一、概述
　　
　　黃河萬(wàn)家寨水利樞紐水電站共裝有6臺(tái)立軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量為18萬(wàn)kW，總裝機(jī)容量為108萬(wàn)kW，設(shè)計(jì)年發(fā)電量27.5億kW.h。
　　
　　萬(wàn)家寨水電站為多泥沙河流電站，其泥沙特征為：設(shè)計(jì)多年平均輸沙量為1.49億ｔ，設(shè)計(jì)多年平均含沙量6.6kg/ｍ³實(shí)測(cè)多年平均含沙量為5.7kg/ｍ³(其中直徑大于0.05ｍｍ的有害顆粒含量為1.378kg/ｍ³，占其總量的24.2%)，實(shí)測(cè)最大含沙量河口鎮(zhèn)水文站1955年9月1日為37.6kg/ｍ³；預(yù)測(cè)建庫(kù)后排沙期時(shí)段平均過(guò)機(jī)含沙量為8～12kg/ｍ³建庫(kù)后多年平均含沙量見(jiàn)表。
　　
　　在排沙期，除了高含沙水流直接對(duì)水輪機(jī)進(jìn)行磨損破壞外，還由于電站低水頭運(yùn)行，造成水輪機(jī)偏離設(shè)計(jì)工況，機(jī)組振動(dòng)加大，從而使過(guò)流部件的氣蝕加重；即使在非汛期，由于萬(wàn)家寨水電站被山西電網(wǎng)確定為第一調(diào)潮流電廠，機(jī)組參與潮流調(diào)節(jié)，同樣使得機(jī)組經(jīng)常在偏離設(shè)計(jì)工況的區(qū)域運(yùn)行，振動(dòng)加劇，產(chǎn)生氣蝕破壞。根據(jù)黃河中下游多泥沙水電站尤其是三門(mén)峽水力發(fā)電廠運(yùn)行的實(shí)際情況，萬(wàn)家寨水電站水輪機(jī)采取了優(yōu)化水庫(kù)泄流排沙設(shè)計(jì)、合理選擇有關(guān)參數(shù)、優(yōu)化水力設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、采用優(yōu)質(zhì)母材和抗磨材料、避開(kāi)機(jī)組振動(dòng)區(qū)域運(yùn)行等主要措施以增加水輪機(jī)的抗磨蝕性能。
　　
　　二、優(yōu)化水庫(kù)泄流排沙設(shè)計(jì)，降低過(guò)機(jī)含沙量
　　
　　1.利用泄洪底孔作為樞紐主要排沙建筑物
　　
　　大壩左側(cè)5～10號(hào)壩段的8個(gè)泄洪底孔進(jìn)口底坎高程為915.0ｍ蓄水前壩前庫(kù)底高程為899.0ｍ，比機(jī)組進(jìn)水口低17ｍ，比引黃取水口低37ｍ，在庫(kù)水位970ｍ水庫(kù)最高洪水位時(shí)，單孔泄量為660ｍ3/ｓ。泄洪底孔能夠排走水庫(kù)中大量泥沙，有效控制泥沙主流，減少過(guò)機(jī)含沙量，維持有效庫(kù)容。
　　
　　2.設(shè)置5個(gè)電站壩段排沙孔
　　
　　在大壩右側(cè)13～17號(hào)壩段設(shè)置5個(gè)電站壩段排沙孔，其位置在機(jī)組進(jìn)水口左下側(cè)912.0ｍ高程處(其中5、6號(hào)機(jī)組共用1孔)，主要控制直徑大于0.05ｍｍ的有害顆粒泥沙過(guò)機(jī)。在水庫(kù)最低運(yùn)用水位952.0ｍ高程時(shí)，其孔泄流量為60ｍ³/ｓ。排沙孔能將有害顆粒泥沙排至下游，減少有害顆粒過(guò)機(jī)；同時(shí)也可以排走水庫(kù)右側(cè)大量泥沙，有效防止機(jī)組檢修時(shí)進(jìn)水口下部泥沙淤積。根據(jù)三門(mén)峽、龔嘴等電廠的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，電站壩段排沙孔排走的有害顆粒泥沙應(yīng)為機(jī)組的10倍左右，可大大改善水輪機(jī)的運(yùn)行條件，減輕對(duì)水輪機(jī)的磨蝕。
