泵空化理論精品課件

1、泵空化理論第1頁，共33頁，2022年，5月20日，10點42分，星期四目 錄1、空化現(xiàn)象2、空化空蝕機理3、材料空化抵抗4、不銹鋼的空化空蝕磨損研究第2頁，共33頁，2022年，5月20日，10點42分，星期四1、空化現(xiàn)象 空化現(xiàn)象 這是一種流體力學現(xiàn)象。 臨界壓力把給定溫度下，液體開始汽化的壓力叫做臨界壓力。（在不同溫度下，液體的臨界壓力是不同的）。 注意：當液體溫度一定，而壓力降低到相應的臨界壓力時，也會出現(xiàn)汽化現(xiàn)象，同時溶解于液體中的氣體析出，形成空泡（空穴）。第3頁，共33頁，2022年，5月20日，10點42分，星期四 在某個溫度下，壓力低到某一值時，液體發(fā)生汽化，此壓力稱為該溫度

2、下的汽化壓力，一般用pv表示。液體流動過程中，如果某一部位的壓力低于某一臨界壓力（一般情況，該臨界壓力與水的汽化壓力接近）時，溶解于水的氣體逸出，形成空泡（空穴），當空泡隨水流運動到壓力較高的地方時，空泡迅速凝結而潰滅。第4頁，共33頁，2022年，5月20日，10點42分，星期四 空化：隨著壓力變化，液流中出現(xiàn)空泡狀態(tài)（初生、發(fā)展、潰滅）及產生一系列物理化學變化稱作空化（空穴）。 空蝕：指當空泡的潰滅過程發(fā)生于固壁表面，而使材料破壞，即由空化引起的材料破壞（侵蝕）。 空泡的產生與發(fā)展取決于液體的狀態(tài)（溫度和壓力）以及液體本身的物理性質（所含雜質量及所溶解的氣體等）。 第5頁，共33頁，202

3、2年，5月20日，10點42分，星期四空化空泡空化空泡第6頁，共33頁，2022年，5月20日，10點42分，星期四 2、空化空蝕機理2.1 空化空蝕破壞的四種理論2.2 空化空蝕危害2.3 空化空蝕防護第7頁，共33頁，2022年，5月20日，10點42分，星期四2.1、空化空蝕破壞的四種理論 機械作用 在過流表面的某處，隨著液流不斷流過，空泡不斷形成潰滅壓縮和膨脹，將產生很高的沖擊壓力。通過高速攝影的圓盤實驗觀察到，汽泡凝結時間約萬分之一秒，水錘壓力可以達到幾百個甚至幾千個大氣壓，對邊壁材料造成破壞。 化學作用 當空泡被壓縮時，由于體積突然縮小，溫度要升高放出熱量；同時水錘壓力對金屬表面的

4、沖擊也要產生局部高溫。當空泡凝結時，局部溫度可達到300C左右，所以在這種高溫、高壓作用下，又促使了空蝕對金屬表面的氧化，這就是化學作用。第8頁，共33頁，2022年，5月20日，10點42分，星期四電化作用 氣泡在高溫高壓作用下產生放電現(xiàn)象，這就是電化作用。因為金屬表面被高壓液流反復沖擊的部位會產生很大熱量，溫度升高，形成熱端，將會與鄰近點的非沖擊部位(冷端) 構成一個熱電耦，在熱電耦的回路中產生電勢，使金屬內部有電流通過，也產生電化腐蝕(電解作用)，致金屬表面變暗變毛，加速機械破壞作用。 微射流理論 空泡在潰滅過程中還會產生高速的微射流束，產生很強的沖擊力，對材料表面產生破壞作用。第9頁，

