水轮机磨蚀试验设备的设计参数与总体设计

摘要：研究了过机水流水力因素及浑水中泥沙特性对水轮机磨蚀状态的影响，分析了国内主要电站水轮机的相关过流指标数据，研究确定了水轮机部件磨蚀试验设备的试验参数、设计参数及关键问题，确定了试验设备旋转喷射式磨蚀试验原理，完成了冲磨试验设备的研制。试验设备扩大了适应工况范围，模拟工况真实，调速范围大，冲刷速度高，冲刷角度可调，有效提高了磨蚀试验的效率。

关键词：水轮机；磨蚀试验设备；设计参数；总体结构

中图分类号：TH12；TV152 文献标志码：A 文章编号：1672-1683（2015）06-1124-04

Abstract：In this paper，the effects of hydraulic factors and sediment characteristics in turbid water on the abrasion state of turbine were studied，the turbine flow index data of main power stations were analyzed，the test parameters，design parameters，and key issues of turbine abrasion test equipment were determined，the principle of rotating-jet mode abrasion test was illustrated，and the overall structure design of the test equipment was developed.The test equipment can expand the applicable working conditions，adjust the grinding speed and grinding angle，and improve the efficiency of abrasion test.

Key words：turbine；abrasion test equipment；design parameter；overall structure

在我国的水电开发中，存在着突出的泥沙磨蚀问题。水轮机过流部件磨蚀现象严重影响水轮机的正常运行，所以磨蚀的研究与控制至关重要。目前提出的磨蚀理论往往是在理想条件下试验得到的，因此，选择合适的试验方法和试验设备是研究水轮机过流部件磨蚀机理的前提。目前国内外用于研究磨蚀问题的试验设备有室内试验设备和室外试验设备，室内试验设备类型有：圈盘绕流式、旋转喷射式、文丘利管水洞式等，室外试验设备是利用天然河水落差建造的浑水空化空蚀设备。这些设备都不同程度地存在着适应工况差、试验参数可调范围窄、试验效率低等局限性。针对以上问题，研发功能更全面的试验设备是十分必要的。

在试验设备的研发过程中，通过研究影响水轮机磨蚀破坏的实际工况、主要指标、主要参数及取值范围，确定试验设备的试验原理、试验方法和试验参数，研制模拟工况真实、试验速度高、试验参数可调的磨蚀试验设备，将为基于减磨结构的水轮机过流部件数字化设计提供试验依据。

1 影响水轮机磨蚀试验的指标确定

式中：δ为磨损量，计算部位的平均磨损深度（mm）；k为磨损系数，k=1/ε，ε为材料耐磨系数；S为平均含沙量（kg/m3）；β为泥沙磨损能力的综合系数，与泥沙成分、粒径大小、颗粒形状、硬度等有关；W为过机水流流速（m/s），指数近似m=3.0；T为过流历时（h）。

可见，不考虑过流部件的材料因素，泥沙（悬移质）对水轮机的磨蚀作用取决于水力因素与泥沙因素。前者包括过机水流流速、过流历时、水流掺气、流态等；后者包括泥沙含量、颗粒级配、形状、矿物质含量及硬度等。在影响磨蚀磨损程度的因素中，以过机水流流速的影响最为显著，一般磨损量与其成3次方关系，如果产生空蚀和泥沙磨损联合作用的磨蚀量将与速度成6次方关系。磨蚀磨损强度与含沙量、颗粒粒径成线形关系。

