冲蚀与气蚀复合磨损试验研究

　　我国的水电装机容量已为世界第一,但水能蕴藏量均建立在地形高差悬殊、河流落差大、河流中泥沙含量高的特殊地域条件基础上,在高速水流冲击转轮叶片时,在水轮机过流部件表面难免产生形态各异的气蚀和冲蚀磨损,使得机组运行稳定性差,导致发电效率下降,检修期延长,费用增加,甚至威胁到水轮机组的运行安全,严重制约了水力发电厂的经济效益,进而影响到国民经济的持续发展[1, 2].针对我国河流中泥沙含量高、多数发电机组在浑水状态工作、而引进的机组又大多是按照清水条件设计的现状,国内已开展了相关研究,并对高含沙水流情况下的材料冲蚀磨损机理达成一定共识[1, 3, 4].但是,由于受条件限制,缺乏试验支持,研究还不够深入,国外的研究成果也不能直接为我们所用.

　　含沙水流以一定压力携带磨粒和空泡,高速冲击(打击)过流部件,造成复合形式的磨损,即为三相流冲蚀磨损,既有空泡的气蚀,也有高速水流和磨料颗粒的冲蚀及其交互作用[2, 4],这是我国水轮机过流部件主要的损坏形式之一.

　　目前,基于多相流试验技术的研究成果和计算机仿真技术的发展,为深入探讨在我国高含沙水流情况下的材料磨损问题提供了新的契机.本文从实验室试验以及计算流体仿真模拟试验2个方面入手,建立实验室三相流冲蚀磨损模拟试验方法,结合计算机仿真对实验室试验结果进行分析,探寻减少三相流磨损的措施,为水轮机磨损问题的研究提供新的思路和方法.

　　1　实验部分

　　1.1　试验设备

　　试验在MCF230型冲蚀腐蚀试验机(如图1所示)上进行.该试验机适用于在较高线速度下评价材料的抗冲蚀及气蚀复合磨损性能.试验机主要由转动试样盘和密闭介质容器(试验罐)组成.我们通过专门设计不同形状的转盘带动试样以不同转速相对于介质转动而形成不同的流场分布,介质中的气泡在适当场合溃灭消散,在某些位置形成气蚀;同时,介质中的沙粒也在流场中以不同的速度和方向对试样形成冲蚀作用.气蚀和冲蚀的复合效果实现了材料的三相流磨损.该试验机具有无极调速功能,并配有控制介质温度的附加制冷设备.控制仪表对介质温度、转数及循环次数进行实时显示.试验机的主要参数见表1.

　　所用转盘为超高分子量聚乙烯(UHMWPE)材料,其耐磨粒磨损性能极好,可加工性能良好,适用于水、沙、气三相流条件下的设备制作.所用沙粒为粒径约600μm的黄河沙,主要成分为石英砂,密度在1. 65×103~1. 7×103kg/m3之间.采用普通自来水加入试验沙作为试验介质,水和沙比例约为1. 7∶1(质量比).试样安装在试验转盘上,转盘转速1 200~1 500 r/min,试样上对应线速度18~22. 5 m/s,总试验周期800 min.试验环境温度22℃.每次试验90 min后停机1次,进行水冷,使试验介质温度到达室温后再继续试验,并保证试验中最高温度<75℃.试验结束后用JSM25610LV型扫描电子显微镜(SEM)观察磨损表面形貌.