Page 103 - 2025年第56卷第1期

强涡脱落区域的磨损。 此运动轨迹分析结论与图 ６ 特征一致， 喷嘴近喉部内侧以及导流板末端磨损
更严重。

图 １０ 喷嘴内不同截面的速度矢量 图 １１ 流场流线及泥沙颗粒轨迹线

图 １２ 泥沙颗粒在喷嘴内运动的停留时间 图 １３ 泥沙颗粒在喷嘴内运动示意图

以上结果表明喷射机构不同区域粒子的运动轨迹与流线不完全一致， 各分区的磨损分布特征显著
不同。 而为开展喷射机构的抗磨损设计， 必须分区探清喷射机构的关键结构参数对磨损特性的影响。

５ 喷射机构关键结构参数对磨损特性的影响机制

考虑到喷针过渡区域（ｚｏｎｅ３）、 喷针尖部（ｚｏｎｅ４）和喷嘴喉部（ｚｏｎｅ４）的磨损均较为严重， 且泥沙颗
粒在喷嘴收缩部位的运动规律复杂， 喷射机构结构变化导致泥沙颗粒对喷射机构的磨损特征影响规律
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尚不明晰。 因此， 针对冲击式水轮机喷射机构关键结构参数对磨损特性的影响机制开展研究。 原始 ４
喷嘴模型中喷针角度 α 为 ５０°， 喷嘴角度 β 为 ９０°， 喷针过渡段直径 ｈ 为 ０．０４ ｍ， 喷针直径 ｄ 为 ０．０５１６ ｍ，
喷嘴直径 Ｄ 为 ０．１０２ ｍ。 本文选择喷针过渡段直径 ｈ、 喷针角度 α 和喷嘴角度 β 三个参数开展研究。 在
建立喷射机构模型时， 确定喷针过渡段直径变化范围为 ０．０３ ～ ０．０６ ｍ， 其对应的喷针过渡直径与喷针
直径比值（无量纲数 ｄ′） 变化范围为 ０．５８ ～ １．１６，
在分析喷针过渡直径时， 喷嘴角度和喷针角度均
保持与原始模型尺寸一致。 喷针角度变化范围为
４５° ～６０°， 喷嘴角度变化范围为 ７５° ～９０°。 结构参
图 １４ 喷射机构几何示意图
数示意图如图 １４。
５．１ 喷针过渡直径对喷射机构磨损特性的影响 图 １５ 为不同喷针过渡段直径下喷嘴和喷针磨损云图。
由喷嘴的磨损率分布可知， 随着喷针过渡直径的不断增大， 喷嘴喉部收缩部位过流面积显著减小， 使
得泥沙颗粒在喷嘴喉部造成的片状磨损范围呈显著增大趋势。 而由喷针的磨损率分布可知， 喷针过渡
段直径的变化对过渡段和喷针尖部的磨损特征影响更为显著。 当喷针过渡段直径较小时， 过渡段呈现
片状磨损但磨损率值较低； 当喷针过渡段直径增加至 ０．０６ ｍｍ（１．１６ｄ）大于喷针直径时， 使得泥沙颗粒
部分聚集在过渡段导致该区域磨损程度显著增加。 同时， 喷针过渡段直径的增加也使得泥沙颗粒在喷

针尖部的磨损更加明显， 点状磨损更严重。

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