魯思陽，袁 帥，曾永忠，杜 海，田文文，劉小兵

(西華大學 流體及動力機械教育部重點實驗室，成都 610039)

0 前 言

在含泥沙的河流中運行時，水輪機的泥沙磨損問題是無法避免的，并且水輪機的過流部件會遭受嚴重的破壞[1-3]，因此研究水輪機泥沙磨損問題具有提高水電站運行效率以及運行穩(wěn)定性的重要意義，同時可以根據(jù)所用材料、過流速度、含沙量等因素制定出針對泥沙磨損的防護、檢修方案。

影響水輪機泥沙磨損的因素有很多，包括泥沙的形狀、粒徑、硬度、含量，流場的流速、沖擊角流態(tài)等。因此相對應的水輪機泥沙磨損的研究方法也有很多。如黃劍峰[4]等利用固液兩相流模型對水輪機內(nèi)部泥沙分布規(guī)律做了分析。Sato[5]采用空氣中與水中的沖擊射流裝置和旋轉(zhuǎn)圓盤裝置對幾種不同的鋼材進行了試驗，通過觀察不同的粒徑、沖角、流速下材料表面的磨損情況，以此來分析材料破壞的方式。M K Padhy[6]等人對小型水斗式水輪機進行試驗，發(fā)現(xiàn)當忽略沙粒大小的影響時，磨損率會因為含沙濃度的增加而變大；而當含沙濃度一定時，沙粒的粒徑和磨損率成正比。Kenichi[7]等運用射流磨損試驗裝置來進行多種材料與涂層的磨損測定，其結果表明當速度比較高(例如速度為40 m/s)時，沖擊角在60°～90°之間的變動對磨損結果影響較?。欢俣炔惶?例如速度為10 m/s)時，隨著沖擊角增大到一定值時，磨損程度反而會減小。H.P Neppane[8]使用Thapa[9]建立的試驗裝置進行改造模擬沙水中的軸流式水輪機導葉出口及轉(zhuǎn)輪入口流動規(guī)律，結果表明流動過程中粒子運動軌跡偏離流線的程度會影響磨損，同時粒徑越大，濃度越高，粒子運動軌跡與流線偏離越大。

但目前研究水力機械磨損的常用裝置、方法很難保證實驗磨損條件盡量符合實際水輪機械過流部件的流動條件。常用的實驗手段，如旋轉(zhuǎn)磨損實驗將水輪機部件加工成圓柱、扇形或者其他形狀的待測件，固定在轉(zhuǎn)盤上，通過轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動研究不同轉(zhuǎn)動速度下材料的磨損狀況。此類方法原理簡單，但是只能獲得了水流速度大小對材料的磨損關系，不能做到流場相似，所以也不能準確預估水輪機部件的磨損量以及磨損分布。本文試提出一種繞流式的試驗方法，該方法能確保試件流場與真機相似，所以試驗結果與真機一致，可以很方便地分析試件的磨損規(guī)律，較其他形式的磨損預估方法，更為精確。

1 電站概況

在我國西部新疆某電站由于地處沙漠地帶的克孜勒蘇河流域，在那里森林、植被覆蓋率降低，水土流失嚴重，河流攜帶泥沙量較大，尤其以中游河段最為嚴重。在電站壩址測量的多年平均含沙量6.2 kg/m3，多年平均懸移質(zhì)輸沙量1 174 萬t，多年平均推移質(zhì)輸沙量58.7 萬t，多年平均輸沙總量為1 233 萬t，平均粒徑為Dpj=0.067 6 mm，最大粒徑Dmax=1.13 mm，小于0.05 mm的顆粒含量為70.2%，泥沙硬度高，石英質(zhì)含量為30～45%。河流中高比例的泥沙含量給水輪機造成的磨蝕破壞不容忽視，其結果是將導致機組大修周期縮短、檢修工作量加大、工期延長、經(jīng)費上漲、非計劃停機次數(shù)和時間增加，將可能嚴重影響電站的安全經(jīng)濟運行。

2 試 驗

2.1 試驗原理

本試驗裝置的原理通過對水輪機全流場的數(shù)值模擬如圖1所示，獲取過流部件的繞流分布，以此為依據(jù)作為其流道進而設計其實驗裝置再開展磨損實驗。試驗模型的設計滿足過流部件的幾何相似和運動相似，與真實過流部件的流動條件一致，從而保證實驗結果和真實結果相吻合，圖2為流道提取后的試驗模型設計原理圖。

泥沙磨損率的計算公式一般表示為[10]：

(1)

