水流含沙量和流速對(duì)水輪機(jī)磨蝕性能的影響.docx

1、水流含沙量和流速對(duì)水輪機(jī)磨蝕性能的影響任巖技，楚清河1,周兵3,李延頻】(1.華北水利水電學(xué)院，河南鄭州450011；2.河海大學(xué)，江蘇南京210098；3.國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利審查協(xié)作中心機(jī)械處，北京100091)摘要：水流含沙雖和流速是影響水輪機(jī)磨蝕性能的非常重要的兩大因素，其影響規(guī)律對(duì)水輪機(jī)磨蝕的防治有很重要的理論意義和參考價(jià)值。采用黃河原型沙，通過(guò)試驗(yàn)研究不同泥沙含量和不同水流流速條件下水輪機(jī)材料的磨蝕外貌、磨蝕失重做和磨蝕失重率。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行定性和定鼠分析，得到水輪機(jī)磨蝕與水流含沙做、磨蝕與水流流速之間的關(guān)系，并得到數(shù)學(xué)回歸式，找出水輪機(jī)磨蝕的基本規(guī)律，為多泥沙河流水輪機(jī)的參數(shù)選

2、擇與磨蝕防治提供了依據(jù)。關(guān)鍵詞：水輪機(jī)爵蝕性能；含沙雖；流速；磨蝕失重靖；磨蝕失重率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中圖分類號(hào)：TK730.53；TV131.63文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B文章編號(hào):0559-9342(2012)02-0047-030引言影響水輪機(jī)磨蝕的主要因素有磨粒(泥沙顆粒)的特性、含沙流場(chǎng)的特性及被磨蝕材料自身的機(jī)械性能與表面特征。在諸因素

6、中，與泥沙有關(guān)的有泥沙含量、含沙流場(chǎng)的流速和沙粒形狀與級(jí)配叫迄今為止的文獻(xiàn)中，對(duì)這三大因素的影響與影響機(jī)制有過(guò)一些試驗(yàn)研究03).其系統(tǒng)性、完整性與綜合性尚擬不足c而在現(xiàn)場(chǎng)條件下要獲得任意泥沙參數(shù)狀態(tài)下的磨蝕特性是很困難的。因此，有必要以黃河原型沙為材料，通過(guò)試驗(yàn)研究泥沙含量、含沙水流流速、泥沙粒徑級(jí)配對(duì)材料磨蝕的影響。本文主要研究不同含沙政不同流速對(duì)水輪機(jī)磨蝕性能的影響。1不同含沙量不同流速下水輪機(jī)的磨蝕試驗(yàn)采用取自鄭州花園口的黃河原型沙，中值粒徑Jw=0.03m,對(duì)不同水輪機(jī)材料進(jìn)行了不同流速、不同含沙量的磨蝕試驗(yàn)和數(shù)據(jù)采集。水輪機(jī)材收稿日期：2011-04-26基金項(xiàng)目：水利部P48”計(jì)

7、劃技術(shù)創(chuàng)新推廣轉(zhuǎn)化項(xiàng)日(CT200207)作者簡(jiǎn)介：任(1979-),女.河南南陽(yáng)人，講師，博士研究生，主要從事水利水電工程及新能源發(fā)電方面的研究.料采用1Crl8Ni9Ti,ZGOCrl6Ni5M。兩種；選擇了1.1水輪機(jī)材料的磨蝕形貌20、25、30、33、37、40rn/s6個(gè)流速；含沙fit采用了$=10（實(shí)測(cè)9.76）、5=40（實(shí)測(cè)40.94）、5=100kg/m'（實(shí)測(cè)99.4kg/m3）3個(gè)。表1不同材料各試件的磨蝕形貌流速/lCr18Ni9TiZGOCrl6Ni5MomV'10kg/m，40kg/m5100kg/n?10kg/m340kg/m'100k

