泥沙磨损实验报告(模版)

1、 西华大学上机实验报告课程名称：水力机械空化空蚀与泥沙磨损年级/专业：2010级水力机械及工程实验成绩：指导教师：欧顺冰姓名：何武利实验日期：实验名称：水力机械空化空蚀与泥沙磨损学号：312010080501127实验学时：2一、实验目的1、水力机械空蚀与泥沙磨损的若干电站和泵站的实例；2、这些电站和泵站空蚀泥沙磨损破坏问题的具体解决方法；3、水力机械空蚀与泥沙磨损的最新研究动态；二、实验内容或设计思想通过计算机网络资源以及图书馆相关资料的查找，深化对气蚀与泥沙磨损产生机理以及解决方法的学习。主要内容有：1、水力机械空蚀与泥沙磨损机理。2、力机械空蚀与泥沙磨损电站实例。3、发生空蚀与泥沙磨损电

2、站及泵站处理方法。4、国内外对空蚀与泥沙磨损先进研究动向。三、实验环境与工具计算机网络资源四、实验过程或实验数据水力机械空蚀与泥沙磨损机理1.1水力机械空蚀机理空化与空蚀是以流体为工作介质的叶片式流体机械（即水利机械）中可能出现的一种物理现象，它是一种在液体中发生的现象，在固体或气体中都不会发生。任何一种液体在恒定的压力下加热，当液体的温度升高到某一温度时，就会开始汽化，形成气泡，这称为沸腾。而当液体温度一定、降低压力到某一临界压力时，也会汽化，同时溶解于液体中的气体析出，形成气泡。这种由于压力的变化而导致的液流内的空泡的产生，发展和溃灭过程以及由此而产生的一系列物理化学变化，称为空化。水力机

3、械由空化而引起的材料破坏，称为空蚀。如水流流经有局部收缩的文丘里管时，当收缩截面上的压力降低到临界值时会在喉部发生汽化，形成空穴。又如绕流翼型时，翼型背面压力分布图。见图1.1liilWlilqIII111十厲93456789働1234liilWlilqIII申?，怎丄X出小山皿、融点扳皿山呵|几1Z险12磨损机理水力机械的泥沙磨损是一个很复杂的问题，一般认为是由于机械和化学作用的结果，当然主要是由于机械的作用。当水流中的泥沙冲撞过流表面瞬间，可能产生高温高压，那么在高温高压作用下，因为水中含有气体，就很易使金属表面氧化，使金属表面的保护膜被破坏产生局部腐蚀。再加上泥沙不断冲击金属表面，就更加

4、速金属保护层的破坏。另外，由于坚硬的泥沙硬度一般高于金属材料的硬度，而且砂粒形状各异，有尖锐的菱角形圆形等，都以很高的速度处境在材料表面上。当尖角砂粒以平行材料的表面移动，使接触点产生横向塑性流动，切下一定数量的微体积材料，这相当于微切削过程。在垂直冲击下，尖角砂粒同材料接触时，尖角会转动，这也存在微切削效果，但切削能力不如小冲角。圆形砂粒垂直冲击在材料表面会产生反复的塑性变形形成凹坑。这些塑性降低脆性增加的堆积物将重新受压移位。同时在合适的砂粒冲角下,易被直接剪断属变形磨损。1.3空蚀破坏与泥沙磨损破坏特征比较空蚀破坏特征：空蚀破坏是有潜伏期的，金属变色（表面灰暗）f麻点（真孔状）f海绵状（