由此分析得出：过机水流流速、泥沙特性（含沙量、颗粒粒径）是影响材料磨蚀性能试验最主要的两大指标。

1.1 过机流速

过机流速指的是过机水流相对水轮机叶片表面的速度，是影响水轮机磨损的决定性因素之一。国内主要电站水轮机过机流速数据[1-6]见表1。

1.2 泥沙含量

国内主要河流上已经运行的重要电站水轮机的过机平均泥沙含量及最大含量[1-6]见表1。

分析可得：国内主要河流上已经运行的重要电站水轮机过机平均含沙量≤37.6 kg/m3，最大含沙量达到≤1 200 kg/m3。

1.3 泥沙颗粒级配

资料[7]显示，以长江和黄河为例，近50年代表站泥沙颗粒平均粒径分别见图1、图2。

总结数据可得：近年国内主要河流的泥沙颗粒平均中值粒径范围在：0.003～0.05 mm。

2 泥沙磨蚀试验设备研发拟解决的关键问题

泥沙磨蚀试验方法与装置多种多样，使用仪器不同，试验结果是不同的，甚至还相差很大。所以，设计试验方法和试验参数合适的磨蚀试验设备是试验成功的重要因素。

浑水含沙水流空蚀室内试验设备是常用研究磨蚀问题的试验设备，可分为以下几种：振动空蚀仪（磁致伸缩仪）、转动空蚀仪（圈盘式绕流法）、旋转喷射设备、浑水系统流动型空蚀仪等[8]，这些常用设备都存在一定的局限性：模拟工况欠真实、试验速度低、试验参数不可调等。依据相关标准，研发水轮机过流部件磨蚀试验设备，必须解决以下关键问题：（1）较好地模拟实际挟沙水流条件下的工况，试验过程兼具泥沙磨损和空化空蚀的共同作用；（2）扩大有效的试验参数值调整范围，如：冲刷速度、冲刷角度、含沙量、泥沙粒径等，以扩大磨蚀试验的适应工况范围，提高磨蚀试验的效率；（3）扩大试验范围：可进行不同材料（如：金属（水轮机过流部件）、非金属（混凝土）、涂层材料等）的泥沙特性试验。

解决上述问题，研究适合不同材料在变流速、变含沙量及不同冲刷角度等动态条件下的抗磨蚀性能试验设备，这是本磨蚀试验设备的主要研发思路。

3 磨蚀试验原理及试验参数、设计参数的确定

对现有磨蚀试验方法及设备的工作特点进行综合分析，鉴于旋转喷射式试验设备模拟实际水流流态较好，试验过程兼具了泥沙磨损和空化空蚀的共同作用，可实现较大试验参数范围等特点[9-10]，本文所设计的磨蚀试验设备拟采用旋转喷射式磨蚀试验原理。

本旋转喷射式磨蚀试验设备工作原理如图3所示：将试件夹持固定在一个可以旋转的圆盘式夹具上，通过喷嘴以一定速度喷射含砂水流，扫射到试件表面使试件受损，达到检验试件材料抗磨蚀能力的目的。

冲刷速度和沙粒特性（含沙量、颗粒粒径）是本设备最主要的试验参数，涉及到有效的试验参数值调整范围。冲刷角度、试件旋转直径是试验设备的主要设计参数，影响到试验设备的规模、试验流量、试件转速、试验精度等。

3.1 冲磨速度的选择

近年来在大中型水轮机选型中，为了缩小尺寸，提高效率，在水轮机参数选择时有向高参数发展的趋势，由于水轮机参数高，过机速度加大，在有泥沙河流的水电站其水轮机过流表面发生严重磨蚀。为此，磨蚀试验设备速度指标应根据水轮机参数要求选定。

前文分析可知：我国主要河流上的重要电站水轮机的过机水流速度在40 m/s以下，要实现挟沙水流对水轮机的冲磨速度的模拟，就要求试验设备的冲磨试验速度至少在0～40 m/s，并且在此范围内任意可调，为了提高试验效率，缩短试验时间，必须加快试验速度，故拟将冲磨速度提高到20～100 m/s速度范围任意可调。目前国内各研究所和实验室使用的水工材料冲磨试验设备基本都采用的是机械式有极传动，试验速度在20～40 m/s范围内。要实现试验速度大范围、可连续调节，拟采用机械调速和液压调速联合作用的迭加式合成调速方式来实现高冲磨速度、大调速范围的任意调速目标。

本设计中，试件受冲磨的速度即试件表面承受的含沙水流冲刷速度是由喷嘴喷射的含砂水流速度和试件旋转速度共同决定的，为两者的矢量和。即：

V冲刷=V喷射+V旋转

喷嘴喷射速度V喷射和试件旋转速度V旋转均可调节，且喷嘴喷射速度通过调节水流压力可实现无级调速，所以本试验机的试验速度V冲刷可实现任意连续速度调节。设计中，速度分配方式是：V喷射=10～40 m/s，V旋转=10～60 m/s，V冲刷可以达到20～100 m/s。当然，国内其他地区有极少数水电站的过机流速超过100 m/s，在试验时可以通过调节变频调速SEW可调电机输出速度，提高V旋转，从而提高冲磨速度以适应实际工况。

3.2 泥沙参数设计

近年，国内主要河流上电站水轮机的过机平均泥沙含量范围在：1.0 ～37.6 kg/m3，国内主要河流的泥沙颗粒平均中值粒径范围在：0.003～0.05 mm，最大粒径范围0.1～1 mm。对于多泥沙的定义，一般以平均含沙量10 kg/m3为界定，虽然汛期最大含沙量时是水轮机磨蚀最剧烈的时期，但为了模拟实际冲磨工况，提高试验效率，降低泥沙堵塞管道和喷嘴，便于试验的顺利进行，试验设备水流含沙参数设计如下：试验沙粒粒径（中值粒径d50）范围在0.1～1 mm内，沙粒含量（质量含量）范围在1.0～20 kg/m3内可调整，依委托单位提供的泥沙实样确定。

