叶片微流边界层冲蚀与空蚀交互磨损机理研究

工程中普遍存在着流体机械的磨损问题，该问题也是国内外的研究热点。目前相关的研究主要是分别考虑冲蚀与空蚀磨损对设备失效的影响，而在实际工况中，流机叶轮的破坏大多数情况下是在冲蚀磨损和空蚀磨损的交互作用下引起的，本项目以水轮机磨损理论研究为背景，考虑猝发特性和流机叶片微流边界层冲蚀与空蚀交互作用，提出叶片磨损机理研究的新方法，通过叶片表面冲蚀与空蚀交互磨损主要影响因素、微流边界层中沙粒和空泡运动规律与力学特性、叶片表面冲蚀与空蚀交互作用下磨损量预估模型等方面进行研究，揭示叶片冲蚀与空蚀交互作用磨损机理，并提出水轮机的抗磨水力模型设计准则，为解决水轮机实际工况下普遍存在的磨损难题、完善其磨损理论体系、提高其运行效率，奠定理论基础。

针对流体机械存在的过流部件冲蚀与空蚀交互磨损的科学问题，应用摩擦学、流体动力学、流体机械、材料学、数值分析等理论以及模拟试验方法对流体机械的叶片三维流场进行了冲蚀与空蚀交互磨损主要影响因素、沙粒和空泡的运动规律及力学特性、磨损量预估模型和冲蚀与空蚀交互磨损机理等理论分析和试验研究。在模拟水轮机转轮工况条件下，针对A3、45#、HT200、40Cr四种常见材料在高速高压的试验转盘系统中的叶片冲蚀与空蚀交互磨损情况，数值分析了叶片表面沙、水、汽三相混合流体的动力学特性（三维压力场和三维速度场等），以及理论计算了水流速度、水流压力、冲蚀角度、空蚀源大小、空蚀源间距等主要因素对叶片微流边界层的压力分布、大小以及气泡分布、密度等的影响；并试验研究了上述水流速度、水流压力、冲蚀角度、空蚀源间距等因素对交互磨损的影响，并得到了各种材料在不同工况下的磨损失重曲线。结果表明：四种材料的耐磨性能从大到小依次为40Cr、45#、A3、HT200，交互磨损可以分为孕育期、上升期、稳定期、衰减期四个阶段，交互磨损主要发生区域分布在空蚀源附近，沿水流方向成抛物线分布，这是由于在这个地方有大的压力突变，空泡集中在此溃灭，在交互磨损下，材料会发生疲劳失效形成鱼鳞状磨痕，这是因为沙粒和空泡对材料表面反复作用，使得材料表层形成唇状疲劳剥落，通过SEM分析发现交互磨损磨痕大致沿水流方向成犁沟状，并且材料表层分布有夹杂着白色颗粒的蚀坑，犁沟方向与水流方向不完全一致，这是空泡和沙粒相互作用的结果，空泡溃灭产生的瞬时冲击和高温使材料表面形成了夹杂着白色氧化铁结晶颗粒的蚀坑。综合理论分析和试验研究结果得到：40Cr试件的冲蚀与空蚀交互磨损机理主要是疲劳损伤和塑性变形。在水流流过旋转转盘空蚀源时，产生了压力突变；空泡从空蚀源生成后迅速被主流带入高压区，溃灭的瞬间产生巨大的冲击和瞬时高温，在微射流的冲击下，材料各晶粒发生不同方向的不同程度上的塑性变形，从而造成晶界的开裂，形成鱼鳞状磨痕和针孔状蚀坑，并且在材料表面形成白色氧化铁结晶颗粒；试件表面的磨蚀坑又加剧了局部水流的紊乱，增加沙粒动能，使试件的疲劳破坏更严重，空蚀磨损与冲蚀磨损相互促进，使得流体机械的工况条件不断恶化。最后建立冲蚀与空蚀交互作用下磨损量的预估模型，并提出了缓蚀对策。