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水 利 学 报

２０２５ 年 １ 月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５６ 卷 第 １ 期

文章编号： ０５５９－９３５０（２０２５）０１－００９３－１３

冲击式水轮机喷射机构结构参数对泥沙磨损特性的影响机制

李琛玺 ， 李 方 ， 郭鹏程 ， 孙帅辉 ， 沈佩荣 １
１
１，２
１
１
（１． 西安理工大学 水利水电学院， 陕西 西安 ７１００４８；
２． 西安理工大学 西北旱区生态水利国家重点实验室， 陕西 西安 ７１００４８）
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。
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
中 图 分 类 号 ： Ｔ Ｋ ７ ３ ５ ｄｏｉ： １０．１３２４３∕ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２４０１５４
文献标识码： Ａ

１ 研究背景

水电是我国 “双碳” 战略背景下推进能源结构转型的主力军 ［１］ ， 我国西南地区水力资源开发潜力

巨大， 且以超高水头资源为主。 冲击式水轮机因具有应用水头高（２００～２０００ ｍ）、 适用流量范围广（１～
６０ ｍ ∕ｓ）和高效率工况范围宽等优点被广泛应用于高水头水电站 ［２］ 。 然而， 大多安装有冲击式水轮机
３
的电站位于山麓地区， 泥沙易经上游水库进入机组， 裹挟着泥沙的高速水流流经喷射机构后快速冲击
水斗， 导致过流部件严重磨损， 进而造成部件变形和效率显著降低 ［３］ 。 其中， 喷射机构作为冲击式水
轮机能量转换的核心部件， 过流速度高， 由于泥沙磨损过流部件而导致的机组效率损失可达 ２％ ～
［４－５］ 。 因此， 开展冲击式水轮机过流部件高速携沙水流磨损规律及影响因素研究， 一直是本领域的
５％
研究热点与重点。
早年， 国内外学者主要关注冲击式水轮机内部流动状态与不良流动规律。 随着对冲击式水轮机喷
射机构流动特性研究的不断深入， 喷射机构泥沙磨损特性的研究工作也逐步开展。 从 ２０１４ 年开始，
清华大学、 河海大学、 哈尔滨工业大学和四川大学等均开始研究磨损问题。 曾崇济等 ［４］ 先开展了冲击

收稿日期： ２０２４－０３－２１； 网络首发日期： ２０２４－０９－２５
网络首发地址： ｈｔｔｐｓ：∕∕ｌｉｎｋ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ∕ｕｒｌｉｄ∕１１．１８８２．ＴＶ．２０２４０９２４．０９０２．００１
基金项目： 国家自然科学基金青年项目（５２３０６０５１）； 国家自然科学基金面上项目（５２４７９０８７）； 中国博士后科学基金面上项目
（２０２２Ｍ７２２５６０）； 陕西省自然科学基础研究计划（２０２３－ＪＣ－ＱＮ－０４１２）
作者简介： 李琛玺（１９９３－）， 讲师， 主要从事流体机械内部流动机理及优化设计研究。 Ｅ－ｍａｉｌ： ｌｉｃｈｅｎｘｉ＠ｘａｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ
通信作者： 郭鹏程（１９７５－）， 教授， 主要从事流体机械优化设计与清洁能源高效利用研究。 Ｅ－ｍａｉｌ： ｇｕｏｙｉｃｈｅｎｇ＠ｘａｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ
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