水流含沙量和流速对水轮机磨蚀性能的影响

第 38 卷第
2 期
第 38 卷第 2 期 2012 年2 月
水 力 发 电
水流含沙量和流速对水轮机
磨蚀性能的影响
任 岩 1，2， 楚清河 1， 周 兵 3， 李延频 1
（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： 水流含沙量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、 磨蚀失重量和磨蚀失重率。

通过对试验结果进行定性和定量分析， 得到水轮机磨蚀与水流含沙量、 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择与磨蚀防治 提供了依据。

关键词： 水轮机磨蚀性能； 含沙量； 流速； 磨蚀失重量； 磨蚀失重率
Effect s of Sedimen t Concentration and Flow Velocity on the Abrasion of Hydraulic Turbine
Ren Yan 1,2, Chu Qinghe 1, Zhou Bing 3, Li Yanpin 1
(1. North China University of Water Conservancy and Electric Power, Zhengzhou 450011, Henan, China; 2. Hohai University,
Nanjing 210098, Jiangsu, China; 3. Paten Examination Cooperation Center of sipo Beijing 100091, China)
Abstract: The sediment concentration and velocity of water are two important factors affecting the abrasion characteristic of hydraulic turbines. By using the real sand in Yellow River, the abrasion appearance, mass loss and mass loss rate of hydraulic turbine are studied by experiments under different sediment concentrations and flow velocities. The results are qualitatively and quantitatively analyzed and the mathematical regression formulas are gained for describing the relationships between the abrasion and the sediment concentrations and flow velocities. The study can provide a basis for the parameters' selection and abrasion protection of hydraulic turbines in rich-sediment rivers.
Key Words: abrasion performance of hydraulic turbine; sediment concentration; flow velocity; abrasion mass loss; abrasion mass loss rate
中图分类号：TK730.53； TV131.63
文献标识码：B
文章编号：0559－9342（2012）02－0047－03
要研究不同含沙量不同流速对水轮机磨蚀性能的影 响。

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[1] 。

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[2，3]， 其系统性、 完整性与综合 性尚显不足。

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
0 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 d 50=0.03 m ， 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 “948” 计划技术创新推广转化项目（CT200207） 作者简介： 任岩（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.
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料 采 用 1C r 18N i 9T i ， ZG 0C r 16N i 5M o 两 种 ； 选 择 了
水轮机材料的磨蚀形貌
含沙量分别为 10、 40、 100 kg/m 3 时， 各试件在
6 种流速下经 20 h 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， 对试验数据进行了整理， 并绘制成 平面曲线。

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 中自下而上 的 6 条曲线， 分别代表了 V=20、 25、 30、 33、 37、
40 m/s 的 6 个流速 。

图 1 中材料为 1C r 18N i 9T i 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。

1.1 20、 25、 30、 33、 37、 40 m/s 6 个 流 速 ； 含 沙 量 采
用了 s=10 （实测 9.76）、 s =40 （实测 40.94）、 kg/m 3 （实测 99.4 k g /m 3） 3 个。

s =100 表 1 不同材料各试件的磨蚀形貌
试验结果分析
2 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鳞状波 纹。

鱼鳞状波纹的出现与流速和含沙量有关， 在低
图 1 1Cr18Ni9T i 在 3 种含沙量 6 个流速下的磨蚀失重量和磨蚀失重率
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第 38 卷第 2 期 任 岩，等：水流含沙量和流速对水轮机磨蚀性能的影响 含沙量时， 只有 V>25 m/s 时才出现； 在 S>22 kg/m 3 重量相当于清水空蚀； 磨蚀抑制期， 含沙量进一步 增 大 时 （S =170 ～500 kg/m 3） ， 磨 蚀 进 一 步 减 弱 ， 材 料失重率低于清水空蚀。

但本次试验的含沙量范围 （S =10～100 k g/m 3） 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。

两种试验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， 其幂变化 在 0.954～1.139 之间， 磨蚀失重量与含沙量的回归式 为
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 量相同情况下， 不管哪种材料， 其磨蚀失重量均随 着流速的增大而增大； 在同样流速情况下， 材料的 失重量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， 磨蚀量与时间基本成 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
W t ∝S 0.954~1.139
（3） 式中， W t 为磨蚀失重量 （mg ）； S 为含沙量 （kg /m 3）。

W t ∝T 0.9~1.067
（1）
式中， W t 为磨蚀失重量， mg ； T 为磨蚀时间， h 。

但在流速超过 37 m/s ， 当磨蚀时间超过 5 h 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。

结 论
3 （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 磨蚀失重量与流速的关系
出现与流速和含沙量有关， 在低含沙量时， 只有 V>
2.2 25 m/s 时才出现； 在 S>22 kg/m 3 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， 材料的磨蚀失重量随着流速的增大而 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。

本试验含沙量范围内 （S =9.76～99.4 kg /m 3） ， 材 料的磨蚀随流速的增大而增大。

磨蚀失重率与流速 呈幂函数关系。

通过对两种水轮机材料试验结果的 单因素回归分析， 其幂在 2.6～3.5 之间。

由于本试验 是空蚀与磨损的联合作用， 这一结果与许多文献[4，5]
中 所提出的 “单纯磨损与流速呈 2～3 次方关系、 空蚀
与磨损联合作用时其次方在 2～6 之间” 结论相一致。

本试验磨蚀失重率与流速的回归式可以表示为
泥沙影响磨蚀的因素研究还不完善
， 还需 W t ∝V 2.6~3.5 （2） （3） 式中， W t 为磨蚀失重率， mg/mi n ； V 为含沙液体相 对于试件的流速， m/s 。

一些文献[4, 6]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 30
m/s 时磨蚀加剧。

本试验中， 当流速大于 25 m/s 时，
磨蚀量普遍加大。

2.3 磨蚀失重量与含沙量的关系
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：
吴培豪. 影响磨损的因素， 磨损
、 磨蚀机理 、 影响因素等综述 ［G ］//全国水机磨蚀试验研究中心. 水机磨蚀 50 年， 2004. 何筱奎. 不同含沙量不同流速时材料的磨蚀失效特性 ［R ］. 黄河 水利科学院研究报告， 1993， 3.
何筱奎. 黄河泥沙的磨蚀特性［R ］. 黄河水利科学院研究报告 .
1994， 3.
段昌国. 水轮机沙粒磨损［M ］. 北京： 清华大学出版社， 1981. 水机磨蚀实验研究中心. 水机磨蚀 （国外水轮机泥沙磨损专集） ［G ］北京： 中国水利水电科学研究院， 1992.
梁武科 ， 等. 含沙水流中金属材料的磨蚀机理分析 ［J ］. 陕西水 力发电， 1996（3）: 42-45.
李国敬， 等. 三峡水电站过机水流指标检测下的水轮机磨蚀机 理浅析［J ］. 水力发电， 2007， 33（9）: 38-40. （责任编辑 刘书秋）
［1］ ［2］
［3］
许多文献[4, 6, 7] 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 ， 磨蚀量随 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 ， 磨蚀量 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量的影响， 磨蚀量 与含沙量的关系分 4 个阶段： 磨蚀加速期 （含沙量
S =0～8 k g/m 3） ， 磨蚀量随 含沙量的 增 加 而 增 加 ； 磨
［4］ ［5］ ［6］ ［7］
蚀高峰期 （含沙量 S =8～40 k g/m 3）， 在某含沙量范围 内， 磨蚀率达到最大； 磨蚀衰减期 （含沙量 S =40～ 170 kg/m 3）， 磨蚀失重率随含沙量的增大而减弱， 失
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