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水利水电技术第45卷2014年第4期
水轮机泥沙磨损研究进展
易艳林,陆力
(中国水利水电科学院,北京100038)
摘要:本文从泥沙磨损机理的试验研究和数值模拟、磨损影响因素及磨损预佔模型三个方面阐述了
国内外对水轮机泥沙磨损问题的研究成果,并提出了今后水轮机泥沙磨损研究的相关建议,为进一步
开展磨损机理的研究迸而建立可靠实用的磨损预估模型提供参考。
关键词:水轮机;泥沙磨损;磨损预估模型;研究进展
中图分类号:TV734.1
文标识码
文章编号:1000-0860(2014)04-0160-04
Progress of research on silt abrasive erosion of hydraulic turbine
YI Yanlin LU Li
(China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100038, China
Abstract The achievements rom the research on the silt abrasive erosion of hydraulic turbine at home and abroad are expatiated
herein from the aspects of experimental research and numerical simulation on the mechanism of the silt abrasive erosion, the im
pacting factors of e eros on an e ection mel of e ersion, and remore, the relevant suggestions on the research of
the silt abrasive erosion of hydraulic turbine made in the days to come are proposed as well which provide some references for
arrying out the further research on the mechanism of the erosion and then establishing the reliable and practical erosion predic-
tion model
Key words: hydraulic turbine; silt abrasive erosion; erosion prediction model; research progress
同试验条件进行模拟;数值计算虽然取得一定成果,
但其在许多方面仍不够成熟。
我国是一个多泥沙河流国家,在河流中运行的
水轮机不可避免地面临泥沙磨损问题。黄河是我国2磨损试验和数值模拟
含沙量最多的河流之一,建于黄河上的电站,其泥2.1磨损试验
沙磨损比较严重,我国泥沙磨损问题的研究也是从
目前水轮机泥沙磨损试验主要集中在研究流场条
黄河开始的。随着葛洲坝、三峡工程的动工建设,件(速度、冲角)、泥沙性质(尺寸、形状、硬度)、
有关长江上水轮机的泥沙磨损问题受到重视,虽然含沙量及材料耐磨特性等对磨损的影响。
长江流域的年平均过机泥沙量较小,但泥沙中硬颗
Sato利用空气中的冲击射流装置、水中的冲
粒含量较多,其磨损能力也较强,在汛期其破坏作击射流装置和旋转圆盘装置对几种钢材进行试验,
用更显著。近年来,随着水电机组向高水头、高比观测不同试验条件下(冲角、粒径、流速)材料表面
转速发展,小含沙量造成的磨损问题引起关注。在破坏的微观特征,根据结果分析材料磨损的方式。
项目可行性研究及初步设计阶段,需要预佔泥沙对
真机可能造成的磨损。
收稿日期:2013-10-10
目前有关泥沙磨损的研究主要通过试验方法,辅
甚金项目:科技部国家重大科学仪器设备开发专项“水力机械磨蚀测
以数值模拟。常用的试验装置有冲击射流装置、旋转
试系统研制”(2011Y0070049)。
圆盘绕流装置、循环水洞等,各自特点不同,可对不作者简介:易艳林(1989-),女,河南信阳人,硕士研究生。
万方数据
易艳林,等∥水轮机泥沙磨损研究进展
M.K. Padhy'21等对小型水斗式水轮机进行试验,观中心发展的泥沙磨损模型,预估叶片压力面和吸力
测真实流动条件下沙粒性质、含沙量对磨损率的作面的磨损,预测液相和固相的主要流动特征及两相
用,研究发现不考虑沙粒大小时,磨损率随着含沙流速场差异
浓度增加而增大;而对给定的浓度值,大尺寸颗粒
水轮机泥沙磨损试验研究大多是在不同类型试
的磨损率大于小尺寸颗粒。 Kenichi?等在射流磨损验台上对小型样本进行试验,通过样本的试验结果
试验装置上对多种材料及涂层的磨损试验结果表模拟真实流动条件下的水轮机磨损,或者在多种试
明:速度较高时(n=40m/s),60~90°之间的冲验装置上对不同材料的磨损性能进行研究,但是在
击角变化对磨损几乎没有影响,但冲击角度较小时许多情况下,由于试验装置及试验条件限制,试验
破坏程度随角度减小而减小;速度较低时(=10对真实磨损条件的模拟具有局限性,今后,应关注
m/s),神击角增大到一定时,破坏程度反而减小,对试验过程中流态和流速的模拟控制,实时监测试
同时试验发现材料抗磨损能力取决于其硬度。H.P验过程中泥沙浓度和粒径的变化,保持试验条件的
Neppane(?将 Thapa?建立的试验装置进行改造模拟稳定,提高结果的可靠性。在数值模拟方面,虽然
含沙水中轴流式水轮机导叶出口及转轮入口流动,数值计算能够模拟一定条件下流场中固相粒子与流
试验发现磨损与流动过程中粒子运动轨迹偏离流线体的相互作用及磨损特性,但由于受计算条件限制
有关,且粒子尺寸越大,浓度越高,运动轨迹与流及数学模型的局限性,数值计算结果还未达到工程
线偏离越大。
应用的阶段。
2.2磨损数值模拟
近年来数值模拟方法逐渐用于研究沙粒性质对3影响水轮机泥沙磨损的主要因素
磨损的影响。 Stachowiak?采用颗粒投影边界峰值线3.1泥沙因素
性拟合、主要边界峰值二次曲线拟合方法来模拟颗
粒子尺寸、形状、硬度及含沙量对磨损有很大
粒锐度,进而对颗粒锐度与磨损量的关系进行研影响。 Sheldon等对不同尺寸粒子的磨损特性进
究。Chen等采用MSDM模型( Micro-scale Dynamic行试验研究发现,随着磨粒尺寸增加,磨损由延性
Model)探究三种典型形状(三角形、方形、圆形)的域转向脆性域,出现最大磨损率的冲击角度由30°
颗粒对磨损率的影响,研究发现对单个粒子,磨损转移至80°。文献[12]认为,磨粒粒度对冲蚀磨损
能力与作用在单位接触面上的压力大小一致;三角有明显影响,一般磨粒尺寸在20~200pm范围内
形粒子的磨损能力最大,其次是圆形和方形粒子;时,材料磨损率随磨粒尺寸増大而上升,但磨粒尺
对多个粒子的磨损,磨损能力从大到小依次为三角寸增加到某一临界值时,材料磨损率几乎不变化或
形、方形、圆形;一般三角形、方形粒子的磨损率变化缓慢,这一现象称为“尺寸效应”。姚启
是圆形粒子的1.5倍。
鹏3-等对粒径范围为10~200m的天然沙样磨
对低含沙浓度中运行的水轮机的泥沙磨损,刘损试验结果表明:沙粒的磨损能力与其本身硬度直
小