5、共33頁，2022年，5月20日，10點42分，星期四 空化與空蝕對水力機械性能的影響對性能產生影響，主要表現(xiàn)為四個方面： 1、破壞過流表面 2、機器能量特性發(fā)生 3、引起振動和噪聲 4、使機組檢修頻繁 2.2、空化空蝕危害第10頁，共33頁，2022年，5月20日，10點42分，星期四葉輪由于汽蝕而破壞HQH-Q曲線泵性能下降第11頁，共33頁，2022年，5月20日，10點42分，星期四空化與空蝕的防護措施對已經設計完成的水力機械，主要是現(xiàn)行轉輪（葉輪）系列提高加工制造精度選用抗空蝕性能的材料和保護涂層合理選擇運行范圍：避開空蝕嚴重區(qū)域合理選擇安裝高度對水輪機，向空蝕區(qū)補氣2.3、空化空蝕

6、防護及改善措施第12頁，共33頁，2022年，5月20日，10點42分，星期四空化與空蝕性能的改善措施 設計1、合理確定葉輪低壓側的幾何尺寸2、加大下環(huán)半徑、低壓邊位置前伸3、采用雙吸葉輪4、采用誘導輪第13頁，共33頁，2022年，5月20日，10點42分，星期四 制造1、提高加工精度和表面光潔度2、采用耐空蝕破壞的材料3、表面處理提高材料耐空蝕性能 安裝合理確定吸出（入）高度第14頁，共33頁，2022年，5月20日，10點42分，星期四 運行適當限制運行工況 維修1、采用耐空蝕材料補焊2、表面噴、涂耐空蝕材料第15頁，共33頁，2022年，5月20日，10點42分，星期四3、材料空化抵抗

7、3.1 空化抵抗CR及描述參數(shù)3.2 材料侵蝕實驗3.3 不同HCI作用下材料的CR反應3.4 空化抵抗CR的影響因數(shù)第16頁，共33頁，2022年，5月20日，10點42分，星期四3.1、空化抵抗CR及描述參數(shù)硬度H極限彈力UR材料抗空化疲勞強度FS第17頁，共33頁，2022年，5月20日，10點42分，星期四 3.2、材料侵蝕實驗材料空化侵蝕的測量是通過將標準式樣放置在超聲振動設備、磁激振蕩器、滴水侵蝕設備、文吐里噴嘴或者射流空化等空化實驗裝置中進行。實驗表明隨著空化侵蝕時間增加，材料質量損失增加ER-t曲線：孕育期、積累區(qū)、緩和區(qū)、穩(wěn)定區(qū)。 根據(jù)ER的性質，可以看出1/ER作為材料的空

8、化抵抗實際上也不確定。第18頁，共33頁，2022年，5月20日，10點42分，星期四3.3、不同HCI作用下材料的CR反應各種材料都有一種空化液力強度HCI閥值，低于該值時則 不會有空化侵蝕發(fā)生。通常，采用在同一空化液力強度作用下兩種材料的侵蝕比率PER的比值來衡量兩種材料的空化抵抗等級。對于侵蝕初生，只有得到絕對空化液力強度HCT和空化狀態(tài)下的疲勞強度才能確定。第19頁，共33頁，2022年，5月20日，10點42分，星期四3.4、空化抵抗CR的影響因數(shù)材料機械性能的影響 微觀組織的的影響 涂層的影響第20頁，共33頁，2022年，5月20日，10點42分，星期四4、典型材料的空化空蝕磨損

9、研究4.1 精剖不銹鋼空蝕破壞的微觀形貌4.2 不銹鋼空蝕發(fā)生的微觀過程4.3 不銹鋼空蝕破壞過程中的精細結構結構變化4.4 小結第21頁，共33頁，2022年，5月20日，10點42分，星期四OCr18Ni9奧氏體不銹鋼進行空蝕實驗，對空蝕微區(qū)進行連續(xù)的光學顯微鏡跟蹤觀察，得到空蝕過程的大量數(shù)據(jù)，并從中尋找空蝕規(guī)律第22頁，共33頁，2022年，5月20日，10點42分，星期四不銹鋼空蝕破壞的典型微觀形貌不銹鋼空蝕破壞的典型SEM形貌不銹鋼空蝕破壞的典型剖面形貌4.1、 精剖不銹鋼空蝕破壞的微觀形貌第23頁，共33頁，2022年，5月20日，10點42分，星期四 不銹鋼在經歷240min分鐘

