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泵叶轮材料空蚀试验研究

邱宁  
【摘要】:泵等水力机械的设计需要考虑多方面的因素,由于叶片浸没于液体中,除需考虑材料的机械性能外,还需考虑热效应、空蚀、腐蚀作用等。空蚀的预防对设计者来说至关重要,但由于空泡的溃灭过程非常复杂,具有多相、微观、瞬态和随机的特点,相关的理论建模和试验研究往往十分复杂和困难,影响材料抗空蚀性能的因素也很多,空蚀的预测仍是一个难题。在机械工程领域运用流体动力学预测空蚀破坏的强度及空蚀发生的部位非常重要。近些年有许多研究估算空化流的空蚀能量及其对材料的破坏,并针对空蚀破坏机理进行了大量的试验研究,希望在设计中能可靠地预计一套水力设备在特定的现场条件下运行的空蚀率,并找到改进材料性能的方法,研制出具有优异抗空蚀性能的材料。本文进行了超声波振动空蚀试验,对金属材料和涂层材料的抗空蚀性能进行了研究,分析了材料自身因素对其抗空蚀性能的影响,将所有材料的空蚀数据进行了汇总,然后根据所选定的不同因素,如材料硬度,抗疲劳性能等进行分类,分析了各影响因素在材料抗空蚀性能中所占的比重。对空蚀后的试样表面形貌进行了观测,从微观层面分析其微硬度、金相组织和晶体结构的变化及其与材料抗空蚀性能之间的关系。进行了涂层的磨损试验,揭示了材料在不同类型冲击载荷作用下的抗破坏能力即承受空化载荷冲击和抗磨损的能力。结合实际工程应用案例,为实际工程应用中涂层材料的选择和制备提供了参考。在超声波振动产生空化的情况下,密集的小尺寸空泡在破裂过程中和壁面直接接触,破裂能释放高强度的脉冲压力,而在流动空化过程中较难实现大量空泡与壁面直接接触,水洞中水翼表面所承受的空化冲击强度比超声波振动空化的方法在量级要小得多。水翼空蚀和空化区的非定常脉动密切相关,结合压力脉动和噪声测量,借助高速摄像机观察了不同流速、空化数下的空化现象,分析了在不同流动条件下空化云破裂的位置及水翼的空蚀破坏形貌,分析了空化云结构与材料表面空蚀破坏之间的相互关系。空穴所蕴含的势能通过大尺寸旋涡释放,空化云破裂时释放的压力波,会引起一系列最终导致空蚀的空化行为。流动的整体性能主要由空化云的总体特性来决定,而空蚀基本上是由内部微小空泡的破裂引起的。得到了水翼表面不同位置点空化压力脉动的幅值和分布,根据对应位置空蚀点的分析,将空化压力脉动和空蚀试验结果很好的关联起来。从单一的噪声测量或材料空蚀分析上难以完全理解空蚀。压力脉动的测量、空蚀点的检测、噪声测量及高速摄像捕捉空化云的运动相互结合,从空泡动力学分析和材料测试两方面进行研究,可以更深入的分析空蚀。在给定的空化数下,当流速变化时,空蚀率及噪声都会有显著的变化。确定了在一定空化数、冲角和流速下空化云在水翼表面破裂的位置,为预测水力机械中空蚀破坏的位置和量级提供了依据。得到空化压力脉动及其空蚀能量的关系非常重要,提供了在实际空化条件下空蚀监测的方法和思路。


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