《高速水流對水力機械的影響研究綜述（5500字）》

高速水流對水力機械的影響研究綜述摘要:高速水流會產(chǎn)生空蝕并對水力機械造成磨損，嚴重影響了水力機械的使用壽命和工作效率。所以該文主要從空蝕和磨蝕兩方面來闡述高速水流對水力機械的影響，并對我國水力機械抗腐蝕技術(shù)加以分析,希望有助于水力機械抗腐蝕水平的提高。關(guān)鍵詞:高速水流,水力機械,空蝕,磨蝕,影響1.空化現(xiàn)象及空蝕破壞液體和水力機械發(fā)生的獨有的反應(yīng)以及它們相互的物理過程被稱之為空蝕，他有強大的破壞力能夠?qū)λC械造成巨大的影響以至于會對機械設(shè)施產(chǎn)生巨大影響。空蝕是一種特有的物理過程和現(xiàn)象，它會破壞水機過流部件材料，影響水力機械的各種性能指標?？瘴g在現(xiàn)代高速流體系統(tǒng)的設(shè)計和操作中一直是公認的一個主要的問題，如渦輪機、流量控制閥、高速攪拌系統(tǒng)、高頻超聲波設(shè)備、快速核反應(yīng)堆等。因此，國內(nèi)外學者一直致力于尋找一種實用的方法來精確地闡述侵蝕機制和預(yù)測侵蝕速率。最早在十八世紀五十年代，歐拉在水輪機理論中發(fā)現(xiàn)低壓的水流會產(chǎn)生空化現(xiàn)象，之后學者們開始了對空化的研究。一百多年后，通過局部收縮管實驗，雷諾發(fā)現(xiàn)了水流在低壓區(qū)的空化現(xiàn)象。同時，在1895年用蒸汽輪機驅(qū)動螺旋槳時發(fā)現(xiàn)了流體機械中的空蝕問題。到1912年，歐洲國家相繼發(fā)現(xiàn)了水輪機材料受空蝕侵蝕的現(xiàn)象。到十九世紀二十年代，Rayleigh通過實驗研究了流體空泡的潰滅壓力相關(guān)內(nèi)容，發(fā)現(xiàn)其運動規(guī)律，提出了液體中自由空泡運動方程，實現(xiàn)了對液體空泡的運動過程的理論解釋。而被譽為空泡動力學基礎(chǔ)的Rayleigh-Plesset方程是Plesset在Rayleigh的基礎(chǔ)上進一步推導(dǎo)出來的。從而完善了空泡動力學理論?？瘴g破壞機理相當復(fù)雜，隨著對氣蝕多年的試驗及理論研究，科研人員對空蝕行為對金屬材料的破壞提出了多種理論，較為普遍的有四種：機械作用、熱作用、化學腐蝕作用以及電化學作用。1.1機械作用論大多數(shù)學者認為空蝕破壞的主要原因是機械作用導(dǎo)致的，其破壞機制有兩點：一種是微射流理論及破壞是由空泡潰滅產(chǎn)生的微射流引起的；另一種是沖擊波理論及破壞是由從空泡潰滅的核心輻射出來的沖擊波壓力而引起的沖擊破壞。微射流理論認為，“液體中的空泡在水壓下沿主流區(qū)由空泡邊壁向中央凹陷，周圍的水流繼續(xù)向凹陷部分擠壓，最終使空泡沿凹陷部分貫穿整個空泡?？张莸倪@種受高壓潰滅是非對稱的，所以會導(dǎo)致空泡附近的流場動量不均勻，沿空泡凹陷方向加速了水流的沖擊速度”。當然，影響其沖擊作用的因素有很多，其中流體中空泡潰滅的位置以及空泡的直徑是決定因素。沖擊的強弱也會影響材料表面的破壞特征，較弱的微射流沖擊會反復(fù)作用于材料壁面，從而使其產(chǎn)生疲勞裂紋，氣泡潰滅產(chǎn)生的沖擊可以直接破壞材料表面。而與微射流作用論不同的是，沖擊波理論是空泡產(chǎn)生潰滅壓力以沖擊波的形式以球狀輻射傳播。Knapp等發(fā)現(xiàn)空泡在一系列壓縮回彈過程中，由于泡內(nèi)氣體的可壓縮性，空泡體積會被逐漸壓縮到臨界值，這時空泡內(nèi)的壓力會超過外界壓力，潰滅時產(chǎn)生巨大的潰滅壓強，對周圍的流體介質(zhì)產(chǎn)生強烈的壓力沖擊波，以球狀輻射波的形式向四周膨脹，沖擊波的強度隨膨脹速度增大而增大。如空泡在材料邊壁附近潰滅，沖擊波將會連續(xù)不斷的沖擊邊壁，使邊壁材料由于受到疲勞破壞而發(fā)生塑性變形。