5、表面十分疏松），鱼鳞坑f孔洞、沟槽、裂纹等。破坏表面无金属光泽。泥沙磨损破坏特征：泥沙磨损破坏是无潜伏期的，具有擦痕f沟槽f鱼鳞坑的破坏特征，破坏表面呈金属光泽。现就九浴溪水电站水轮机空蚀以及龚嘴水电站水轮机泥沙磨损九浴溪水电站水轮机空蚀许多电站水轮机遭受空蚀破坏的情况表明，水轮机运行中往往受到空蚀与泥沙磨损的联合共同作用。水中存在磨粒（主要是泥沙）时，除了磨粒本身对固体表面的磨削外,它还促进空蚀。而九浴溪电站所在的大通江河水质较好，含沙量较少（汛期平均含沙量7.36kg/m3,最大含沙量155kg/m3）因此，可以说水中杂质对过流部件的磨损很轻微。从水轮机转轮遭受破坏的浸蚀区情况来看，金属表

6、面呈海绵状的针孔，表面有呈灰暗无光泽的大小蜂窝及透孔，金属疏松脱落，而没有明显的与水流方向一致的刮痕小磨沟及鱼鳞坑，这说明九浴溪电站水轮机转轮的浸蚀破坏主要是空蚀引起的，泥沙磨损也存在，但很轻微。龚嘴水电站水轮机泥沙磨损龚嘴水电站为大渡河流域梯级开发的倒数第二级。大渡河多泥沙，年输沙量3370-10000万t,实则最大含沙量27.6kg/m3,最小含沙量1.5kg/m3,入库悬移质平均粒径0.098-0.131mm,最大粒径2.7mm。随着大渡河流域环境恶化，水轮机过流部件泥沙磨损现象越来越严重，多次出现水轮机顶盖、止漏环、转轮叶片穿透性裂纹、引水盖板开裂等事故。而且配件尺寸已远离设计状况，水

7、轮机上下迷宫环间隙已由设计时的2-2.45mm扩大到10-15mm,倒也端面间隙由设计时的0.32-0.85mm扩大到5-8mm,给电厂的检修、维护和安全运行带来了极大的危害。九浴溪水电站水轮机以及龚嘴水电站水轮机破坏处理办法分析3.1.1采用性能优良的新型水轮机转轮九浴溪电站的3、4号机组水轮机在2004年用新型高效的上djp502lh180转轮替代原zd510lh180水轮机转轮，2007年5月安装的1号机组也采用的是zdjp502lh180水轮机。上述三台水轮机运行至今，经检查无明显空蚀破坏痕迹，机组运行稳定性提高，噪音下降，同时出力由原来的2200kw增加到2980kw，即出力增加13

8、.5%左右，取得了明显的经济效益。采用抗空蚀性能好的不锈钢转轮不锈钢的抗空蚀稳定性要明显优于普通碳钢和低合金钢，因此，对于采用普通碳钢或低合金钢制造的遭到严重空蚀破坏的转轮，可以将转轮换成同型号的不锈钢新转轮，同样可以提高转轮抗空蚀破坏的能力。九浴溪电站的2号机组水轮机在2004年更换了同型号的不锈钢转轮，2008年大修检查转轮无明显空蚀破坏痕迹。严格控制转轮叶片与转轮室之间的间隙前已述及，叶片与转轮室之间间隙的形状和大小对间隙空蚀引起的破坏有着明显的影响，所以必须严格控制转轮叶片与转轮室之间的间隙的大小。九浴溪电站改造后水轮机轮缘间隙都控制在2mm以下。在叶片背面外缘加设裙边尽管现在一些水电

9、站对加设裙边的效果持怀疑态度，但许多轴流式水轮机运行情况表明，在叶片背面外缘加设裙边，对减缓间隙磨蚀还是有一定作用的。3.2龚嘴水电站水轮机破坏处理办法2007年11月提出了升高顶盖固定止漏环以减少射流速度、增大其沿程损失处理方案。并在5好机顶盖上安装一升高盒做实验。2008年10月拆解升高盒，发现其完好无损，说明该方案可行性。经进一步优化，与2008年11月和2009年3月对1、5号水轮机顶盖止漏环进行了加高该遭。经过一个汛期运行后，2009年11月，对顶盖止漏环进行开孔检查并测厚，未发2号机组该遭采用更适合于大渡河水质的新型D443A转轮。此转轮为整体结构，转轮上冠、叶片、下环均采用ZG0

