泵空化理论精品课件

1、泵空化理论第1页，共33页，2022年，5月20日，10点42分，星期四目 录1、空化现象2、空化空蚀机理3、材料空化抵抗4、不锈钢的空化空蚀磨损研究第2页，共33页，2022年，5月20日，10点42分，星期四1、空化现象 空化现象 这是一种流体力学现象。 临界压力把给定温度下，液体开始汽化的压力叫做临界压力。（在不同温度下，液体的临界压力是不同的）。 注意：当液体温度一定，而压力降低到相应的临界压力时，也会出现汽化现象，同时溶解于液体中的气体析出，形成空泡（空穴）。第3页，共33页，2022年，5月20日，10点42分，星期四 在某个温度下，压力低到某一值时，液体发生汽化，此压力称为该温度

2、下的汽化压力，一般用pv表示。液体流动过程中，如果某一部位的压力低于某一临界压力（一般情况，该临界压力与水的汽化压力接近）时，溶解于水的气体逸出，形成空泡（空穴），当空泡随水流运动到压力较高的地方时，空泡迅速凝结而溃灭。第4页，共33页，2022年，5月20日，10点42分，星期四 空化：随着压力变化，液流中出现空泡状态（初生、发展、溃灭）及产生一系列物理化学变化称作空化（空穴）。 空蚀：指当空泡的溃灭过程发生于固壁表面，而使材料破坏，即由空化引起的材料破坏（侵蚀）。 空泡的产生与发展取决于液体的状态（温度和压力）以及液体本身的物理性质（所含杂质量及所溶解的气体等）。 第5页，共33页，202

3、2年，5月20日，10点42分，星期四空化空泡空化空泡第6页，共33页，2022年，5月20日，10点42分，星期四 2、空化空蚀机理2.1 空化空蚀破坏的四种理论2.2 空化空蚀危害2.3 空化空蚀防护第7页，共33页，2022年，5月20日，10点42分，星期四2.1、空化空蚀破坏的四种理论 机械作用 在过流表面的某处，随着液流不断流过，空泡不断形成溃灭压缩和膨胀，将产生很高的冲击压力。通过高速摄影的圆盘实验观察到，汽泡凝结时间约万分之一秒，水锤压力可以达到几百个甚至几千个大气压，对边壁材料造成破坏。 化学作用 当空泡被压缩时，由于体积突然缩小，温度要升高放出热量；同时水锤压力对金属表面的

4、冲击也要产生局部高温。当空泡凝结时，局部温度可达到300C左右，所以在这种高温、高压作用下，又促使了空蚀对金属表面的氧化，这就是化学作用。第8页，共33页，2022年，5月20日，10点42分，星期四电化作用 气泡在高温高压作用下产生放电现象，这就是电化作用。因为金属表面被高压液流反复冲击的部位会产生很大热量，温度升高，形成热端，将会与邻近点的非冲击部位(冷端) 构成一个热电耦，在热电耦的回路中产生电势，使金属内部有电流通过，也产生电化腐蚀(电解作用)，致金属表面变暗变毛，加速机械破坏作用。 微射流理论 空泡在溃灭过程中还会产生高速的微射流束，产生很强的冲击力，对材料表面产生破坏作用。第9页，

5、共33页，2022年，5月20日，10点42分，星期四 空化与空蚀对水力机械性能的影响对性能产生影响，主要表现为四个方面： 1、破坏过流表面 2、机器能量特性发生 3、引起振动和噪声 4、使机组检修频繁 2.2、空化空蚀危害第10页，共33页，2022年，5月20日，10点42分，星期四叶轮由于汽蚀而破坏HQH-Q曲线泵性能下降第11页，共33页，2022年，5月20日，10点42分，星期四空化与空蚀的防护措施对已经设计完成的水力机械，主要是现行转轮（叶轮）系列提高加工制造精度选用抗空蚀性能的材料和保护涂层合理选择运行范围：避开空蚀严重区域合理选择安装高度对水轮机，向空蚀区补气2.3、空化空蚀

6、防护及改善措施第12页，共33页，2022年，5月20日，10点42分，星期四空化与空蚀性能的改善措施 设计1、合理确定叶轮低压侧的几何尺寸2、加大下环半径、低压边位置前伸3、采用双吸叶轮4、采用诱导轮第13页，共33页，2022年，5月20日，10点42分，星期四 制造1、提高加工精度和表面光洁度2、采用耐空蚀破坏的材料3、表面处理提高材料耐空蚀性能 安装合理确定吸出（入）高度第14页，共33页，2022年，5月20日，10点42分，星期四 运行适当限制运行工况 维修1、采用耐空蚀材料补焊2、表面喷、涂耐空蚀材料第15页，共33页，2022年，5月20日，10点42分，星期四3、材料空化抵抗

7、3.1 空化抵抗CR及描述参数3.2 材料侵蚀实验3.3 不同HCI作用下材料的CR反应3.4 空化抵抗CR的影响因数第16页，共33页，2022年，5月20日，10点42分，星期四3.1、空化抵抗CR及描述参数硬度H极限弹力UR材料抗空化疲劳强度FS第17页，共33页，2022年，5月20日，10点42分，星期四 3.2、材料侵蚀实验材料空化侵蚀的测量是通过将标准式样放置在超声振动设备、磁激振荡器、滴水侵蚀设备、文吐里喷嘴或者射流空化等空化实验装置中进行。实验表明随着空化侵蚀时间增加，材料质量损失增加ER-t曲线：孕育期、积累区、缓和区、稳定区。 根据ER的性质，可以看出1/ER作为材料的空