1.2電化學作用機制Petracchi最早在1971年提出電化學作用機制，他通過研究發(fā)現(xiàn)材料發(fā)生電化學反應(yīng)和空化現(xiàn)象幾乎同時產(chǎn)生，兩者共同導(dǎo)致材料的破壞。金屬材料在發(fā)生空化現(xiàn)象時，空泡潰滅作用在某一微小區(qū)域，該區(qū)域溫度升高使其與周圍低溫區(qū)域形成很大的內(nèi)能差，這就產(chǎn)生了電化學不均勻性，這種差異使得金屬晶粒中形成熱電偶，從而引起熱電效應(yīng)?？张莸奈⑸淞骱蜎_擊波作用促進了這種電偶作用，使其可以繼續(xù)作用于材料表面，兩者相互促進，破壞金屬材料的表面層，從而加速了材料表面破壞。張秀麗等驗證了材料在空化破壞過程中電化學作用對空化的影響，他認為電化學作用與機械作用相互耦合，比起兩者對材料表面的單獨作用，其共同作用產(chǎn)生的破壞要更嚴重得多。1.3化學腐蝕作用機制該理論認為，“金屬材料在酸性或堿性流體中發(fā)生空化時，空泡在材料邊壁潰滅所產(chǎn)生的沖擊波使材料表面的保護膜破壞，導(dǎo)致腐蝕性介質(zhì)直接作用于材料基體發(fā)生腐蝕，而大量的空泡潰滅反復(fù)作用于材料表面，最終使得材料腐蝕嚴重”。在絕大多數(shù)空蝕現(xiàn)象中，不僅僅是化學作用或者機械作用單獨發(fā)生的，兩者同時發(fā)生，相輔相成。其聯(lián)合作用所造成的破壞比兩者單獨作用產(chǎn)生的破壞嚴重。1.4熱作用空蝕機制熱作用機制認為金屬材料發(fā)生空蝕破壞過程中，由于空泡潰滅作用在材料表面時，會極短時間內(nèi)產(chǎn)生的瞬時高溫，使材料表面產(chǎn)生局部高溫導(dǎo)致的材料局部強度降低而產(chǎn)生的破壞。由沖擊波理論可知空泡會在很大壓差下潰滅，這是空泡能量瞬時轉(zhuǎn)化為熱能，會使氣泡內(nèi)溫度突然提升到上千攝氏度。這時空泡在材料邊壁潰滅時，泡內(nèi)的高溫氣體接觸到材料表層，在短時間內(nèi)將材料氧化破壞。大量實驗研究發(fā)現(xiàn)熱作用破壞必須要將氣體的熱能直接作用到材料表面才能發(fā)生高溫破壞，而在實際工況中，流體的粘性底層會將潰滅的高溫氣體與材料表面隔開，不會直接導(dǎo)致材料的嚴重破壞，因此熱作用不是造成空蝕破壞的主要原因。2.沖蝕磨損沖蝕磨損是指伴隨流體進入流體機械流道的硬質(zhì)顆粒作用在材料表面使其發(fā)生磨損破壞的現(xiàn)象。根據(jù)不同流體介質(zhì)以及不同硬質(zhì)顆粒成分的組合，沖蝕磨損可以分為噴砂沖蝕、雨滴沖蝕、泥漿沖蝕等。水力機械的沖蝕磨損主要為泥漿沖蝕。含有泥沙等固相顆粒的流體流經(jīng)過流部件時，由于泥沙顆粒的相互碰撞加劇了水流的紊亂，會以更好的角度對過流表面碰撞和切削，致使過流表面發(fā)生塑性變形，最終材料由于疲勞磨損而剝落，沿流體流動方向形成深淺不一的劃痕，嚴重時會在材料表面形成魚鱗坑或波紋狀的典型破壞輪廓。泥漿磨損的研究主要集中在泥沙顆粒的形狀、大小、濃度、硬度以及運行工況等對磨損破壞的影響，主要的研究方法有數(shù)值模擬研究和實驗研究。Finnie于二十世紀五十年代最早提出沖蝕磨損計算模型，他提出沖蝕磨損的微切削理論即固相顆粒掃過過流部件表面時，由于固體顆粒的切削作用致使材料剝落的現(xiàn)象。若干年后，在Finnie的理論基礎(chǔ)上，Bitter綜合考慮了沖蝕過程中固相對材料表面的沖擊以及材料本身的彈性系數(shù)，從而完善了沖蝕計算模型。還有學者根據(jù)繞流方式的不同將沖蝕磨損分為局部磨損（由機械本身結(jié)構(gòu)的不平整引起）和平順繞流磨損（由切削、摩擦和表面沖擊共同作用）。有學者通過試驗對若干種金屬材料進行抗磨損分析，發(fā)現(xiàn)沖蝕速度為10m/s時，材料磨損破壞隨沖擊角度的增大而減小；沖蝕速度增加時，當沖蝕角度小于60°時，沖蝕磨損與角度變化成正比，而當沖蝕角度大于60°時，磨損率幾乎不發(fā)生變化。同時對金屬材料硬度進行對比，發(fā)現(xiàn)材料硬度越大其抗磨損能力越好。