8、g/m5含沙量分別為10、40、）00kg/m3時(shí)，各試件在6種流速下經(jīng)20h磨蝕的磨蝕失效形貌如表1所示。1.2水輪機(jī)材料的磨蝕失重量和磨蝕失重率為了描述在不同含沙量、不同流速時(shí)水輪機(jī)材料的磨蝕特性，對(duì)試臆數(shù)據(jù)進(jìn)行了整理，并繪制成平面曲線C曲線圖以試驗(yàn)時(shí)間為橫坐標(biāo)，以材料的磨蝕失重或磨蝕失重率為縱坐標(biāo)。圖1中口下而上的6條曲線，分別代表了U=20、25、30、33、37、40m/s的6個(gè)流速。圖1中材料為lCrl8Ni9Ti在3種含沙量6個(gè)流速下的磨蝕失重量和磨蝕失重率曲線。2試驗(yàn)結(jié)果分析2.1磨蝕的形貌與基本規(guī)律由磨蝕形貌可以看出，材料磨蝕形貌特征為與水流相對(duì)速度方向一致的凹槽狀磨蝕溝和魚(yú)

9、鱗狀波紋。魚(yú)鱗狀波紋的出現(xiàn)與流速和含沙量有關(guān)，在低a實(shí)溯含沙代9.76kg.m“b實(shí)測(cè)含沙量40.94kg.m"圖11Cr18Ni9Ti在3種含沙量6個(gè)流速下的維蝕失重和磨蝕失重率3691215182136912151821246810時(shí)間所時(shí)間/h時(shí)何辦d實(shí)測(cè)含沙量9.76kg.m，e實(shí)測(cè)含沙量40.94kg.m*f實(shí)測(cè)含沙量99.4kg.mJ含沙髭時(shí)，只有V>25rn/s時(shí)才出現(xiàn)；在S>22kg/m5時(shí)，整個(gè)試件上均有魚(yú)鱗紋的分布。由不同含沙量不同流速時(shí)水輪機(jī)材料磨蝕失重量與失重率曲線圖1可以看出，在含沙水流中含沙揪相同情況下，不管哪種材料，其磨蝕失重：最均隨善流速的

10、增大而增大；在同樣流速情況下，材料的失重址隨著流體含沙量的增大而增大；磨蝕量隨著時(shí)間的延續(xù)而增加，磨蝕址與時(shí)間基本成1次方關(guān)系。本試驗(yàn)中，材料磨蝕失重量:與磨蝕時(shí)間的回歸式為呢8703.87(1)式中，呢為磨蝕失重量，mg；為磨蝕時(shí)間，ho但在流速超過(guò)37m/s,當(dāng)磨蝕時(shí)間超過(guò)5h后，磨蝕失重率呈加速上升趨勢(shì)，其原因可能是高流速情況下空蝕與磨損的聯(lián)合作用導(dǎo)致磨蝕的加劇。2.2磨蝕失重量與流速的關(guān)系本試驗(yàn)含沙量范圍內(nèi)(S=9.7699.4kg/n?),材料的磨蝕隨流速的增大而增大。磨蝕失承率與流速呈蒂戚數(shù)關(guān)系。通過(guò)對(duì)兩種水輪機(jī)材料試炎結(jié)果的單因素回歸分析，其蒂在2.63.5之間。由于本試驗(yàn)是空蝕

