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提升机械防护水平 助力水电事业发展——“水力机械磨蚀测试系统研制”成果

2018-01-08

为满足我国水电开发过程中水力机械磨蚀领域的研究和应用需求,在国家重大科学仪器设备开发专项(编号:2011YQ070049)的支持下,中国水利水电科学研究院的研究团队在对国内外水力机械磨蚀测试装置及技术充分调研的基础上,自主开发研制了一个功能齐全、测试精度高、测试技术先进的磨蚀测试系统——水力机械磨蚀测试系统。

一、核心部件

项目研发的水力机械磨蚀测试系统主要由三个测试工位(旋转圆盘工位、旋转喷射工位、水洞工位)、集中测控PLC 系统(如图1所示)、流场及磨蚀测试分析设备组成。测试工位为系统测试任务实施的主要平台,是系统的核心部件。

三个测试工位既可独立运行,也可根据条件选择性地并联运行,它们共用一个充水系统、稳压罐、调压系统、冷却控温系统、加沙系统以及排水系统,但其各自的工作段被设计、加工成具有特殊结构、满足不同测试功能需求的关键部件,并配套不同的循环管路及循环动力泵。

(一)旋转圆盘工位转盘室

 转盘室为旋转圆盘工位主要测试工作段,主要包括后盖板、轴承(与驱动电机同轴联结)、圆盘压盖、螺栓、带有阻流栅的前盖板、机械密封、固定测试试件的圆盘等部件。旋转圆盘的直径 D=400毫米,驱动电机的最大转速n=4 000转/分钟,相应的最大圆周绕流速度(nπD/60)为 85m/s,循环管路管径为 DN25毫米。通过改变系统的参数条件(旋转速度、是否含沙、泥沙浓度、材料种类)和圆盘的结构可以进行材料的空蚀、泥沙磨损及浑水空蚀等性能测试。

(二)旋转喷射工位喷射室

旋转喷射工位为敞开式循环系统,主要有后盖板、前盖板、转盘、射流喷嘴、射流角度调节机构等部件组成。可根据测试需求选择不同的高速射流的口径、射流与试件表面之间的角度α(10°<α<40°)、射流流速(通过改变动力水泵的循环流量调节)及圆盘旋转速度。

(三)文丘里水洞工作段

 文丘里水洞测试工位工作段主要有喉管及收缩段、扩散段三部分组成。各部分尺寸可根据研究需要设计成不同的尺寸,喉部断面也可根据需要设计加工成不同的形状。在该测试工位循环管路上设有两个文丘里工作段,可串联运行,也可单独运行。在结构完全相同的两个文丘里工位同时串联运行时,可以用于研究重力因素对管路中泥沙颗粒分布的影响。循环管路管径DN150,喉前收缩角23°30°,喉后扩散角5°7°。系统通过改变动力水泵的流量调节水洞的过流流速,在喉段断面面积为1 600平方毫米时,喉管工作段面的最高流速为35米/秒。在工作段可进行材料的空蚀、泥沙磨损及浑水空蚀性能试验以及翼型特性的试验研究。在进行泥沙磨损测试时,文丘里循环水洞工位是利用工作段的喉部收缩,产生高速泥沙磨损破坏,试件可分别置于收缩段、喉段、扩散段流道的上下流面。

二、技术创新

(一)泥沙浓度高精度测量技术研究

循环系统的含沙浓度是水力机械磨蚀测试的关键参数,系统的设计含沙浓度为每立方米0100千克(折算体积浓度为 03.8%),测量精度为±2%。目前商业浓度仪的测量精度和分辨率达不到要求,为此课题组研制了一种“实现大范围浓度测量的超声波浓度测量装置”(如图2所示),设计开发了一种基于测量压力的进行动态泥沙体积浓度测量的方法及装置,并发明了通过浑水密度测量确定浑水浓度的创新方法。

(二)两相流流场测量分析技术研究

多相流动通常包括固液、气液两相流以及气固液多相流等类型,根据不同类型流动的物理特点选择不同的多相流场测量的方法,研究多相流磨蚀机理。流场测试方案如图3所示。

(三)微细颗粒分选技术研究

利用水力学方法对微细颗粒泥沙筛分,研制了基于水力学原理研制的微细颗粒泥沙旋流筛分装置,该旋流筛分装置为可移动式,可与水力机械磨蚀测试系统相连,可通过控制系统进行筛分参数的自动选择和控制。试验过程中可根据要求,调节旋流筛装置的工作参数,将粒径规格参数符合要求的泥沙输入水力机械磨蚀测试系统的循环管路。试验结果表明,应用旋流筛分装置选择合适粒径范围的原始泥沙、合适的泥沙浓度及分选转速可以获得理想的筛分结果。

(四)空化与空蚀研究

为了定性掌握水力机械中空化演变规律及水压脉动规律,进而预测水力机械的磨蚀,开展了一系列的空化两相流数值模拟研究。采用基于 Rayleigh-Plesset 方程的质量传输空化模型、k-ε双方程湍流模型的平均N-S 方法(PANS),实现空化流场的精确模拟。

(五)水轮机泥沙磨损评估

应用水力机械磨蚀测试平台的旋转圆盘工位模拟真机的磨损工况,具有特殊叶栅结构的旋转圆盘内的流场过流条件与真机转轮表面和导叶立面处的绕流流场近似。水轮机材料的磨损破坏实验要到达一定的可测量磨损量将需要很长的磨损时间,给项目的试验研究周期带来一定不可预测性,任务研究中根据实验过程中的实际磨损程度不断向低浓度调整泥沙浓度,由于材料磨损率公式中泥沙浓度指数近似为1,对试验数据进行演绎处理,最终获得低浓度过机泥沙运行工况下的磨损结果。完全符合预测的过机泥沙粒径条件的细沙目前还没有可行的方法进行筛分,选取电站坝址的泥沙作为试验用沙,筛分后沙样中值粒径为14.58微米,平均粒径为15.74微米。依据磨损与泥沙粒径的关系式可对低浓度细泥沙电站水轮机的泥沙磨损进行相对准确的评估。

三、推广应用前景

项目开发的系统是综合性高精度水力机械磨蚀测试系统。系统的最大磨损测试流速可达 120米/秒,相对流速的不确定度不超过±5%;含沙浓度 0100千克/3,精度±2%;磨损深度测量误差±3微米;系统调压范围-0.090.1兆帕,全面拓展了相关研究领域测试装置的测试参数范围,并提高了其测试精度。

 

  利用该系统可进行水力机械(流场、结构、材料)空蚀、泥沙磨损、浑水空蚀的规律特性及翼型特性的研究,可为水电工程的磨损评估与技术论证、材料磨蚀性能评价、防护材料研制及磨蚀试验方法研究等提供研究平台,同时可以作为第三方的检测评价平台,为我国水力机械特别是水轮机空蚀、磨损及磨蚀性能的评估、检验或考核提供测试平台。不仅对于提高我国的水力机械空化、空蚀及磨损理论研究水平,提升我国水力机械的抗磨蚀防护技术水平,而且对于提高我国科学仪器设备的自主创新能力和装备水平,支撑科技创新,服务我国的水电开发,加强我国在力机械抗磨蚀技术方面的优势地位均具有重要的支撑作用。