第二节 水轮机的泥沙磨损

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1、第二节水轮机的泥沙磨损一泥沙运动的特征泥沙被水流挟持通过水轮机时，其运动必然要受到水轮机空间流道约束。从宏观现象观察， 泥沙运动方向大体上与水流方向一致，但是泥沙本身作为刚体，还要受到本身惯性、接触碰 撞，以及动量传递等多种因素的影响，从微观角度研究，泥沙运动则是复杂的瞬变运动。如图9-1所示，是单颗泥沙瞬间运动的轨迹。在水轮机流道内，取直角坐标xyz，并取 其中任一泥沙颗粒，对其运动状况进行分析。图9-1单颗泥沙瞬时运动轨迹设该颗粒的质量为板，起始位置4，经过时间今后，运动到另一新位置4。因受紊流脉动和碰撞的影响，泥沙颗粒一方面作跳跃式相对移动，另一方面又因其形状不 规则，瞬间合力不通过重心

2、，使其绕通过重心的轴线作旋转运动，即自转。对各个瞬时均可 列出：移动速度芬瑚成成T T T T转动角速度（9-1）上式表示泥沙本身的运动是刚体运动，该运动与水流质点的运动既有关系，也有根本的区 别。针对水电站具体的运行机组，用基本方程式来分析：= 一 （wi -七弓）=与 -与七（9-2）当水轮机在汛期多沙水质下运行时，其作用在水轮机转轮叶片上的反击力是由水流微团与 泥沙联合产生的。因固相沙粒质点的运动惯性大，无法像清水微团那样任意剪切变形，因此其对流道的适应 性较差，沙粒经过同一蜗壳和导叶时往往不能满足所需要的进口环量童*，因九“皿， 而且叶片不易使沙粒产生圆周方向的动量变化，出口处的5）J

3、,使出口处的损失增 大。泥沙因其沙粒比重不同而惯性不同，不仅表现在超前或滞后于水流质点速度，引起沙粒纷 纷从流线上脱离，从而把水流分割成不连续的两相流动；而且沙粒间的碰撞摩擦及本身几何 形状不规则所产生的转动，会严重干扰水流质点的流动，使流道内原有流速和压力分布发生 变化，特别是在高速情况下，每颗沙粒的旋转都会加剧水流脉动，是形成漩涡和消耗压能的根源，导致水轮机输出功率下降，其水力效率也下降，即（。故浑水含沙量越 多，水轮机效率越低，此时应通过更多的流量才能保证发出同样的功率，所以通常浑水速度 值相应地变大，而压力值变小，极易出现局部汽蚀。二泥沙磨损的类型泥沙磨损类型，可以分为绕流磨损和脱流磨

4、损。（一）绕流磨损所谓绕流磨损是指在比较平顺的绕流过程中，细沙对过流表面冲刷、磨削和撞击所造成的 磨损，其特点是整个表面磨损比较均匀。如图9-2所示，绕流磨损通常出现在平顺光滑的过流表面上，即微观表面不平度完全淹 盖在边壁流层中，因其运动粘性系数较清水的大，所以层内流速较低，在一定程度上，它起 着减缓紊流脉动和抵挡高速泥沙入侵的作用，成为一道良好的屏障，加上表面光洁度高，摩 擦系数小，故绕流磨损比较轻微。图9-2泥沙绕流情况下碰撞示意图所谓平顺绕流与脱流的提法也只是相对的，并不十分确切。严格的讲，绝对平顺的绕流 在水轮机中难以找到，由于设计、制造和运行上的多种原因，不可避免地会出现诸如叶片头

5、部圆角、出水边较厚、导叶轴圆柱形绕流、铸焊工艺圆角、翼形误差和偏离最优工况较大等 情况，因此始终存在着不同程度的局部脱流。鉴于绕流磨损并不严重，可以不予考虑。（二）脱流磨损这类磨损是由非流线型脱流引起的。当过流表面出现过大的凹凸不平（如鼓包、砂眼等）， 叶片翼型误差较大或者偏离设计工况过大时，均会出现脱流磨损。在浑水脱流下，随着大量高速分离旋涡的产生和溃灭，一方面促使水流脉动和泥沙颤动； 另一方面，可以导致提前出现浑水汽蚀，此时泡裂产生的瞬间微小射流会带动泥沙形成“含 砂射流”，致使砂粒以极大的能量，瞬间朝着金属表面强烈冲击，使局部区域呈现出非同寻 常的表面冲击磨耗。由于瞬间微小射流带动泥沙运

6、动的速度大大超过正常流速，增大了冲量 和相互摩擦力，加上汽蚀所引起的一系列化学反应和电化腐蚀作用，进一步削弱了创伤面上 的抗磨能力，这就是多泥沙水电站中，即使沙粒很细（rf-01mB），仍然会使磨损量成 倍增长的内在原因。附带说明，泡裂引起瞬间微小射流的冲击力分布是不均匀的，处于射流 正中部分磨损最厉害，由于冲击波对表面凹坑的“波道现象”，以及周期性的压力脉动造成 的冲击磨损和汽蚀，会使水轮机的转轮叶片、导叶及尾水管里衬等处，除了出现较大面积的 水波纹之外（此为泥沙撞击所出现的晶格塑性挤压和剪切滑移），其间还夹杂着深浅不同的 发亮的鱼鳞坑，起伏的鱼鳞坑分界凸点构成了障碍绕流，分离出大量的旋涡，

