離心壓縮機(jī)葉輪沖蝕磨損機(jī)理和規(guī)律的研究.pdf

1、離心式壓縮機(jī)是以氣體為工作介質(zhì)的典型高速旋轉(zhuǎn)式葉輪機(jī)械。它的用途很廣，特別是在石油、化工、天然氣管線、空氣分離、冶煉、制冷、礦山通風(fēng)和環(huán)境工程等領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛，已成為這些企業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備。但是輸運(yùn)介質(zhì)中固體顆粒的存在，使得葉輪極易遭受固體顆粒沖蝕磨損，造成葉片減薄甚至誘發(fā)葉片斷裂失效。葉輪作為離心壓縮機(jī)核心部件，其材料特殊、制造工藝復(fù)雜、價(jià)格昂貴，屬于典型的高附加值產(chǎn)品，研究掌握壓縮機(jī)葉輪沖蝕磨損機(jī)理和規(guī)律，對(duì)于保障離心壓縮機(jī)組及

2、操作人員安全，保護(hù)工程價(jià)值和企業(yè)利益具有重要意義。因此，本文依托國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）項(xiàng)目“再制造對(duì)象的多強(qiáng)場(chǎng)、跨尺度損傷行為與機(jī)理，可再制造的臨界閾值(2011CB013401)”，以“離心葉輪氣固兩相流沖蝕環(huán)境——葉輪材料沖蝕磨損規(guī)律和機(jī)理——葉輪材料沖蝕理論模型建立——沖蝕磨損對(duì)材料表面特性影響規(guī)律”為主線，由宏觀到微觀對(duì)離心壓縮機(jī)葉輪沖蝕磨損機(jī)理和規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。
　　針對(duì)發(fā)生嚴(yán)重沖蝕磨損的空分用離心

3、壓縮機(jī)葉輪，首先，建立了葉輪全流道三維模型，采用三維雷諾時(shí)均的N-S方程、標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，模擬分析了葉輪內(nèi)部氣流速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)及葉片溫度場(chǎng)的分布規(guī)律;然后，利用離散相模型研究了葉輪內(nèi)部氣固兩相流動(dòng)，分析了葉輪內(nèi)固體顆粒的運(yùn)行軌跡、運(yùn)動(dòng)速度、偏聚濃度及造成的葉片沖蝕分布。發(fā)現(xiàn)固體顆粒在輸運(yùn)過程中的濃度偏聚是造成實(shí)際壓縮機(jī)葉輪的大葉片后緣根部磨損而小葉片幾乎不磨損的主要原因?；跀?shù)值計(jì)算，確定了葉輪沖蝕環(huán)境中的沖擊角度、沖擊速度、顆粒濃

4、度、環(huán)境溫度等試驗(yàn)參數(shù)，為葉輪材料沖蝕磨損的試驗(yàn)研究提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
　　為了從宏、微觀角度弄清葉輪材料沖蝕磨損時(shí)，材料流失的本質(zhì)及其影響因素。首先，通過模擬葉片真實(shí)工況的沖蝕試驗(yàn)并結(jié)合材料的物理力學(xué)性能分析，研究了沖蝕時(shí)間、沖擊角度、沖擊速度、顆粒直徑等因素對(duì)葉輪材料FV520B沖蝕特性的影響規(guī)律。發(fā)現(xiàn)兩種熱處理方式獲得的高低強(qiáng)度的FV520B材料，均呈現(xiàn)出典型塑性材料的沖蝕特性，最大沖蝕角分別在24。和18。左右，屈服強(qiáng)度和表

5、面硬度高的高強(qiáng)度FV520B的相對(duì)沖蝕率低。葉輪材料的沖蝕率隨沖擊速度增加迅速升高，二者呈指數(shù)關(guān)系。沖蝕率隨顆粒直徑的增大而升高，二者近似線性關(guān)系。然后，利用沖蝕過程的數(shù)值仿真，研究了顆粒形狀、沖擊角度、沖擊速度、顆粒直徑等對(duì)沖蝕過程的應(yīng)力應(yīng)變、能量變化、沖蝕率等的影響規(guī)律，并和沖蝕試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。沖蝕過程的等效應(yīng)力大小與沖蝕率的變化規(guī)律具有一致性，沖蝕區(qū)等效應(yīng)力大小反映了靶材沖蝕的嚴(yán)重性。不同形狀的顆粒造成沖擊凹坑深度由深到淺

