冲蚀与空蚀交互磨损三相流场仿真与试验研究

基于计算流体力学方法,数值研究在模拟水轮机工况下,冲蚀与空蚀交互作用时,试件表面上汽液固三相流场的动力学特性(压力场、速度场、汽相体积比分布),然后在转盘式磨损装置上,进行汽液固三相冲蚀与空蚀交互磨损试验,并对试件微观形貌进行分析。结果表明:数值分析得到试件表面最小和最大压力值、气泡速度最大值和汽相比例最大值均出现在空化孔附近,其他位置基本不变,说明空化孔附近交互磨损比单一空蚀磨损严重。就某一空化孔而言,顺着转盘旋转方向的孔边某一夹角展开区域汽相比例较大,并且出现最小和最大压力;从试件微观磨痕分析,其上存在短程犁沟和空蚀孔,磨痕呈现规律性。仿真的气泡轨迹和试件磨痕基本一致,数值计算结果和试验结果吻合得较好,从而证明了数值分析的正确性和合理性。上述数值仿真为揭示流体机械过流部件冲蚀与空蚀交互作用磨损机理奠定了基础。

多种材料的冲蚀与空蚀交互磨损试验装置的研制及应用

为研究流体机械过流部件磨蚀机理,研制了能够模拟流体机械实际工况条件下的转盘式磨损试验装置,该装置可以进行冲蚀或空蚀的单一磨损试验,也可进行冲蚀和空蚀的交互磨损试验。通过调整管路中水流的流量、压力和射流角度来控制试验工况。研究冲蚀角、试件材料、冲蚀速度、含沙量、沙粒粒径等参数对过流部件的磨蚀影响因素,分析试件表面磨痕的微观形貌,得到不同材料的过流部件磨蚀机理,并且试验结果有很好的重现性和可比性。

贯流风机结构参数优化组合研究

利用计算流体力学对叶片扭曲角为30°的贯流风机三维内部流场进行了数值模拟,并研究了各个结构参数(蜗壳间隙、蜗舌间隙、叶片内圆周角、叶片外圆周角、叶片数、叶轮内外径之比和叶片扭曲角)对贯流风机性能(出风口体积流率)的影响。采用正交试验设计方法,确定了上述7个结构参数的最优组合,并得到在定叶轮外径和转速下,结构参数最优组合为:蜗壳间隙εc为1 mm、蜗舌间隙εt为2 mm、叶片内圆周角α为90°、叶片外圆周角β为20°、叶片数n为30、叶轮内外径之比γ为0.75、叶片扭曲角θ为90°,优化后贯流风机出风口体积流率比优化前提高了25.2%。在贯流风机性能参数检测台上,试验测试了在定叶轮外径和不同叶轮转速下,优化后与优化前贯流风机出风口平均风速大小。试验结果表明优化后出风口平均风速比优化前增大了4.6%,试验结果和理论计算结果基本吻合。

流体机械叶轮常用材料冲蚀与空蚀交互磨损特性研究

模拟流体机械冲蚀与空蚀交互磨损工况,通过对比材料的绝对失重量与试验时间的变化曲线、24 h试验的磨痕演变规律以及SEM微观形貌,研究Q235、45#和40Cr钢及HT200铸铁4种叶轮常用金属材料的磨蚀特性。结果表明:在冲蚀与空蚀交互磨损下,材料的失重量与磨损时间接近正比;试件的磨痕沿水流方向,在空蚀孔两边呈彗星状分布;沙粒对Q235等塑性材料微切削过程中,动能转化为材料的塑性变形功,使材料产生塑性流动,形成犁沟状磨痕;对于脆性材料HT200,空泡溃灭和沙粒的冲击超过其弹塑性变形极限,使材料产生微裂纹、微体积疲劳剥落,形成蜂窝状蚀坑。相同硬度下,塑性材料耐交互磨蚀性能优于脆性材料。

水轮机过流部件磨蚀机理的研究

分析了水轮机过流部件磨蚀的特点，总结出过流部件的磨蚀主要是冲蚀磨损、气蚀破坏及它们的联合作用；决定冲蚀磨损的关键因素是材料的弹性模量，影响气蚀破坏的主要因素是材料的硬度；提出了提高过流部件抗磨蚀性能的方法。

考虑边界层的水泵叶片冲蚀磨损机理研究

分析了边界层对水泵叶片冲蚀磨损的影响,研究认为叶片表面的波纹状磨痕是紊流边界层猝发涡拟序结构的烙印。通过对边界层参数的计算推论磨痕波长和波深演变规律,提出了冲蚀磨损机理新的研究思路。