3.3 冲刷角度设计

常用水轮机形式有：轴流式、混流式、斜流式和贯流式等，不同类型水轮机工作时，实际含沙水流对叶片等过水表面的冲刷角度不同，故试验设备冲刷的入射角设计为可调整，通过改变试件夹具的夹持角度来改变射流冲角。从与试验叶片表面接近相切角到垂直入射，设计冲角范围在：15°～90°可调整。

3.4 试件旋转直径设计

在磨蚀试验设备设计中，拟采用试件旋转系统和水沙循环喷射系统来实现水沙喷射磨蚀模拟和喷射速度―旋转速度的迭加。试件旋转传动系统主要用于叶片试件的旋转传动，即进行V旋转的传递与调节，设计确定：为获得较高的冲刷速度，试件旋转直径范围为600 mm，试件转速范围≤60 m/s。

4 磨蚀试验设备总体结构设计

本磨蚀设备主要由试件旋转传动系统、液压喷射系统、箱体部分等三大部分组成，其整体装配结构见图4。

4.1 试件旋转传动系统

试件传动部分主要包括原动电机、传动轴、试件卡盘、支承零件和密封件等几部分。主要用于叶片等试件安装及旋转传动，实现试件喷射角度的调整，要求与喷射系统协同工作。电机采用变频调速SEW类型，DV型：Y801-2型三相异步电动机，输出转速na=2 825 r/min。手柄手动调节，具有转速数字显示表，方便速度调节，变频器采用交-直-交、电压型变频器，型号AF-3002-1A5。电机与传动轴之间采用弹性柱销联轴器直接传递运动和动力，简化传动路线。

冲刷角度调节：试件采用螺栓和夹具固定于试件卡盘上，试件卡盘上刻有角度值，通过调整试件夹具角度以改变试件在卡盘上的装夹位置，达到调节冲刷角度的目的，从而试验不同入射角下的试件磨蚀机理。试件的安装及调节机构见图5和图6。

4.2 液压喷射系统

液压喷射系统是完成试件喷射冲刷的主要部分，通过喷嘴喷射含沙水流对叶片试件进行喷射冲刷，在叶片表面形成冲磨痕迹，达到测试叶片试件抗冲耐磨能力的目的。其功能是完成含沙水喷射，实现喷射速度的无极调速，包括水泵、控制水阀、流量计、水箱、喷头装置、进水和出水管道等。喷射系统动力水泵采用QW系列80WG型电机潜水污水泵。喷射流量控制通过溢流、节流回路来控制，溢流阀选用BT-10-32型，节流阀选用SR（C）T-10-50，流量计的选用考虑使水和砂粒的二相混合流不易滞留的元件，避免流体堵塞引压管，选择采用低频矩形波激磁型电磁流量计，流量计安装在直管道上。液压喷射系统工作原理见图7。

4.3 箱体部分

箱体作为支撑结构，包括浑水箱、喷射箱、电机支撑箱。主要用于支撑和安装试件旋转传动系统、液压喷射系统和水沙浑水系统，保证装置运行时的刚度和稳定性。

浑水箱主要用于容纳水沙混合物，安装浑水泵，底部铺设循环冷却水管，用水泵将冷却水送入浑水箱内，再回冷却箱，形成冷却水循环系统，带走含沙水中的大部分热量，保证含砂水温度控制在40 ℃以下，确保试验顺利进行。

喷射箱主要用于安装试件及试件旋转卡盘，密封完成喷射冲刷工作，由于使用高压水喷射，试验中会产生大量的带压水汽，所以喷射箱必须密封良好，箱体上部的容器盖和容器罐靠螺栓联结，采用橡胶密封圈密封；喷射箱底内部为圆锥状，以便水沙向排水管口流动。

电机支撑箱主要用于安装和支撑用于试件旋转传动的电机。喷射箱和电机箱通过螺栓连接方式固定为一体，保证整体装置的传动稳定性和可靠性；箱体采用焊接方式加工。

5 结语

本喷射式水轮机部件冲磨试验设备的主要特点在于：（1）扩大了磨蚀试验的适应工况范围，可以开展变流速、变含沙量条件下金属材料、非金属材料、涂层材料及水工材料的磨蚀试验；（2）试验设备设计参数是根据国内主要电站水轮机的过流数据总结得出：冲磨速度20～100 m/s，沙粒粒径范围≤0.1～1mm，沙粒含量范围≤1.0～20 kg/m3，冲角范围15°～90°，实现了模拟工况真实，调速范围大，冲刷速度高，冲刷角度可调，试验效率高的要求。当然，本设备如果能够增加试验数据检测、收集、输出和结果分析功能，设备的自动化测试能力将大大提高。

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