水流含沙量和流速对水轮机磨蚀性能的影响.docx

1、水流含沙量和流速对水轮机磨蚀性能的影响任岩技，楚清河1,周兵3,李延频】(1.华北水利水电学院，河南郑州450011；2.河海大学，江苏南京210098；3.国家知识产权局专利审查协作中心机械处，北京100091)摘要：水流含沙虽和流速是影响水轮机磨蚀性能的非常重要的两大因素，其影响规律对水轮机磨蚀的防治有很重要的理论意义和参考价值。采用黄河原型沙，通过试验研究不同泥沙含量和不同水流流速条件下水轮机材料的磨蚀外貌、磨蚀失重做和磨蚀失重率。通过对试验结果进行定性和定鼠分析，得到水轮机磨蚀与水流含沙做、磨蚀与水流流速之间的关系，并得到数学回归式，找出水轮机磨蚀的基本规律，为多泥沙河流水轮机的参数选

2、择与磨蚀防治提供了依据。关键词：水轮机爵蚀性能；含沙虽；流速；磨蚀失重靖；磨蚀失重率EffectsofSedimentConcentrationandFlowVelocityontheAbrasionofHydraulicTurbineRenYanu»ChuQingheZhouBing3,LiYanpin'(1.NorthChinaUniversityofWaterConservancyandElectricPower,Zhengzhou450011,Henan,China;2.HohaiUniversity,Nanjing210098,Jiangsu,China;3.Pat

3、enExaminationCooperationCenterofsipoBeijing100091,China)Abstract:Thesedimentconcentrationandvelocityofwateraretwoimportantlactoraaffectingtheabrasioncharacteristicofhydraulicturbines.ByusingtherealsandinYellowRiver,theabrasionappearance,inasslossandmasslossrateofhydraulicturbinearcstudiedbyexperimen

4、tsunderdifferentsedimentconcentrationsandflowvelocities.Theresultsarequalitativelyandquanlilativelyanalyzedandthemalheniaticalregressionformulasaregainedfordescribingtherelationshipsl)etweentheabrasionandthesedimentconcentrationsandflowvelocities.Thestudycanprovideabasisfortheparameters'selectio

5、nandabrasionprotectionofhydraulicturbinesinrich-sedimcntrivers.KeyWords：abrasionperformanceofhydraulicturbine;sedimentconcentration;flowvelocity;abrasionmassloss;abrasionmasslossrate中图分类号：TK730.53；TV131.63文献标识码：B文章编号:0559-9342(2012)02-0047-030引言影响水轮机磨蚀的主要因素有磨粒(泥沙颗粒)的特性、含沙流场的特性及被磨蚀材料自身的机械性能与表面特征。在诸因素

6、中，与泥沙有关的有泥沙含量、含沙流场的流速和沙粒形状与级配叫迄今为止的文献中，对这三大因素的影响与影响机制有过一些试验研究03).其系统性、完整性与综合性尚拟不足c而在现场条件下要获得任意泥沙参数状态下的磨蚀特性是很困难的。因此，有必要以黄河原型沙为材料，通过试验研究泥沙含量、含沙水流流速、泥沙粒径级配对材料磨蚀的影响。本文主要研究不同含沙政不同流速对水轮机磨蚀性能的影响。1不同含沙量不同流速下水轮机的磨蚀试验采用取自郑州花园口的黄河原型沙，中值粒径Jw=0.03m,对不同水轮机材料进行了不同流速、不同含沙量的磨蚀试验和数据采集。水轮机材收稿日期：2011-04-26基金项目：水利部P48”计

7、划技术创新推广转化项日(CT200207)作者简介：任(1979-),女.河南南阳人，讲师，博士研究生，主要从事水利水电工程及新能源发电方面的研究.料采用1Crl8Ni9Ti,ZGOCrl6Ni5M。两种；选择了1.1水轮机材料的磨蚀形貌20、25、30、33、37、40rn/s6个流速；含沙fit采用了$=10（实测9.76）、5=40（实测40.94）、5=100kg/m'（实测99.4kg/m3）3个。表1不同材料各试件的磨蚀形貌流速/lCr18Ni9TiZGOCrl6Ni5MomV'10kg/m，40kg/m5100kg/n?10kg/m340kg/m'100k

8、g/m5含沙量分别为10、40、）00kg/m3时，各试件在6种流速下经20h磨蚀的磨蚀失效形貌如表1所示。1.2水轮机材料的磨蚀失重量和磨蚀失重率为了描述在不同含沙量、不同流速时水轮机材料的磨蚀特性，对试臆数据进行了整理，并绘制成平面曲线C曲线图以试验时间为横坐标，以材料的磨蚀失重或磨蚀失重率为纵坐标。图1中口下而上的6条曲线，分别代表了U=20、25、30、33、37、40m/s的6个流速。图1中材料为lCrl8Ni9Ti在3种含沙量6个流速下的磨蚀失重量和磨蚀失重率曲线。2试验结果分析2.1磨蚀的形貌与基本规律由磨蚀形貌可以看出，材料磨蚀形貌特征为与水流相对速度方向一致的凹槽状磨蚀沟和鱼

