盖和转轮的梳齿密封，梳齿密封内侧向下延伸，目的是阻止甩出的泥沙在梳齿处堆积而加剧梳齿磨损，在由上冠和顶盖组成的空腔外侧，设置两根排水排沙管，利用离心力将大部分泥沙水排出。这里需要注意的是在间隙密封处有意识放大间隙的宽度并扩大均压腔。转轮与底环的密封采用阶梯式密封，且适当放宽该间隙，为减少漏水，在阶梯处设计扩散空腔，以降低密封水压力。这些措施被多次用于电站技术改造，目的是消除转轮密封的自激振荡，实践证明该措施是行之有效的（顶盖处结构见图2）。
（2）顶盖排沙效果分析。
转轮与顶盖密封漏水量按下式计算
q=μf（2ghm）1/2（m3/s）（6）
式中μ——止漏环流量系数；
f——止漏环间隙过流面积；
m2；
g——重力加速度，m/s2；
hm——止漏环两侧压差，m。
根据前苏联的计算资料
μ=0．35μ1（7）
μ1=（2b1/2u1/4）/l1/2（8）
式中b——密封间隙宽，mm；
u——止漏环间隙处的圆周速度，m/s；
l——密封长度，mm。
u=（πDzn）/60（m/s）（9）
式中Dz——止漏环直径，m；
n——机组额定转速，r/min。
f=πDzb（m2）（10）
前苏联的《水电站水轮机设备》中认为
Hm=（0．61～0．75）Hp（11）
止漏环出口处漏水流速
vq=q/f（m/s）（12）
顶盖取水口处的压力
P=Hp-hm-v2q/g（13）
经计算，该处压力P=0．386MPa，可见如此大的压力完全可以将大部分漏水和泥沙排除，若经计算，P值太小时，可在上冠处加径向筋，以增加排沙口压力，只是增加径向筋板（相当于离心泵叶片）后，经验证明，将会使机组效率下降0．5～0．8。
上述计算公式经国内某电站验证，计算值与实测值比较，误差<±8。
（3）轴向水推力论证。
据东方电机厂经验，只要将取水口面积和密封间隙面积比值取在1．766，则顶盖内压力可降低30，顶盖排沙排水后，排除了不稳定水流，避免了轴向水力振动，改善了转轮稳定性，同时降低了轴承推力负荷。
2．2转轮及叶片材质选用
我国水电工作者对转轮及叶片材料在抗气蚀和磨损破坏研究方面做了大量工作。总体来说，不锈钢的抗气蚀性能要明显优于20SiMn和30#铸钢，但在多泥沙电站0Cr18Ni9Ti抗空蚀效果并不好，在葛洲坝采用的马氏体不锈钢0Cr13Ni4Mo、0Cr13Ni6Mo，刘家峡4#机采用的0Cr13Ni5Mo的抗空蚀性能、机械性能等得到一定改善，且13-5较13-4抗空蚀性更好，但上述三种钢均存在热应力大，有淬硬倾向，焊接需预热，焊缝易开裂的问题，如李家峡、岩滩等电站转轮均出现了叶片焊缝开裂现象。我国在鲁布革电站（单机150MW）转轮叶片采用的ZG00Cr16Ni5Mo（16～5）是瑞典，法国、挪威、日本等国家从法国17-4PH基础上研制的，经试验和实际运行考验，该钢具有很好的机械性能、机加工性能和铸造性能，因该材料含碳量更低，有更多的逆变奥氏体，因此，可焊性更好，可以不进行预热焊接，这对电站现场的叶片修复更为有利。在鲁布革电站经6个汛期的长期运行空蚀磨损轻微；在三门峡电站运行表明，其耐磨性优于13-6，因此该材料更适合于做高水头、多泥沙电站的转轮及叶片。
2．3设计方法的更新
高水头多泥沙电站水轮机结构可靠性问题更加突出。如果结构件不可靠，设计间隙的变化将加剧间隙空蚀或能量损失，甚至危及电站安全运行；传动机构的干涉不仅增加了返修工作量，延长生产周期，有的甚至造成制造厂或电站经济损失；设计中力作用点的不准确将导致机组的震动等等。以往的二维图设计方法往往有其局限性，不少问题只能在机构装配或电站运行时才能暴露出来，无法做到虚拟模拟，防患于未然。美国参数技术公司（ParametricTechnologyCorporation）的设计软件PTC，彻底改变了CAD的传统观念，设计者可利用其强大的设计装配功能，实现水轮机的三维设计；利用其对任一部件的修改都自动反应到相关对象的全相关性，做到设计与优化并行进行；利用其特有的驱动程序，进行水轮机传动部件的运动模拟和干涉性检查；利用其强大的分析功能进行模型的体积、面积、物理参数的精确计算，完成建模，添加约束，添加载荷，划分网格，并将模型转换为ANSYS可识别文件进行详细的有限元计算；利用其工程图操作功能实现三维模型向二维生产图的转换等等，总之全三维设计方法为水轮机的安全运行提供了保障。
3结论
经过以上论述，本人认为只要引入新结构、新工艺、新方法、新材料，可有效提高机组综合效率，减轻多泥沙电站的磨蚀，提高高水头电站机组稳定性。
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作者简介：王长娃（1959-），男，甘肃甘谷人，兰州理工大学硕士研究生。
Tech-measuresofProductionofHydr-turbineforPlantWithMedium-higherHeadonSilt-loadedStream
WANGChang-wa
（LanzhouUniversityofScienceandTechnology，）
Abstract:Withthefeaturesofthehydraulicturbineaimedforthehydropowerplantwithmedium-higherheadonsilt-loadedstreams，thetech-measuresforraisingthecomprehensiveefficiencyandreliability，andimprovingtheanti-cavitationsoranti-erosionpropertyofthehydraulicturbinefortheelectricalpowerplantonthesilt-loadedstreamwereexpoundedinthispaper．
Keywords：silt-loadedstream；medium-higherwaterhead；technicalmeasures
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