关键词:
冲击式水轮机
喷射机构
水气沙三相流动
泥沙磨损特性
影响机制
摘要:
泥沙磨损是冲击式水轮机面临的核心问题之一,特别是喷射机构直面高速含沙水流冲击极易磨损破坏,威胁机组安全运行。为深究喷射机构的磨损特性及影响机制,本文基于VOF模型、欧拉-拉格朗日方法及Oka磨损模型,构建了喷射机构的磨损分析模型。结合流动与颗粒运动轨迹分析可知,磨损最严重的位置在喷嘴喉部及喷针尖部,喷嘴喉部呈片状磨损且受迪恩涡对的影响在内侧的磨损范围更大,而喷针尖部主要呈点状磨损。本文选取喷针过渡段直径、喷针角度和喷嘴角度三个喷射机构的关键结构参数开展磨损特性影响机制的研究。结果表明,三个参数对喷嘴和喷针不同区域的磨损特性影响机制不同。其中喷针角度的影响最为显著,且其对磨损特性与水力性能的影响存在互抑性。一定范围内,随喷针过渡段直径的增大,喷针的磨损程度加剧,当过渡段直径增大至接近喷针直径时,针尖的平均磨损率急剧恶化为小直径时的9倍;随喷针角度增大,喷嘴喉部和喷针尖部的磨损程度改善,喷针尖部的平均磨损率最大可降低94.17%,但喷针角度对磨损特性与水力性能的影响存在互抑性;随喷嘴角度增大,可有效抑制喷针过渡段的磨损程度。因此,设计较大的喷针角度,配合较大的喷嘴角度与较小的喷针过渡段直径,可改善喷针的高磨损区与减小整体的磨损范围,并兼顾考虑水力性能的要求,进而可保障机组的高效安全运行。