式中：E為單位時間內(nèi)材料的磨損率，此處為單位時間內(nèi)的磨損深度，μm/h；ks為泥沙特性影響系數(shù)；km為材質(zhì)性能影響系數(shù)；k0為除ks、km以外的其他因素的影響系數(shù)；Cs為含沙濃度；M為含沙濃度指數(shù)；W為沙水相對速度；N為沙水流速指數(shù)。其中泥沙濃度指數(shù)M取值為1[10]。

圖2 試驗模型流道圖Fig.2 Flow chart of test model

由上式(1)與試驗具體數(shù)據(jù)可得出兩種材料的磨損率，結合該高水頭、多泥沙電站具體情況可以預估其磨損量。

2.2 試驗設備

本文的泥沙磨損試驗采用繞流式試驗方法，在西華大學流體及動力機械教育部重點實驗室開展泥沙磨損試驗。水力機械磨損測試系統(tǒng)-系統(tǒng)循環(huán)示意圖如圖3所示。其中試驗臺包含三個系統(tǒng)，分別為：泥沙混合系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)以及實驗段(系統(tǒng))。泥沙混合系統(tǒng)采用水流沖擊的方法實現(xiàn)對泥沙的均勻混合；冷卻系統(tǒng)采用蛇形管抽取地下水進行冷卻；實驗段是實驗臺的核心部件，可以針對不同的過流部件，依據(jù)前期數(shù)值計算結果設計不同邊界形狀的實驗段流道。本文著重研究小流量工況下活動導葉的磨損情況。

圖3 繞流式泥沙磨損試驗臺示意圖Fig.3 Schematic diagram of the flow-through sediment abrasion test bench

具有一定含沙濃度的沙水混合介質(zhì)通過泵循環(huán)至試驗段，并在試件表面形成繞流流動，實現(xiàn)含沙水對試件材料的破壞。試驗段如圖4所示，主要包括試驗箱、固定導葉、活動導葉。試驗段進口斷面120×40 mm2，出口斷面40×40 mm2。裝有試件的試驗箱中循環(huán)流經(jīng)沙水，和真實水輪機一致。固定于流道內(nèi)的試件，安放角相同，通過試驗的相對磨損速度、泥沙濃度、材料種類等試驗條件，可以獲得定工況下的磨損量Δh隨試驗參數(shù)變化的規(guī)律。

2.3 試驗泥沙

采集該水電站引水渠道內(nèi)2 000 kg左右沙樣，按照多年最大含沙量(7月時為9.52 kg/m3)的泥沙濃度進行沙水配比。

原始泥沙經(jīng)500 目篩網(wǎng)(過篩粒徑 25 μm)篩分，篩分后的沙樣在 Malven MS2000 激光粒度儀上進行顆粒級配分析如表1，

圖4 試驗段裝置圖Fig.4 Device diagram of test section

泥沙成分如表2所示。

表1 泥沙顆粒級配分析Tab.1 Analysis of sediment particle gradation

表2 懸移質(zhì)泥沙樣本礦物成分表Tab.2 Mineral composition table of suspended sediment samples

兩組試驗主要參數(shù)見表3，本文采取了近似工況，研究了兩種不同材料的活動導葉的磨損情況，其中導葉材料為目前最適用于高水頭、高含沙水的轉(zhuǎn)輪、導葉和密封材料的兩種不銹鋼ZG0Cr13Ni4Mo和ZG06Cr13Ni5Mo。對兩種材料進行了對比和分析，并且估算其磨損深度，為其制定相關的檢修和維護方案提供參考。

表3 試驗工況Tab.3 Test conditions

3 試驗結果及分析

3.1 磨損深度的測量及分析

在白光干涉輪廓儀上進行試件表面累計磨損深度的測量，測量精度為0.1 nm。在試件表面選擇特定位置測量磨損深度，需要對測試位置進行標示，試件空間位置按圖5(a)的坐標予以確定：x軸沿導葉的弦線方向，y軸沿導葉的高度方向，z軸表示導葉表面的高度。本試驗中測試位置為刻度點沿試件高度y方向做的單線。試件表面刻度如圖5(b)所示，用白光干涉儀對準刻度點沿試件高度方向進行掃描。讀取試件磨損前后測試位置處表面的高度Z1、Z2，兩者之差即Z1-Z2為表面的磨損深度。

圖6為兩種材料沿導葉一周的磨損量大小，可以看出活動導葉的磨損量普遍在20 μm以上，活動導葉的上表面磨損量均大于40 μm，而下表面的磨損量在20～30 μm之間，上表面的磨損量略高于下表面。

圖5 試件表面測試位置Fig.5 Testing position of specimen surface

圖6 兩種材料上下表面磨損量分布Fig.6 Distribution of wear on upper and lower surfaces of two kinds of materials

3.2 磨損率定量計算公式的率定

由于本課題的試驗條件下，對所有的試件而言僅有含沙濃度和相對流速為變量參數(shù)，因此，泥沙磨損率的計算公式(1)可以簡化為下式：

(2)