10、6Cr16Ni5Mo不锈钢，取消了原来的嵌套止漏环结构，不单设止漏环，以保持转轮上冠上平面的光滑平整。转轮模型效率最高达到92.69%，空化性能和压力脉动性能较原转轮均有较大改善。2号水轮机改造于2007年11月开始，至2008年4月结束。更换了转轮、顶盖、底环、导叶和连杆机构。水轮机型号更换为HLD443A-LJ-592.1。2号水轮机改造后未出现类似1、5号水轮机的磨蚀破坏问题。3.3九浴溪水电站水轮机以及龚嘴水电站水轮机破坏处理办法启示小型老水电站轴流定桨式水轮机在运行中普遍存在较严重的空蚀现象，其危害性大，导致机组效率下降、振动加剧、噪音加大、水轮机使用寿命缩短，严重时将危及安全运行。

11、因此，必须根据电站的实际情况，采取科学合理的对策加以解决。九浴溪电站的3、4号机组的水轮机通过更换新型高效的jp502转轮，2号机组的水轮机通过更换同型号的不锈钢转轮，以及严格控制叶片与转轮室间隙和合理拟定运行工况等措施，很好地解决了水轮机空蚀的问题，延长了机组大修周期，并提高了机组出力，给电站带来了很大的经济效益。而通过龚嘴水电站水轮机改造，对多泥沙河流水轮机参数选择、结构设计与磨蚀性能的关系提出一些看法。（1）尽量采用“低比速”的转轮。（2）优化转轮止漏系统性能参数。（3）避免转轮上冠出现空腔积水。（4）适当控制转轮泄水孔面积。4国内外对空蚀与泥沙磨损先进研究动向宏观方面主要从水轮机的实际

12、运行工况出发，研究结果的工程应用价值较大。中国农业大学，水利与土木工程学院常近时对当工质为浑水时，水泵与水轮机的空化与空蚀进行了试验。结果表明，泥沙表面缝隙中寄存有许多气核。当压力降低时气核膨胀形成气泡，进而脱离沙粒表面发生空化；当沙质、水温一定时，浑水的空化压力特性完全由站址所在地的海拔高度、泥沙质量浓度、泥沙粒径等3个要素决定；在前两个因素一定的情况下，泥沙颗粒越小，即泥沙越细时，初生空化压力与临界空化压力越高，浑水时气核数量远多于清水；浑水发生空化时，气泡溃灭引发的夹沙射流强度大于清水射流，由于这两个因素致使在含沙水流工作的水泵与水轮机，在相同的装置条件下，空蚀破坏较清水时强烈。目前，空

13、化流场计算和空化数计算都存在着把空化压力取做海拔高度为零时清水的汽化压力的错误，使计算结果严重失实。同时，南京水利科学研究院吴建华、陈宇于2000年提出动态离子束混合对水轮机材料空蚀改性的研究。他们说水轮机空蚀改性的研究是非常必要的，动态离子束混合是近几年发展起来的一种新技术,是离子束混合的的发展。其原理就是在电子束蒸发或离子束法射。而在泥沙磨损方面，从抗磨耐蚀材料的试验研究、气蚀磨损机理的探讨到浑水转轮的模型水力设计。对今后不同浑水段的水力资源开发很有意义,它是水力机械发展的重要里程碑。主要是从设备的抗磨措施做起，通过研究，可以找到工件磨损失效的真正原因，从而正确选择和使用材料、节约成本、降