9、鳞状波纹。鱼鳞状波纹的出现与流速和含沙量有关，在低a实溯含沙代9.76kg.m“b实测含沙量40.94kg.m"图11Cr18Ni9Ti在3种含沙量6个流速下的维蚀失重和磨蚀失重率3691215182136912151821246810时间所时间/h时何办d实测含沙量9.76kg.m，e实测含沙量40.94kg.m*f实测含沙量99.4kg.mJ含沙髭时，只有V>25rn/s时才出现；在S>22kg/m5时，整个试件上均有鱼鳞纹的分布。由不同含沙量不同流速时水轮机材料磨蚀失重量与失重率曲线图1可以看出，在含沙水流中含沙揪相同情况下，不管哪种材料，其磨蚀失重：最均随善流速的

10、增大而增大；在同样流速情况下，材料的失重址随着流体含沙量的增大而增大；磨蚀量随着时间的延续而增加，磨蚀址与时间基本成1次方关系。本试验中，材料磨蚀失重量:与磨蚀时间的回归式为呢8703.87(1)式中，呢为磨蚀失重量，mg；为磨蚀时间，ho但在流速超过37m/s,当磨蚀时间超过5h后，磨蚀失重率呈加速上升趋势，其原因可能是高流速情况下空蚀与磨损的联合作用导致磨蚀的加剧。2.2磨蚀失重量与流速的关系本试验含沙量范围内(S=9.7699.4kg/n?),材料的磨蚀随流速的增大而增大。磨蚀失承率与流速呈蒂戚数关系。通过对两种水轮机材料试炎结果的单因素回归分析，其蒂在2.63.5之间。由于本试验是空蚀

11、与磨损的联合作用，这一结果与许多文献心中所提出的“单纯磨损与流速呈23次方关系、空蚀与磨损联合作用时其次方在26之间”结论相-致。本试验磨蚀失重率与流速的问归式可以表示为wxVZ63S(2)式中，叱为磨蚀失重率，mg/rnin；卜为含沙液体相对于试件的流速，m/s。一些文献可发现材料磨蚀存在一个临界流速，另外，丁贤文1988年在“多泥沙河流水轮机出水边相对流速与磨蚀关系的探讨”中指出：当流速大于30m/s时磨蚀加剧。本试验中，当流速大于25m/s时，磨蚀量普遍加大。2.3磨蚀失重量与含沙量的关系许多文献修5指出，材料在含沙水流中的磨蚀量与水流的含沙量关系的一般规律是，当含沙量小于某一临界值时，

12、磨蚀瓦随含沙量的增大而增大。而当含沙量:大于某一临界值时，由于泥沙对磨蚀形成“抑制”作用，磨蚀娥随含沙量的增大而减小。黄河水利委员会水利科学研究院何筱奎等人利用磁致伸缩仪进行了含沙水流的空蚀试验，试验结果表明，黄河泥沙的磨蚀能力受含沙最的影响，磨蚀量与含沙量的关系分4个阶段：磨蚀加速期(含沙量S=08kg/m'),磨蚀量随含沙量的增加而增加；磨蚀高峰期(含沙量S=840kg/m，),在某含沙量范围内，磨蚀率达到最大；磨蚀衰减期(含沙量S=40170kg/m3),磨蚀失重率随含沙量的增大而减弱，失重量相当于清水空蚀；磨蚀抑制期，含沙量进一步增大时(S=17O5OOkg/m3),磨蚀进一步

13、减弱，材料失重率低于清水空蚀。但本次试验的含沙R范围(S=10100kg/m3)内，两种试验材料的磨蚀失重量一直随着含沙量的增大而增大，没有出现泥沙对磨蚀的“抑制”现象。两种试羚材料的磨蚀失重量与含沙量大体呈正比。经单参数回归分析，其郁变化在0.9545.139之间，磨蚀失重量与含沙量的【可归式为吧二；*(3)式中，队为磨蚀失重量(mg)；S为含沙量(kg/m3)o3结论(1) 材料磨蚀形貌特征为与水流相对速度方向一致的凹槽状磨蚀沟和鱼鳞状波纹。鱼鳞状波纹的出现与流速和含沙谶有关，在低含沙量时，只有V>25m/s时才出现；在5>22kg/m3时，整个试件上均有鱼鳞纹的分布。(2) 水轮机材料的磨蚀失效特性与含沙水流的含沙量:、水流的流速和磨蚀时间有关。在含沙量相同的情况下，材料的磨蚀失重址随看流速的增大而增大；在流速相同的情况下，材料的失重量:随着流体含沙量的增大而增大；磨蚀随着时间的延续而增加。(3) 泥沙影响磨蚀的因素研究还不完善，还需要在更好的水动力学磨蚀试验装置或水轮机浑水试验上继续进行试验研究。参考文献：1 吴培豪.影响磨损的因索，麝损、磨蚀机理、影响因素等嫁述G/全国水机磨蚀试脸研究中心.水机磨1*50年，2004.2 何筱奎.不同含沙量不同流速时材料的磨蚀失效特性RJ.黄河水利科学院研究报告，1993.3.3 何筱魅黄河泥沙的磨蚀