式中：K=ksk0km。

分析試驗結果，擬合方式采用非線性擬合分析方法，擬合函數(shù)類型為Allometric，迭代算法為正交距離回歸(Pro)，得到兩種材質(zhì)的磨損率定量計算公式，見表4。

表4 兩種材質(zhì)的磨損率擬合計算公式Tab.4 Fitting formulas for calculating wear rate of two kinds of materials

根據(jù)擬合得到的磨損率計算公式，分別比較不同速度和不同含沙量的兩種材質(zhì)的耐磨性能，分別作出兩種材料在不同流速與含沙量下的曲線如圖7。

圖7 兩種材料在不同流速和含沙量下的磨損Fig.7 Wear of two kinds of materials at different velocity and sediment content

由結果我們可以看出，兩種材料隨繞流速度與含沙量的增加，磨損率的變化趨勢是一致的，而且在含沙量為9.52 kg/m3(該電站河流多年最高含沙量)時，流速小于40 m/s的環(huán)境下ZG0Cr13Ni4Mo材料比ZG06Cr13Ni5Mo材料的抗磨性能要略好，而在流速為40 m/s時，隨著含沙量的增加，ZG0Cr13Ni4Mo的抗磨性能更優(yōu)。

3.3 真機磨損預估分析

考慮泥沙粒徑對磨損率E的影響，并結合水科院多年泥沙磨損試驗結果[11]，式(2)中的E可以修正為Ep：

(3)

式中：d50，p為泥沙磨損試驗泥沙的中值粒徑，μm；d50，t為真機過機泥沙中值粒徑，μm。據(jù)檢測報告，試驗用泥沙的中值粒徑為d50，p=0.12 mm，真機過機泥沙的中值粒徑按照該電站實際情況取d50，t=0.1 mm。

根據(jù)擬合得到的磨損率計算公式可以對導葉不同位置的磨損深度Δz進行預估：

Δz=EpT

式中：T為機組運行時間。

對該電站周邊的自然環(huán)境進行調(diào)查后，假設機組運行時間為兩年，根據(jù)該電站實際情況，對不同的繞流速度和含沙量可以預估出活動導葉的磨損量如表5和表6。

根據(jù)GB/T29403-2012《反擊式水輪機泥沙磨損技術導則》：在保證期內(nèi)水輪機磨損量指標應符合普遍磨損的最大深度不宜超過4 mm，結合表中的預估可以得到三種流速下兩種材質(zhì)在不同含沙濃度下各自能運行多長時間無需檢修，例如由材料ZG06Cr13Ni5Mo制造的活動導葉在含沙濃度為1.437 kg/m3，水流速度為45 m/s的條件下運行12個月時的磨損量為4.110 mm，因此在運行時間臨近12個月時就有必要進行檢修與維護。

4 結 論

本文提出一種繞流式的試驗方法來對水輪機的活動導葉進行磨損預估分析，并通過與數(shù)值計算進行對比證明了這種方式具有一定的參考價值，取得以下主要結論：

(1)在本文泥沙磨損試驗條件下，兩種材料ZG0Cr13Ni4Mo 和ZG06Cr13Ni5Mo的磨損率公式中，速度指數(shù)N分別為3.144和2.579，由此可知繞流速度這一參數(shù)對于材料磨損率的影響很大。

(2)在該電站將來可能的運行條件下對兩種材料作為活動導葉時的磨損量進行了預估，為將來的抗磨和檢修方案提供參考。可以看到在泥沙濃度含量較低(1.151 kg/m3)且流速不高(35 m/s)時，采用抗磨性較好的材料ZG0Cr13Ni4Mo運行兩年后，活動導葉的磨損量也只有2.781 mm，對機組的正常運行影響較小，不需要另外增加抗磨措施，但在高泥沙濃度(9.520 kg/m3)和高流速(45 m/s)下，活動導葉的磨損量將高達58.068 mm，因此在這種環(huán)境下建議停止運行以防導葉磨損過多影響整個機組。

表5 ZG0Cr13Ni4Mo材料在兩年中的磨損量預估Tab.5 Wear prediction of ZG0Cr13Ni4Mo material in two years

表6 ZG06Cr13Ni5Mo材料在兩年中的磨損量預估Tab.6 Wear prediction of ZG06Cr13Ni5Mo material in two years

(3)本文應用的試驗方法不僅可以預估水輪機關鍵過流部件的易被磨損的部位還可以預估被磨損部件的壽命，但由于固液兩相流是很復雜的流動現(xiàn)象，數(shù)學模型中，也必須給予一些簡化，才能求解，試驗限于動力和試驗裝置，采用的是單流道試驗，其準確性也有待研究。

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