14、低消耗、提高设备运行的可靠性，获得高的经济、社会和环境效益，实现可持续发展。关于疏浚工况泥沙磨损机理及其耐磨新材料研究总结分析了磨损研究动态和提高材料耐磨性的方法；从两相流泥沙磨损的特点出发，结合对失效易损件的考察研究，分析指出了现役泥泵壳和绞刀片磨损失效的基本规律，提出了材料耐磨损设计的基本思想；设计研制了能模拟疏浚工况的泥沙磨损试验机，总结提出了泥沙磨损试验换位测试法和疏浚工况泥沙磨损试验规范。特别运用感应熔覆法以及堆焊覆层法和耐磨胶粘涂层方法，并从材料的加工应用考虑，设计研制了多种类型的金属及其复合材料和高分子等耐磨新材料，对这些材料的耐磨性能、微观组织和磨损形貌的研究表明，它们各具特色

15、，具有优异的综合性能。研究发现，与聚合型、弥散型第二相的材料（如ZG35SiMn、WRD1和KHCK2熔敷材料等）相比，颗粒型第二相的材料（如WC/BCu钎焊熔敷耐磨材料、WRS1000型耐磨材料、1ZT碳化钨颗粒增强熔敷材料及KTC1耐磨胶粘涂层材料等）在耐磨性能和磨损机理等方面均有不同，总结提出了以“颗粒型第二相”为特征的耐磨新材料泥沙磨损机理。还发现，机械球磨合金粉末对高铬覆层材料的强化和韧化有明显作用，是实现材料强韧性的有效途经。根据绞吸挖泥船泥泵绞刀的制造、使用和修复性能要求，提出了疏浚工程易损件再制造三原则；采用泥泵内衬互锁结构、绞刀梯度化耐磨设计和工艺再制造新技术，将高铬合金耐磨

16、材料、熔敷耐磨材料及其复合材料和高分子耐磨胶粘涂层材料成功地应用于再制造泥泵壳和绞刀片上，显著提高了泥泵壳和绞刀的耐磨寿命和挖泥船的疏浚效益。耐磨新材料的实船运用为疏浚工程易损件的制造使用和修复开拓了新方向，具有广阔的应用前景。41纳米SiO2/玻璃微珠改性UHMWPE复合材料空蚀特性研空蚀破坏历来被人们所关注,我国西南河流流经喀什特地貌地区,流速高且水流中携带大量的气泡,当水流通过水轮机过流部件时造成严重的空蚀磨损,研究和开发新型抗空蚀材料一直是人们寻求解决水力机械空蚀的主要途径。本论文设计了纳米SiO2/玻璃微珠/超高分子量聚乙烯(UHMWPE)复合材料体系，并通过压制烧结工艺制备出复合材

17、料,考察了复合材料的硬度、冲击韧性、弹性模量和摩擦学性能,研究了复合材料的空蚀性能和空蚀机理,以此为基础进一步分析了材料空蚀率与材料主要机械性能的相关性。主要结论如下:1、改性后的纳米SiO2和玻璃微珠在UHMWPE基体具有良好的分散性，纳米SiO2和玻璃微珠的加入不仅可以提高UHMWPE材料表面硬度，同时还保持着较高的冲击韧性和弹性性能。与纯UHMWPE相比，复合材料耐磨损性能更好,磨损机制主要表现为不同程度的粘着磨损和疲劳磨损。2、相比纯UHMWPE,复合材料具有更好的抗空蚀性能,其中含4%纳米SiO2和6%玻璃微珠组分的复合材料抗空蚀性能显著提高4.2水力机械抗磨蚀涂层关键技术的研究水力机械的空蚀和磨蚀常常是相伴发生、相互促进,进而加剧对过流部件的磨蚀破坏。理论研究与实践表明,采用表面工程技术在基体材料表面制备涂层,是强化材料表面结构提高抗气蚀的有效途径之一;而采用高速火焰喷涂(HVOF)工艺，进一步优化涂层喷涂参数，提高涂层的致密性和内部结合强度,整体提高涂层的抗磨蚀的综合性能,具有普遍的实际意义。五、总结这次报告主要通过网络上资源查找以及与课本结合完成的，通过对九浴溪水电站水轮机空蚀产生原因以及针对这些原因所作出的解决方法让我了解到在做水轮机设计时候必须彻