10、的空蝕后，可以明顯看到滑移帶的存在，原本比較直的滑移帶劃痕略微變彎，表面脫略和塑形變形已經非常嚴重，某些區(qū)域進入即將大面積破壞，進入明顯空蝕失重階段。不銹鋼空蝕破壞的典型微觀形貌空蝕240min第24頁，共33頁，2022年，5月20日，10點42分，星期四不銹鋼空蝕破壞的典型SEM形貌 材料表面因發(fā)生局部的塑形變形而變得扭曲，晶粒之間發(fā)生明顯的相互錯動，局部出現(xiàn)條狀的滑移帶，滑移比較嚴重的區(qū)域出現(xiàn)裂紋，進而產生局部的脫落。空蝕240min第25頁，共33頁，2022年，5月20日，10點42分，星期四不銹鋼空蝕破壞的典型剖面形貌 裂紋由表面萌生并向材料內部擴展，而后裂紋相互交接，局部脫落形成

11、凹坑。脫落處缺陷較為集中，易萌生新的裂紋，新的裂紋和原有的裂紋疊加，繼續(xù)向橫向和縱向兩個方向擴展，形成新的脫落。空蝕240min第26頁，共33頁，2022年，5月20日，10點42分，星期四 4.2、不銹鋼空蝕發(fā)生的微觀過程 拋光后的試樣表面，表面較為平整，無亮點，如圖 (a)所示。 空蝕10min時，表面出現(xiàn)散布的亮點，表明空蝕凹坑出現(xiàn)，如圖 (b)所示。 當空蝕進行到30min時，在大量空蝕氣泡的充分作用下，表面各部分均發(fā)生不同程度的塑性變形，空蝕坑擴展，部分晶界顯現(xiàn)，隨著時間的推移，塑性變形程度越來越嚴重，塑性變形的不斷發(fā)生使晶界更加突出，如圖 (c)所示 。 空蝕90min時，因表面

12、局部缺陷存在而產生的少量脫落，如圖 (d)所示。第27頁，共33頁，2022年，5月20日，10點42分，星期四不銹鋼空蝕過程光學顯微鏡圖第28頁，共33頁，2022年，5月20日，10點42分，星期四 空蝕產生的材料內部應力可以由塑性變形或斷裂來釋放，因此，可以用空蝕加載時抗塑性變形的能力(1/Wpd)結合空蝕加載時表面層相關的應力強度和空蝕產生的加工硬化深度來描述了材料在空蝕初期塑性變形階段的抗空蝕性能。第29頁，共33頁，2022年，5月20日，10點42分，星期四 當空蝕達到一定的時間后，由于塑性變形達到一定的程度，空蝕坑明顯擴大，材料表面的硬化程度也越來越高，隨著時間的推移，塑性變形

13、越來越困難。當達到一定的程度，很難再發(fā)生塑性變形，此時，材料內部裂紋開始擴展，在空化氣泡沖擊下，很容易使表面產生局部的破壞，造成空蝕磨損的發(fā)生。第30頁，共33頁，2022年，5月20日，10點42分，星期四4.3、不銹鋼空蝕破壞過程中的精細結構結構變化 從下圖所示的原子力顯微鏡掃(10mx10mx10m)中可以看出，經過此時間的空蝕后原有的深淺一致的劃痕彎曲，說明材料發(fā)生了明顯的微觀塑性變形，從圖中可以看出塑性變形后形成深淺不一、最深大于 0.1m的凹坑和起伏，從三維立體圖上可以看出某些區(qū)域在氣泡的反復作用下空蝕凹坑疊加并擴展，材料微觀表面的粗糙度明顯變大。第31頁，共33頁，2022年，5月20日，10點42分，星期四不銹