Page 15 - 水利学报2025年第56卷第4期

水 利 学 报

２０２５年 ４月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５６卷 第 ４期

文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２５）０４ － ０４３３ － １２

混流式水轮机抗泥沙磨损叶片的优化设计

钱忠东，钟琴琴，曾心成，郭志伟
（武汉大学 水资源工程与调度全国重点实验室，湖北 武汉 ４３００７２）

摘要：混流式水轮机的泥沙磨损破坏是含沙河流水电开发中的关键难题。泥沙特性及流态是影响磨损破坏的核心
因素，如何有效控制流态进而改变颗粒运动是当前研究的重要内容。本文基于叶片设计理论，通过优化叶片进口
偏转角及安放角的分布降低叶片磨损程度，进而提出抗磨损叶片的设计方案。研究结果表明，两种角度分布规律
的调整均能显著降低叶片的磨损强度和范围，同时保证了水轮机的运行效率，但增加了下环磨损。叶片进口偏转

角 θ ０ ＝ ０．２ 和叶片安放角关系幂指数 ｘ ＝ ３ 的组合方案下，叶片磨损率降低程度最高为 ７１％。这种现象的主要原因
是角度变化影响了叶道涡，进而改变了颗粒轨迹，导致颗粒在叶片和下环的打击位置发生变化，最终影响不同区
域的磨损分布。综合考虑，通过适度牺牲下环保护叶片的设计方案可以有效增加叶片的使用寿命，降低维修成本
和提高维修便利性。
关键词：混流式水轮机；泥沙磨损；叶片进口偏转角；叶片安放角；叶道涡
中图分类号：ＴＫ７３
文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２４０１９２

１ 研究背景

混流式水轮机因其能量转换效率高，适用水头范围广等特点被广泛应用于各大水电站 ［１］ 。但当水
轮机在含沙河流（如黄河）上运行时，进入水轮机内的泥沙颗粒会对水轮机尤其是转轮，产生严重破
坏，使得转轮内流态变化，水轮机效率降低，不仅损害了水电站的经济效益，更给电站的运行和维护
带来了极大的困难 ［２］ ，因此有必要对水轮机抗磨损破坏技术进行研究。
在水轮机破坏特征方面，李锐等 ［３］ 指出我国黄河小浪底水电站转轮叶片和导叶均遭受严重的磨损
破坏。Ｃｈｉｔｒａｋａｒ等 ［４］ 调研了尼泊尔 Ｊｈｉｍｒｕｋ等多个电站，同样发现磨损最严重的区域是导叶和转轮。
Ｙｕ等 ［５］ 调研了甘肃省东水峡电站，发现转轮进口、下环及导叶间隙位置也有明显的磨损破坏，并且
采用 ＬＥＳ计算发现旋涡对导叶的磨损有重要的影响。韩伟等 ［６］ 指出了水轮机上盖板有严重的磨损破
坏，其磨损预测结果与机组实际的磨蚀深度基本一致。Ｇａｕｔａｍ等 ［７］ 对实际电站的机组活动导叶与转轮
的磨损进行了数值计算，结果发现间隙流动不仅会加剧活动导叶区域的磨损还会加剧转轮进口磨损。
Ｚｈａｏ等 ［８］ 对水轮机全流道中的转轮磨损进行了数值模拟预测，指出转轮出口及下环严重磨损的形成原
因是由于转轮中叶道涡对颗粒的引导、聚集作用。因此，从实际电站调研及数值计算上都可以明确水
轮机在含沙河流上运行时会遭受严重的磨损破坏，其中转轮是最重要的破坏部件之一。
在水轮机抗磨损技术方面，除了工程上采用的沉沙池、拦沙坎外 ［９］ ，通常有三种方式：抗磨材
料、抗磨涂层及转轮优化设计。增大材料的硬度和韧性有利于改善磨损破坏 ［１０］ ，但造价高且效果有
限。抗磨涂层相对性价比更高，只需要在关键部件喷涂相应的抗磨材料 ［１１］ ，如硬质涂层、弹性体涂层

收稿日期：２０２４ － ０４ － ０８；网络首发日期：２０２４ － １１ － ２０
网络首发地址：ｈｔｔｐｓ：??ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｕｒｌｉｄ?１１．１８８２．ＴＶ．２０２４１１１９．１０１９．００２
基金项目：国家自然科学基金项目（５２２７９０９０）
作者简介：钱忠东（ １９７６ － ），博士，教授，主要从事水力机械多相流研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｚｄｑｉａｎ＠ｗｈｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
通信作者：郭志伟（１９８５ － ），博士，副教授，主要从事水力机械泥沙磨损研究。Ｅ － ｍａｉｌ：Ｇｕｏｚｗ１９８５＠ｏｕｔｌｏｏｋ．ｃｏｍ
— ４ ３ ３ —