KrauseM通過可以模擬水輪機內(nèi)部流動的實驗裝置研究了沙粒特性參數(shù)對磨損的影響，發(fā)現(xiàn)材料受沖蝕磨損程度與泥沙的硬度、粒徑及濃度有關(guān)，與含沙水流的沖蝕速度有關(guān)，其中在40-70μm粒徑工況的含沙水下，材料的磨蝕率達到最大。3.空蝕與沖蝕聯(lián)合作用實際工況中，過機水流或多或少都會有泥沙存在，空蝕磨損或者沖蝕磨損并不單獨存在的，它們相伴而生，聯(lián)合作用于水力設(shè)備，加速了水力設(shè)備過流部件材料的破壞。空蝕磨損和沖蝕磨損聯(lián)合作用統(tǒng)稱為磨蝕。材料在空蝕和泥沙磨損聯(lián)合作用下的磨蝕破壞機理，一直是一個眾說紛紜的問題，它機理是十分復(fù)雜的，并不是簡單的摩擦與機械碰撞。牛權(quán)等從湍流的擬序結(jié)構(gòu)對近壁空泡以及小顆粒固體顆粒的運動規(guī)律出發(fā)，研究了擬序結(jié)構(gòu)下的空蝕與泥沙磨損聯(lián)合作用的機理。杜同通過試驗對比單純空蝕、泥沙磨損及兩者聯(lián)合作用的結(jié)果，指出聯(lián)合作用與單純的泥沙磨損對流道表面造成的破壞模式不同。黃細斌通過試驗研究了摻氣后高速含沙水流對材料的磨蝕機理，并建立了該工況下泥沙磨蝕的經(jīng)驗公式，為降低水力機械過流面磨蝕率提供了新思路。龐佑霞等通過數(shù)值模擬以及相關(guān)試驗研究了水力學參數(shù)以及泥沙特性參數(shù)對磨蝕的影響，發(fā)現(xiàn)泥沙粒徑以及硬度對材料的磨蝕破壞影響較大。黃繼湯等利用高速攝影機對空泡的生長、膨脹、壓縮及潰滅整個過程進行觀察，總結(jié)出清水中的空泡與含沙水中的空泡形態(tài)基本一致，空泡的膨脹速度隨流速的增加而減小。4.研究降低或消除高速水流對水力機械的影響4.1科學的布置水利樞紐水力機械設(shè)備出現(xiàn)空蝕損壞,一方面水利水電工程到工作效率一定會受到影響，另一方面其維修需要成本，這就增加了費用，帶來了損失。要想解決水力機械出現(xiàn)磨蝕的現(xiàn)象，自然要弄清楚她的原因，這樣有針對性的解決問題才能真正起到效果，使水力機械能夠物盡其用，避免浪費。[2]要想真正使水力機械的抗磨蝕能力有所提高就要科學地規(guī)劃水利樞紐。眾所周知的是水力機械磨蝕的一大原因就是沙石的摩擦,通過科學的手段規(guī)劃水利樞紐的位置可以有效地降低沙石與機械設(shè)備發(fā)生摩擦的可能性。水利樞紐通過科學的手段排水調(diào)沙就能使泥沙的過機量有所減少,水力機械的抗磨蝕水平自然也就提高了。4.2合理的選擇機組參數(shù)合理的選擇機組參數(shù)也可以使水力機械的磨蝕減少。水力機械設(shè)備在發(fā)電的過程中會產(chǎn)生巨大的壓力，這種壓力會改變水流的流速，然后出現(xiàn)空蝕現(xiàn)象,機組的振動過快就會產(chǎn)生更大的損耗,[3]正因如此,國家出臺了相關(guān)規(guī)定,針對不同類型的機組運行制定了一定的標準。使用機組一般在非振動區(qū)域和減少振動的區(qū)域。而針對機組的磨損問題,則是選擇在轉(zhuǎn)輪出口布設(shè)補齊裝置。通過調(diào)查搜集可以得到學科的選擇機組參數(shù),通常情況下參數(shù)可以設(shè)置為:軸流與貫流式機組的流速通常設(shè)置為V≤13m/s,轉(zhuǎn)輪出口轉(zhuǎn)速設(shè)置為≤32m/s,相對流速設(shè)置為W≤36m/s。由于V的計算過程比較煩瑣,通常通過改變U去控制參數(shù)。4.3優(yōu)化零部件結(jié)構(gòu)通過對水流經(jīng)過的水力機械設(shè)備零部件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化在一定程度上也可以使水力機械設(shè)備被磨蝕的問題有所改善。