7、又加速了汽蚀 和磨损的进展。综上所述，浑水局部脱流发生的磨损和汽蚀，就好比两个形影难分的“双胞胎”，它们联 合破坏，彼此激化，互为因果。实践表明，在磨损与汽蚀联合作用下，其材料损耗重量约为单纯清水汽蚀的610倍。 脱流磨损对过流部件的损坏具有严重的威胁，而且对多泥沙水质的水电站，由于这种汽蚀与 磨损同时存在，其破坏情况远比清水汽蚀经历的时间长，因此这种脱流磨损更具有广泛的代 表性。三磨损的微观过程（一）表面状况泥沙磨损发生在过流表面层，弄清该层实际情况，对深入揭示磨损规律是很重要的。如图 9-3所示，是接触处泥沙弹性碰撞局部放大示意图。第一层为固体结晶；第二、第三层为切 削加工后所呈现的冷硬细

8、结晶层和氧化膜；第四层为表面吸附膜。图9-3接触处泥沙弹性碰撞示意图试验表明，水轮机过流表面件抗磨性能在很大程度上取决于氧化膜的特性，与膜内晶胞生 长速度、厚度、硬度、紧密牢固性、温度和化学稳定性有关。以常用碳素钢为例，其氧化膜 为爪皿-电0及风。4的混合结晶，其中闻已为疏松的多孔隙结构，呈红褐色，孔 隙内含有结晶水（曲少），因此介质可以穿过它作进一步侵蚀。这种膜硬度低、厚而脆，极 易冲落。电%也可写作此。码%呈兰黑色，它虽结晶细密，却是硬度低，厚度薄（$Mf 易磨掉，当金属本身变形较大时，该膜会折皱碎裂。而不锈钢则是一种成分闻是一种经过氧化、不存在活泼价的稳定膜，而盗又是一种阻挡水中氯离子入

9、侵 的耐腐蚀磨层，本身结晶细密，强度及硬度高（HB达600），其氧化膜与本体金属性能接近， 还具有结合力强等优点。从电化机理上分析，格是自钝化金属，它能与氧自动构成一种钝化 膜，把金属与腐蚀性介质隔离开来，制止了金属离子脱离表面的水化作用，故不锈钢化学稳 定性高，是较好的抗磨耐蚀材料。（二）疲劳磨损和应力磨损在含沙的高速水流中，连续的撞击会产生一种高频冲击波，金属材料应力集中处会出现微 小的疲劳裂纹。每当高冲量的沙粒撞击一次，裂纹就周期性地张开与闭合，并不断地向纵深 扩展。金属材料表面上的这种交变应力，形成了金属的疲劳磨损。此外，实际上水是一种腐蚀性液体，过流表面的部件不仅处于疲劳磨损，而且还

10、处于剪切 及弯曲等复合应力状态下，表面金属在磨损、汽蚀及腐蚀等共同作用下大量流失。大量事实 证明，水轮机过流部件表面在远低于空气中的疲劳极限时，就发生了损坏和破坏现象，这种 综合破坏的现象，通常称为应力磨蚀。泥沙磨损是一种物理破坏过程，并且是一种渐变的破坏过程。水轮机过流部件遭到破坏 的原因很多，除事故损坏之外，最主要的就是泥沙磨损、汽蚀破坏和化学腐蚀。这三种原因 引起的破坏形式有所不同，汽蚀破坏的特征是过流部件表面呈海面状，金属好似被一小块一 小块地啄成深的小孔洞，形成蜂窝状，在破坏初期，这些小孔洞是不连续的，小洞旁边的金 属可以是完好的；化学腐蚀的特征是过流部件表面的金属被一层层地剥落，破

11、坏只在表面进 行，破坏层很薄。泥沙磨损对过流部件表面的破坏，其破坏区连成一片，就是在初期也成片 状的连续磨痕和斑点。此外，它的破坏深度较化学腐蚀的破坏层要深。但是，有时这三种因 素同时存在，特别是汽蚀和泥沙磨损两者常常是伴随出现的，仅仅根据表面的破坏特征来区 别原因，有时是相当困难的，因而只能分析造成出破坏的主要原因。影响水轮机泥沙磨损的主要因素有水流的含沙特性（如含沙浓度、水流速度、泥沙粒径、 泥沙硬度、颗粒形状等）、过流部件的材质、水轮机的工作条件等。通常流速越高，泥沙磨 损越严重。水电站的地理位置和形式不同，水轮机遭受泥沙磨损的破坏程度是不一样的。即 使是相同形式的水轮机，安装在水质较清的河流或具有较大库容的水电站，其泥沙磨损程度 要比安装在多泥沙河流上时轻微得多。严格来讲，只要水轮机取用含沙水流，水轮机就会遭 受到泥沙磨损。但当水电站库容很大或具有足够的沉沙设施时，由于水中含沙量较少，泥沙 磨损对水轮机的破坏是很轻微的。有时河流汛期可能会集中通过全年输沙量的70%80%， 因此汛期是水轮机遭受泥沙磨损最严重的时期。水轮机遭受泥沙磨损后，造成金属流失，转轮失去原有的平衡，振动加剧，效率下降， 机组检修周期缩短，对多泥沙河流的水电站，泥沙磨损往往是决定机组检修周期的唯一因素。