　　
　　三、合理選擇水輪機(jī)參數(shù)，降低磨蝕的影響
　　
　　1.合理選擇轉(zhuǎn)輪流道中的水流速度
　　
　　轉(zhuǎn)輪流道中含沙水流的相對(duì)速度是影響水輪機(jī)磨損強(qiáng)度的重要因素。根據(jù)黃河上多泥沙電站的水輪機(jī)運(yùn)行情況和有關(guān)含沙水流磨蝕試驗(yàn)資料，結(jié)合本電站運(yùn)行特點(diǎn)按照多泥沙河流適當(dāng)降低水輪機(jī)參數(shù)水平的原則，參考已建電站的設(shè)計(jì)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，確定萬(wàn)家寨水輪機(jī)的比轉(zhuǎn)速為220ｍ.kW并使得額定工況下轉(zhuǎn)輪葉片出口相對(duì)流速小于38ｍ/ｓ，最小水頭、導(dǎo)葉全開(kāi)工況下，轉(zhuǎn)輪葉片出口相對(duì)流速小于34ｍ/ｓ；高含沙量排沙期時(shí)段，導(dǎo)葉區(qū)最大流速小于20ｍ/ｓ，從而減輕高速含沙水流對(duì)水輪機(jī)部件的磨蝕。
　　
　　2.合理選擇水輪機(jī)的吸出高度和安裝高程
　　
　　在含沙水流條件下，氣蝕往往提前發(fā)生，而且氣蝕與磨損的聯(lián)合作用又將進(jìn)一步加重水輪機(jī)的磨蝕損壞程度。本電站按排沙期5臺(tái)機(jī)組運(yùn)行、1臺(tái)機(jī)組檢修來(lái)選擇水輪機(jī)最大吸出高度為－5.0ｍ即能滿(mǎn)足各種可能的運(yùn)行工況，這時(shí)水輪機(jī)安裝高程應(yīng)該為895.0ｍ。而實(shí)際最終確定的水輪機(jī)安裝高程為894.5ｍ，實(shí)際水輪機(jī)允許吸出高度為－3.58ｍ，真機(jī)裝置氣蝕系數(shù)與模型臨界氣蝕系數(shù)的比值在含沙水流條件下大于2，在清水條件下大于1.5，使得氣蝕有較大的安全余量，保證水輪機(jī)能在高含沙水流條件下更有效地抗氣蝕磨損，長(zhǎng)期高效運(yùn)行。
　　
　　3.合理選擇水輪機(jī)設(shè)計(jì)水頭
　　
　　水輪機(jī)運(yùn)行工況直接影響著水輪機(jī)的磨蝕程度。合理選擇水輪機(jī)設(shè)計(jì)水頭，使水輪機(jī)在汛期也能有相對(duì)較好的運(yùn)行工況，可以大大降低磨蝕對(duì)機(jī)組的影響。萬(wàn)家寨水利樞紐采用"蓄清排渾"的運(yùn)用方式，電站每年8、9兩個(gè)月為排沙期，水庫(kù)從防洪限制水位966.0ｍ高程下降到957.0～952.0ｍ高程之間水輪機(jī)在低水頭50～55ｍ、含沙水流條件下?lián)握{(diào)峰運(yùn)行；其余的水輪機(jī)正常運(yùn)行時(shí)段，水輪機(jī)在較高水頭68～75ｍ基本上是在清水條件下?lián)畏搴蛇\(yùn)行。兼顧上述兩種運(yùn)行工況，使水輪機(jī)盡可能少偏離最優(yōu)工況區(qū)，既能多發(fā)電量，又可減輕磨損。經(jīng)計(jì)算和比較，水輪機(jī)設(shè)計(jì)水頭最終確定為68ｍ。