改良這些零部件的結(jié)構(gòu)可以控制以下水流的流速，使之變得均勻且緩慢，那么零部件脫落等現(xiàn)象自然會隨之改善，高速水流對于水力機械設(shè)備表面的磨損也會有改善。通過對零部件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改善，轉(zhuǎn)輪葉片的連接流程也會變得更連貫，水流可以更通暢的經(jīng)過，這樣水流對轉(zhuǎn)輪葉片表面的磨損也會降低。使其內(nèi)部的流通變得通暢自然可以減少機械設(shè)備外層被摩擦的可能性，這樣也能有效的保護機械[4]。在轉(zhuǎn)輪葉片進出口的地方放置導(dǎo)輪,引導(dǎo)水流流向，使壓力被降低，固體顆粒難以停留在機械表面,自然能夠避免磨蝕現(xiàn)象發(fā)生。5.水力機械抗磨蝕技術(shù)的發(fā)展5.1金屬焊條堆焊之所以要研究水力機械設(shè)備的抗磨技術(shù)就是為了要保護它的外層，減慢流體的流速，減少砂粒的磨蝕效果。要想使這項技術(shù)得到發(fā)展，可以從水力機械設(shè)備的制造工藝，其日常的表面維護等入手，以此來達到提高水力機械設(shè)備表層的抗磨蝕技術(shù)。用一些金屬焊條來把表層進行加固，這是一種常見的技術(shù)之一，他之所以普遍適用，也是具有一定的道理的。這種技術(shù)的優(yōu)勢主要就是通過對焊出來的外層會變得更加堅固，自然它的抗磨蝕能力就會提高，并且金屬焊條進行堆焊屬于一種低難度的操作，入手簡單，成本低廉。他主要指的就是把金屬焊條與表層相互融合，以此來加強材料的硬度。然而這種技術(shù)也有它的局限性，他的沖淡率會提高，對韓國后的金屬表面厚度容易不均勻，因此，對于焊條的可焊性的要求就比較高。在之后我們還需要加大這方面的研究，目前看來采用金屬焊條堆焊的技術(shù)是可行的，我們就可以在此基礎(chǔ)上不斷完善發(fā)展，彌補他的不足，使之變得更加完善。

5.2非金屬涂層非金屬涂層也是抗磨蝕技術(shù)之一,它主要是通過加強水力機械的抗磨蝕能力來保護外層的。非金屬涂層的主要優(yōu)勢就是價格低，一般是使用表面聚氨酯彈性涂層、環(huán)氧金剛砂涂層等。直接把它噴涂在機械外層就可以,操作簡單易上手,價格低廉這種技術(shù)主要應(yīng)用在機械葉片上,它的抗磨蝕效果也不錯,還是有很大的發(fā)展空間和價值的。這種技術(shù)也應(yīng)用在許多地方，很多水利工程都用這種技術(shù)來保護需要被保護的地方。非金屬涂層盡管不怎么要求材料工藝，可它的預(yù)防空蝕的能力也不怎么樣,還是要結(jié)合具體情況來應(yīng)用。5.3高速火焰噴涂抗磨蝕技術(shù)還在不斷研發(fā)，最新的出成果就是高速火焰噴涂，作為新型的抗磨蝕技術(shù),研發(fā)價值很大。這種技術(shù)就是利用碳化鎢涂層來使抗磨蝕能力加強。碳化鎢涂層的特點就是密度高、硬度強等,這樣就可以使沙石的摩擦帶來的影響降低。這種技術(shù)就是把涂層與水力機械的表層進行融合,使強度與硬度變得更高。它的涂層較薄,對于葉片的線形影響程度較小,對使用性能的影響也小。高速火焰噴涂,同樣具有一定的局限性,對于空蝕的防御能力較弱,并且施工成本較高。高速火焰噴涂現(xiàn)在還在研發(fā)，并不完善，只有一些大型機組使用,之后還會繼續(xù)研究更新。結(jié)語根據(jù)上述內(nèi)容我們可以知道，本文研究了高速水流對水力機械的影響,闡述了空蝕和磨蝕原理，討論了空蝕和空蝕的聯(lián)合作用機理，然后主要是從科學的布置水利樞紐、合理的選擇機組參數(shù)、優(yōu)化水力機械過流部件的結(jié)構(gòu)三方面來論述了水力機械抗磨蝕技術(shù)的應(yīng)用。從金屬焊條堆焊、非金屬涂層、高速火焰噴涂三方面,闡述了水力機械抗磨蝕技術(shù)的發(fā)展。參考文獻張琦，沈毅.依法治國背景下的社會保障法建設(shè)研究[J