微/纳米复合涂层的抗冲蚀磨损性能

为了修复在冲蚀磨损环境下流体机械的过流部件,在分析过流部件冲蚀磨损机理的基础上,优选微/纳米颗粒填料对有机复合弹性涂层的黏性底层和抗冲蚀橡胶层进行优化设计,模拟现场工况利用转盘式磨损实验装置对涂覆该涂层的试件以及另外四种不同表面处理方法的试件进行耐冲蚀磨损性能实验,并采用失重法和扫描电镜(SEM)对冲蚀磨损结果进行了分析和对比。结果表明:经过35h的冲蚀磨损后,所研究的五种不同表面处理方法处理后的试件在冲蚀磨损过程中的质量变化规律相同,微/纳米复合涂层具有最佳的耐冲蚀磨损性能,基本没有失重,而用胎体粉涂覆的试件耐冲蚀磨损性能最差,说明该涂层能有效修复过流部件并提高过流部件的抗冲蚀磨损能力。

含沙量和沙粒粒径对QT500材料冲蚀磨损特性的影响

利用圆盘式磨蚀试验装置模拟流体机械工况条件,对QT500和45钢进行了冲蚀磨损试验,用失重法研究了材料在不同含沙量和沙粒粒径时的冲蚀磨损特性。对试样表面微观形貌进行了观察,探讨了材料的冲蚀磨损机理和损伤规律。研究表明：随含沙量的增加,材料的磨损率也增加,但不与含沙量的增加值成正比；随沙粒粒径的增大,磨损量亦增加。QT500的冲蚀磨损机理主要是脆性剥落和疲劳破坏。

离心泵叶轮材料HT200的空蚀磨损机理研究

在圆盘式磨蚀试验台上 ,对HT2 0 0和 4 5 #碳钢进行了模拟实际工况条件下的空蚀磨蚀实验 ,用失重法评价了两种金属材料的抗空蚀磨损性能 ,并用扫描电镜观察了空蚀试件表面形貌 ,试验结果表明 :4 5 #碳钢的抗空蚀性能远要比HT2 0 0灰铁好 ;空蚀的本质是由微射流对试件表面的冲击而产生的低周疲劳过程 ;从摩擦学设计的角度考虑 ,4 5 #碳钢和灰铸铁HT2 0

Ekonol PTFE 石墨自润滑复合材料的正交设计研究

采用正交设计方法， 研究了Ｅｋｏｎｏｌ （ 聚苯酯） － ＰＴＦＥ （ 聚四氟乙烯） － 石墨自润滑复合材料的Ｅｋｏｎｏｌ 含量、成型压力和降温速度， 以及各因素之间交互作用对该复合材料的磨损量影响， 找出了较为理想的含量及制备工艺； 减少了重复试验次数， 得到了性能优良的能满足泵的工况条件的密封填料材料．

冲蚀速度对40Cr材料抗冲蚀性能影响的研究

对40Cr及对比材料45#钢进行冲蚀磨损模拟现场试验,研究了冲蚀速度对冲蚀磨损的影响规律,结合微流边界层理论,分析了冲蚀速度对冲蚀磨损量的影响,推导了冲蚀速度与磨损量的数学关系式。结果表明:冲蚀速度U与磨损量W呈指数关系,随着U地增大,W也相应地增加,40Cr材料对应的指数n是2.3。

40Cr冲蚀与空蚀交互磨损试验研究

对40Cr进行模拟化工泵叶轮流道内工况条件下的冲蚀与空蚀交互磨损试验,分析40Cr材料的抗交互磨损性能和冲蚀与空蚀交互磨损试件表面磨痕。结果表明:40Cr的冲蚀与空蚀交互磨损失重曲线分为孕育期、上升期、衰减期和稳定期。在孕育期中,材料失重量很小;在上升期中,材料的冲蚀与空蚀交互磨损失重量增加。40Cr材料的交互磨损特性是以微切削、犁削和脆性剥落为主,同时存在针眼和剥落坑。40Cr试样表面的冲蚀沟槽和空蚀坑主要沿水流线速度矢量的方向,但也存在一些与线速度成一定夹角的摩擦痕迹或沟槽,说明影响冲蚀与空蚀交互磨损的因素不仅是水流速度,还与沙粒运动轨迹、水流方向及冲蚀角度等有关。

基于流体机械工况的冲蚀磨损特性研究

在圆盘式磨蚀试验台上,对流体机械常用材料HT200、45与40Cr钢进行了模拟实际工况的冲蚀磨蚀试验,研究了试验材料的表面失效规律及微观破坏机理。结果表明:冲蚀分为跑合期、稳定期和上升期三个阶段。灰铁HT200的冲蚀磨损以脆性断裂为主;45钢的冲蚀磨损是以切削磨损为主;40Cr是以犁沟剥落为主。