11、與磨損的聯(lián)合作用，這一結(jié)果與許多文獻(xiàn)心中所提出的“單純磨損與流速呈23次方關(guān)系、空蝕與磨損聯(lián)合作用時(shí)其次方在26之間”結(jié)論相-致。本試驗(yàn)?zāi)ノg失重率與流速的問(wèn)歸式可以表示為wxVZ63S(2)式中，叱為磨蝕失重率，mg/rnin；卜為含沙液體相對(duì)于試件的流速，m/s。一些文獻(xiàn)可發(fā)現(xiàn)材料磨蝕存在一個(gè)臨界流速，另外，丁賢文1988年在“多泥沙河流水輪機(jī)出水邊相對(duì)流速與磨蝕關(guān)系的探討”中指出：當(dāng)流速大于30m/s時(shí)磨蝕加劇。本試驗(yàn)中，當(dāng)流速大于25m/s時(shí)，磨蝕量普遍加大。2.3磨蝕失重量與含沙量的關(guān)系許多文獻(xiàn)修5指出，材料在含沙水流中的磨蝕量與水流的含沙量關(guān)系的一般規(guī)律是，當(dāng)含沙量小于某一臨界值時(shí)，

12、磨蝕瓦隨含沙量的增大而增大。而當(dāng)含沙量:大于某一臨界值時(shí)，由于泥沙對(duì)磨蝕形成“抑制”作用，磨蝕娥隨含沙量的增大而減小。黃河水利委員會(huì)水利科學(xué)研究院何筱奎等人利用磁致伸縮儀進(jìn)行了含沙水流的空蝕試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，黃河泥沙的磨蝕能力受含沙最的影響，磨蝕量與含沙量的關(guān)系分4個(gè)階段：磨蝕加速期(含沙量S=08kg/m'),磨蝕量隨含沙量的增加而增加；磨蝕高峰期(含沙量S=840kg/m，),在某含沙量范圍內(nèi)，磨蝕率達(dá)到最大；磨蝕衰減期(含沙量S=40170kg/m3),磨蝕失重率隨含沙量的增大而減弱，失重量相當(dāng)于清水空蝕；磨蝕抑制期，含沙量進(jìn)一步增大時(shí)(S=17O5OOkg/m3),磨蝕進(jìn)一步

13、減弱，材料失重率低于清水空蝕。但本次試驗(yàn)的含沙R范圍(S=10100kg/m3)內(nèi)，兩種試驗(yàn)材料的磨蝕失重量一直隨著含沙量的增大而增大，沒(méi)有出現(xiàn)泥沙對(duì)磨蝕的“抑制”現(xiàn)象。兩種試羚材料的磨蝕失重量與含沙量大體呈正比。經(jīng)單參數(shù)回歸分析，其郁變化在0.9545.139之間，磨蝕失重量與含沙量的【可歸式為吧二；*(3)式中，隊(duì)為磨蝕失重量(mg)；S為含沙量(kg/m3)o3結(jié)論(1) 材料磨蝕形貌特征為與水流相對(duì)速度方向一致的凹槽狀磨蝕溝和魚(yú)鱗狀波紋。魚(yú)鱗狀波紋的出現(xiàn)與流速和含沙讖有關(guān)，在低含沙量時(shí)，只有V>25m/s時(shí)才出現(xiàn)；在5>22kg/m3時(shí)，整個(gè)試件上均有魚(yú)鱗紋的分布。(2) 水輪機(jī)材料的磨蝕失效特性與含沙水流的含沙量:、水流的流速和磨蝕時(shí)間有關(guān)。在含沙量相同的情況下，材料的磨蝕失重址隨看流速的增大而增大；在流速相同的情況下，材料的失重量:隨著流體含沙量的增大而增大；磨蝕隨著時(shí)間的延續(xù)而增加。(3) 泥沙影響磨蝕的因素研究還不完善，還需要在更好的水動(dòng)力學(xué)磨蝕試驗(yàn)裝置或水輪機(jī)渾水試驗(yàn)上繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)研究。參考文獻(xiàn)：1 吳培豪.影響磨損的因索，麝損、磨蝕機(jī)理、影響因素等嫁述G/全國(guó)水機(jī)磨蝕試臉研究中心.水機(jī)磨1*50年，2004.2 何筱奎.不同含沙量不同流速時(shí)材料的磨蝕失效特性RJ.黃河水利科學(xué)院研究報(bào)告，1993.3.3 何筱魅黃河泥沙的磨蝕