6、的順序是:三棱柱、四棱柱、六棱柱、正四棱柱、球，這和靶材吸收應(yīng)變能順序一致。對(duì)于同一形狀顆粒，其沖擊深度和應(yīng)力影響深度隨沖擊角度的變化規(guī)律不同，不能僅憑沖擊深度判定應(yīng)力影響深度，以屈服應(yīng)力為應(yīng)力影響下限研究沖蝕過程的應(yīng)力影響深度及亞表層硬化機(jī)制更合理。最后，借助沖蝕形貌的微觀分析，探討了葉輪材料沖蝕磨損機(jī)理。FV520B沖蝕磨損是切削磨損與變形磨損共同作用的結(jié)果:在低角度沖蝕時(shí)，以切削磨損為主;在大于60°的高角度沖蝕時(shí)，以變形磨損為主

7、。
　　當(dāng)前絕大部分沖蝕率計(jì)算模型是針對(duì)一定條件下的沖蝕試驗(yàn)并對(duì)沖蝕過程進(jìn)行相應(yīng)的簡(jiǎn)化而來，可移植性較差，且缺乏對(duì)沖蝕深度計(jì)算模型的研究。因此，在變形磨損理論的基礎(chǔ)上，以單個(gè)球形顆粒沖擊靶材的過程入手，通過求解顆粒運(yùn)動(dòng)方程和碰撞的能量方程，并在計(jì)算中考慮顆粒的形狀因素，建立了塑性金屬的沖蝕率、沖蝕深度計(jì)算模型。借助葉輪材料的正交沖蝕試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用回歸擬合的方法，獲得了葉輪材料FV520B沖蝕率和沖蝕深度的計(jì)算公式。對(duì)比分析表明，模

8、型計(jì)算值和試驗(yàn)結(jié)果的吻合程度相當(dāng)高，能較為精確地預(yù)測(cè)葉輪材料FV520B的沖蝕規(guī)律。利用沖蝕深度計(jì)算公式對(duì)沈陽鼓風(fēng)機(jī)廠沖蝕磨損葉片的減薄壽命進(jìn)行了評(píng)估，計(jì)算結(jié)果和實(shí)際壽命相吻合，為壓縮機(jī)葉輪沖蝕壽命計(jì)算奠定了理論和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
　　表面形貌劣化、殘余應(yīng)力積累對(duì)壓縮機(jī)葉輪性能及服役安全的影響非常巨大，為了掌握沖蝕磨損過程對(duì)材料表面幾何形貌、亞表面金相組織與性能的影響規(guī)律和機(jī)制，本文利用增量沖蝕試驗(yàn)，對(duì)FV520B材料在不同沖擊角度下的

9、沖蝕凹坑深度、表面粗糙度、亞表層金相組織、顯微硬度、殘余應(yīng)力等表面特性的變化規(guī)律及形成機(jī)制進(jìn)行了系統(tǒng)研究。不同沖擊角度下FV520B的沖蝕穿透率變化規(guī)律不同，這是沖蝕機(jī)理的不同導(dǎo)致的。低沖擊角度下，隨沖蝕進(jìn)行表面粗糙度逐漸降低，表面愈加光滑;90。沖擊下，粗糙度變化不明顯;中等沖擊角度下，隨沖蝕進(jìn)行，表面粗糙度先降低后升高，這是深度沖蝕后實(shí)際沖蝕角度產(chǎn)生分化而出現(xiàn)橫向沖蝕條紋導(dǎo)致的。沖蝕顆粒太小，沖蝕區(qū)域熱作用不明顯，不足以引起金屬材料