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梯度功能陶瓷水煤浆喷嘴的损坏机理研究

贺立明  
【摘要】:喷嘴是水煤浆燃烧器中的关键部件之一。本文通过对梯度功能陶瓷水煤浆喷嘴内部流场的压力场、速度场、浓度场以及喷嘴的温度场、热应力场和磨损表面的研究,探讨了梯度功能陶瓷水煤浆喷嘴的损坏机理。 采用多相流和计算流体动力学理论,对陶瓷水煤浆喷嘴内部流场进行了数值模拟。结果表明:喷嘴内部流场的压力由入口到出口沿轴线逐渐变小,其中喷嘴入口拐角处的压力最大。水煤浆和硬质粒子在流场内作加速运动,两者在喷嘴出口端面的径向速度呈抛物线分布,其中孔中心速度最大。硬质粒子在喷嘴入口处的浓度最高,其中直角喷嘴的最高浓度要高于圆角喷嘴。 采用有限元法对梯度功能陶瓷水煤浆喷嘴进行了热分析。结果表明:喷嘴出口端面径向温度呈抛物线状分布,其中内孔温度较低,外圆温度较高;出口端面的径向热应力由内孔到外圆,先由大变小,后又逐渐增大。喷嘴最大的温度梯度和热应力出现在喷嘴出口处,而梯度陶瓷喷嘴的最大热应力较均质陶瓷喷嘴要小。 对梯度功能陶瓷水煤浆喷嘴进行了磨损实验,采用扫描电镜观察喷嘴磨损后的表面形貌,探讨了梯度功能陶瓷水煤浆喷嘴的损坏机理。结果表明:硬质粒子的冲蚀是造成喷嘴入口部位损坏的主要原因,而出口部位较大的温度梯度和热应力则是引起该部位发生热冲击损伤的主要原因。喷嘴不同部位呈现出不同的表面特征,表现出不同的损坏机理;其中入口部位存在许多蚀坑,损坏机理主要表现为脆性断裂;中间部位表面光滑,损坏机理表现为研磨损伤;出口部位出现明显的裂纹和晶粒脱落,损坏机理表现为热裂、热崩等热冲击损伤。梯度功能陶瓷水煤浆喷嘴制备中形成的残余压应力能有效缓解工作时产生的热应力,其抗热冲蚀性能较均质陶瓷喷嘴有明显提高。


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