耐磨胶粘涂层的微观热应力分析

按球对称模型分别分析了胶层基体及填充粒子中的微观热应力，同时对经历了不同温差循环的胶层进行了显微观察。取粒子中心为坐标原点时，研究表明，两相材料中各相热应力均在界面达到最大值，降温温差△t1在45℃左右就会引起界面附近胶层开裂。升温会使界面附近胶层屈服，计算出屈服升温温差△t2＝88℃。

不同条件下Al_2O_3基陶瓷材料的摩擦磨损性能研究

本文对Al2 O3基陶瓷材料 /4 5 #钢摩擦副的摩擦系数与 45 #钢 /4 5 #钢的摩擦系数作了对比滑动摩擦试验研究 ,观测分析了Al2 O3基陶瓷材料磨痕形貌 ,并就干摩擦、油润滑状态下Al2 O3基陶瓷材料的磨损机理进行了分析。结果表明 :分别在干摩擦和 2 0 #机油润滑下 ,Al2 O3基陶瓷材料 /4 5 #钢的摩擦系数均比 45 #钢自配副时的低。在干摩擦条件下 ,Al2 O3基陶瓷材料的磨损机理是脆性微剥落和磨粒磨损 ,油润滑条件下 ,该材料的磨损机理是脆性脱落和耕犁 ,但磨损量小于干摩擦条件下的磨损量 ,说明油润滑对Al2 O3基陶瓷材料有明显的减磨作用。

WC加入量对Ni60自熔合金喷焊层冲蚀磨损特性的影响

在转盘式磨蚀试验台上,对Ni60+25%WC和Ni60+35%WC涂层进行了冲蚀磨损试验,结果表明:在加入量25%～35%范围内,WC加入量的变化对涂层的耐冲蚀性能的影响不大,两种涂层的冲蚀磨损机理主要是微切削。

三牙轮钻头材料Ni65的冲蚀磨损机制研究

针对三牙轮钻头流道内实际工况,研究了钻头材料N i65和对比材料N i67和N i60+35%WC的冲蚀磨损特性。结果表明:N i65和N i67的冲蚀磨损阶段分为跑合期和稳定期,N i65磨损机制主要是微切削,而N i67的磨损机制主要是疲劳损伤和微切削;而N i60+30%WC的冲蚀磨损阶段为跑合期与周期性的稳定磨损和严重磨损期,其磨损机制主要是硬质点的脱落和疲劳点蚀。在试验过程中均伴有空蚀磨损。

润滑条件对Al_2O_3基陶瓷材料摩擦磨损性能的影响

本文对Al2O3基陶瓷材料/45＃钢摩擦副的摩擦系数与45＃钢/45＃钢的摩擦系数作了对比滑动摩擦试验研究,观测分析了Al2O3基陶瓷材料磨痕形貌,并就干摩擦,油润滑状态下Al2O3基陶瓷材料的磨损机理进行了分析。结果表明,分别在干摩擦和20＃机油润滑下,Al2O3基陶瓷材料/45＃钢的摩擦系数均比45＃钢自配副时的低。在干摩擦条件下,Al2O3基陶瓷材料的磨损机理是脆性微剥落和磨粒磨损,油润滑条件下,该材料的磨损机理是脆性脱落和耕犁,但磨损量小于干摩擦条件下的磨损量,说明油润滑对Al2O3基陶瓷材料有明显的减磨作用。

旋转式泵类填料密封的动态设计研究

对离心泵填料的受力进行了理论分析，经过实验找到了影响泄漏量的因素，如压紧力、填料摩擦系数、初始间隙、密封环长度等。通过对填料环的动态设计，用ＰＴＥＥ———聚苯酯（Ｅｋｏｎｏｌ）———石墨自润滑复合材料做离心泵的填料。测试表明，泵的性能明显地好于使用石棉填料。

有机复合弹性涂层材料的抗磨蚀试验研究

在圆盘式磨蚀试验台上,对一种修复保护磨蚀区的有机复合弹性涂层和化工泵叶轮的基材(13CrNi4)进行抗磨蚀性能对比试验,用磨蚀深度评价了两种材料的抗磨蚀性能,通过对比测试分析,研究其单位磨损率与水流速度的关系和比较它们的抗磨蚀性能.并用扫描电镜观察了磨蚀形貌,试验结果表明,涂层抗磨蚀性能大于13CrNi4基材.图4,表2,参6.