泥沙磨损：非流线型脱流引起的泡裂磨损问题

泥沙磨损类型，可以分为绕流磨损和脱流磨损。

（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，因其运动黏性系数较清水的大，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(www.xing528.com)

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（d≤0.01mm），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，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6～10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。