8、化抵抗实际上也不确定。第18页，共33页，2022年，5月20日，10点42分，星期四3.3、不同HCI作用下材料的CR反应各种材料都有一种空化液力强度HCI阀值，低于该值时则 不会有空化侵蚀发生。通常，采用在同一空化液力强度作用下两种材料的侵蚀比率PER的比值来衡量两种材料的空化抵抗等级。对于侵蚀初生，只有得到绝对空化液力强度HCT和空化状态下的疲劳强度才能确定。第19页，共33页，2022年，5月20日，10点42分，星期四3.4、空化抵抗CR的影响因数材料机械性能的影响 微观组织的的影响 涂层的影响第20页，共33页，2022年，5月20日，10点42分，星期四4、典型材料的空化空蚀磨损

9、研究4.1 精剖不锈钢空蚀破坏的微观形貌4.2 不锈钢空蚀发生的微观过程4.3 不锈钢空蚀破坏过程中的精细结构结构变化4.4 小结第21页，共33页，2022年，5月20日，10点42分，星期四OCr18Ni9奥氏体不锈钢进行空蚀实验，对空蚀微区进行连续的光学显微镜跟踪观察，得到空蚀过程的大量数据，并从中寻找空蚀规律第22页，共33页，2022年，5月20日，10点42分，星期四不锈钢空蚀破坏的典型微观形貌不锈钢空蚀破坏的典型SEM形貌不锈钢空蚀破坏的典型剖面形貌4.1、 精剖不锈钢空蚀破坏的微观形貌第23页，共33页，2022年，5月20日，10点42分，星期四 不锈钢在经历240min分钟

10、的空蚀后，可以明显看到滑移带的存在，原本比较直的滑移带划痕略微变弯，表面脱略和塑形变形已经非常严重，某些区域进入即将大面积破坏，进入明显空蚀失重阶段。不锈钢空蚀破坏的典型微观形貌空蚀240min第24页，共33页，2022年，5月20日，10点42分，星期四不锈钢空蚀破坏的典型SEM形貌 材料表面因发生局部的塑形变形而变得扭曲，晶粒之间发生明显的相互错动，局部出现条状的滑移带，滑移比较严重的区域出现裂纹，进而产生局部的脱落。空蚀240min第25页，共33页，2022年，5月20日，10点42分，星期四不锈钢空蚀破坏的典型剖面形貌 裂纹由表面萌生并向材料内部扩展，而后裂纹相互交接，局部脱落形成

11、凹坑。脱落处缺陷较为集中，易萌生新的裂纹，新的裂纹和原有的裂纹叠加，继续向横向和纵向两个方向扩展，形成新的脱落。空蚀240min第26页，共33页，2022年，5月20日，10点42分，星期四 4.2、不锈钢空蚀发生的微观过程 抛光后的试样表面，表面较为平整，无亮点，如图 (a)所示。 空蚀10min时，表面出现散布的亮点，表明空蚀凹坑出现，如图 (b)所示。 当空蚀进行到30min时，在大量空蚀气泡的充分作用下，表面各部分均发生不同程度的塑性变形，空蚀坑扩展，部分晶界显现，随着时间的推移，塑性变形程度越来越严重，塑性变形的不断发生使晶界更加突出，如图 (c)所示 。 空蚀90min时，因表面

12、局部缺陷存在而产生的少量脱落，如图 (d)所示。第27页，共33页，2022年，5月20日，10点42分，星期四不锈钢空蚀过程光学显微镜图第28页，共33页，2022年，5月20日，10点42分，星期四 空蚀产生的材料内部应力可以由塑性变形或断裂来释放，因此，可以用空蚀加载时抗塑性变形的能力(1/Wpd)结合空蚀加载时表面层相关的应力强度和空蚀产生的加工硬化深度来描述了材料在空蚀初期塑性变形阶段的抗空蚀性能。第29页，共33页，2022年，5月20日，10点42分，星期四 当空蚀达到一定的时间后，由于塑性变形达到一定的程度，空蚀坑明显扩大，材料表面的硬化程度也越来越高，随着时间的推移，塑性变形

13、越来越困难。当达到一定的程度，很难再发生塑性变形，此时，材料内部裂纹开始扩展，在空化气泡冲击下，很容易使表面产生局部的破坏，造成空蚀磨损的发生。第30页，共33页，2022年，5月20日，10点42分，星期四4.3、不锈钢空蚀破坏过程中的精细结构结构变化 从下图所示的原子力显微镜扫(10mx10mx10m)中可以看出，经过此时间的空蚀后原有的深浅一致的划痕弯曲，说明材料发生了明显的微观塑性变形，从图中可以看出塑性变形后形成深浅不一、最深大于 0.1m的凹坑和起伏，从三维立体图上可以看出某些区域在气泡的反复作用下空蚀凹坑叠加并扩展，材料微观表面的粗糙度明显变大。第31页，共33页，2022年，5月20日，10点42分，星期四不锈