Page 108 - 2025年第56卷第1期

对于喷嘴喉部， 当喷嘴角度从 ７５°增加到 ９０°时， 喷嘴喉部收缩更快， 且出口过流面积减小， 使得泥沙
颗粒在喷嘴喉部磨损范围明显增大， 其平均磨损率减小约 ２０．５％， 但其最大磨损率增加约 ２７．５％。
图 ２８ 开展了喷嘴角度变化对喷射机构水力性能
的影响。 随着喷嘴角度的不断增大， 射流经过喷嘴
喉部的过流断面面积明显减小， 喷射机构出口射流
速度增大， 压降减小； 当喷嘴角度为 ７５°时， 压降和
空气域出口射流速度较原始模型相对变化最大， 分
别减少 ３６．７６％和增加 ８．９８％。 即增大喷嘴角度有利
于改善喷针过渡段和喷嘴的磨损程度， 且同时会提

高出口射流速度。
综上， 三个关键结构参数中， 喷针角度对喷射
机构的磨损特性影响最为显著， 且其对磨损性能与

水力性能的影响存在互抑性。 因此， 在设计范围内，
设计较大的喷针角度， 配合较大的喷嘴角度与较小 图 ２８ 喷嘴角度对喷射机构流动特性影响

的喷针过渡段直径， 并兼顾水力性能的要求， 可减小喷针的高磨损区与喷射机构的磨损范围。

６ 结论

为厘清冲击式水轮机喷射机构的磨损特性， 破除以喷射机构为整体单一评估平均磨损率的局限，
本文划分喷射机构区域， 结合颗粒轨迹详细研究不同分区的磨损特性及形成机理， 并探清了关键结构

参数（喷嘴角度、 喷针角度及喷针过渡段直径）对不同分区磨损特性的影响机制。 具体的结论如下：
（１）喷射机构不同区域的磨损率分布特征不同， 喷嘴喉部以片状磨损分布为主， 而喷针以点状分
布为主， 高磨损点出现在喷嘴喉部、 喷针过渡区及喷针针尖。 其原因在于小泥沙颗粒粒径下颗粒随流
性好， 被在喷嘴内侧发展的迪恩涡对裹挟并聚集在喷嘴内侧。 导流板末端的涡脱落使得泥沙颗粒在导
流板末端停留时间更长， 从而增强涡脱落区域的磨损， 即喷嘴喉部内侧出现更大范围的磨损。
（２）喷针过渡段直径的增大对喷嘴喉部的磨损率影响较弱， 但对喷针的磨损率呈非线性的显著影
响。 当过渡段直径从 ０．５８ｄ 增大至 ０．９７ｄ 时， 喷针整体结构更加光顺， 颗粒滑移速度增加进而加剧对
壁面的滑擦磨损， 故喷针尖部的磨损范围增加， 平均磨损率增加了 ９ 倍； 当过渡段直径继续增加至
１．１６ｄ 大于喷针直径时， 过渡段呈凸起结构导致颗粒部分聚集发生碰撞， 故过渡段的高磨损区增大。
（３）喷针角度变化对喷嘴喉部和喷针尖部磨损均影响显著， 而喷嘴角度则主要影响喷针的过渡段
和尖部。 喷针角度从 ４５°增加到 ６０°， 喷嘴出口过流面积增大， 且喷针尖部速度亏损现象更加明显， 导
致喷嘴出口处挟沙水流流速减小， 减轻了颗粒在喷嘴喉部和针尖处的碰撞， 二者的平均磨损率也分别
减小 ８１．５６％和 ９４．１７％。 对于喷嘴角度， 从 ７５°增加到 ９０°， 则导致喉部收缩， 可抑制颗粒对喷针过渡
段的平均磨损程度， 但靠近针尖处高磨损点仍未消失。
（４）喷射机构关键结构参数对喷嘴和喷针不同区域的磨损性能影响机制不同， 其中喷针角度的影
响最为显著， 且其对磨损性能与水力性能的影响存在互抑性。 因此， 开展冲击式水轮机喷射机构抗磨
损设计时， 在设计范围内应选择较大的喷针角度， 配合较大的喷嘴角度与较小的喷针过渡段直径， 并
兼顾喷射机构水力性能的要求， 一定程度上可改善喷针尖部的高磨损区与减小喷射机构的磨损范围，
同时保障机组的高效安全运行。

参 考 文 献：

［ １ ］ ＥＲＤＩＷＡＮＳＹＡＨ， ＭＡＨＩＤＩＮ， ＨＵＳＩＮ Ｈ， ｅｔ ａｌ． Ａ ｃｒｉｔｉｃａｌ ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｒｅｎｅｗａｂｌｅ ｅｎｅｒｇｙ ｓｏｕｒｃｅｓ
ｗｉｔｈ ｖａｒｉｏｕｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ［Ｊ］． Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ Ｍｏｄｅｒｎ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ， ２０２１， ６（１）： １－１８．
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