水流含沙量和流速對水輪機(jī)磨蝕性能的影響.docx

1、水流含沙量和流速對水輪機(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.國家知識產(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。通過對試驗(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：TK730.53；TV131.63文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B文章編號: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、含沙流場的流速和沙粒形狀與級配叫迄今為止的文獻(xiàn)中，對這三大因素的影響與影響機(jī)制有過一些試驗(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，通過試驗(yàn)研究泥沙含量、含沙水流流速、泥沙粒徑級配對材料磨蝕的影響。本文主要研究不同含沙政不同流速對水輪機(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)作者簡介：任(1979-),女.河南南陽人，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9.76）、5=40（實(shí)測40.94）、5=100kg/m'（實(shí)測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速度方向一致的凹槽狀磨蝕溝和魚

9、鱗狀波紋。魚鱗狀波紋的出現(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)測含沙量9.76kg.m，e實(shí)測含沙量40.94kg.m*f實(shí)測含沙量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37m/s,當(dāng)磨蝕時(shí)間超過5h后，磨蝕失重率呈加速上升趨勢，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。通過對兩種水輪機(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，沒有出現(xiàn)泥沙對磨蝕的“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速度方向一致的凹槽狀磨蝕溝和魚鱗狀波紋。魚鱗狀波紋的出現(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