离心压缩机叶轮冲蚀磨损机理和规律的研究

发布时间：2018-03-09 03:15

本文选题：离心式压缩机　切入点：冲蚀磨损规律　出处：《山东大学》2015年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：离心式压缩机是以气体为工作介质的典型高速旋转式叶轮机械。它的用途很广,特别是在石油、化工、天然气管线、空气分离、冶炼、制冷、矿山通风和环境工程等领域中的应用越来越广泛,已成为这些企业的关键设备。但是输运介质中固体颗粒的存在,使得叶轮极易遭受固体颗粒冲蚀磨损,造成叶片减薄甚至诱发叶片断裂失效。叶轮作为离心压缩机核心部件,其材料特殊、制造工艺复杂、价格昂贵,属于典型的高附加值产品,研究掌握压缩机叶轮冲蚀磨损机理和规律,对于保障离心压缩机组及操作人员安全,保护工程价值和企业利益具有重要意义。因此,本文依托国家重点基础研究发展计划(973计划)项目“再制造对象的多强场、跨尺度损伤行为与机理,可再制造的临界阈值(2011CB013401)”,以“离心叶轮气固两相流冲蚀环境——叶轮材料冲蚀磨损规律和机理——叶轮材料冲蚀理论模型建立——冲蚀磨损对材料表面特性影响规律”为主线,由宏观到微观对离心压缩机叶轮冲蚀磨损机理和规律进行了系统的研究。针对发生严重冲蚀磨损的空分用离心压缩机叶轮,首先,建立了叶轮全流道三维模型,采用三维雷诺时均的N-S方程、标准k-e湍流模型,模拟分析了叶轮内部气流速度场、压力场及叶片温度场的分布规律；然后,利用离散相模型研究了叶轮内部气固两相流动,分析了叶轮内固体颗粒的运行轨迹、运动速度、偏聚浓度及造成的叶片冲蚀分布。发现固体颗粒在输运过程中的浓度偏聚是造成实际压缩机叶轮的大叶片后缘根部磨损而小叶片几乎不磨损的主要原因。基于数值计算,确定了叶轮冲蚀环境中的冲击角度、冲击速度、颗粒浓度、环境温度等试验参数,为叶轮材料冲蚀磨损的试验研究提供了数据基础。为了从宏、微观角度弄清叶轮材料冲蚀磨损时,材料流失的本质及其影响因素。首先,通过模拟叶片真实工况的冲蚀试验并结合材料的物理力学性能分析,研究了冲蚀时间、冲击角度、冲击速度、颗粒直径等因素对叶轮材料FV520B冲蚀特性的影响规律。发现两种热处理方式获得的高低强度的FV520B材料,均呈现出典型塑性材料的冲蚀特性,最大冲蚀角分别在24。和18。左右,屈服强度和表面硬度高的高强度FV520B的相对冲蚀率低。叶轮材料的冲蚀率随冲击速度增加迅速升高,二者呈指数关系。冲蚀率随颗粒直径的增大而升高,二者近似线性关系。然后,利用冲蚀过程的数值仿真,研究了颗粒形状、冲击角度、冲击速度、颗粒直径等对冲蚀过程的应力应变、能量变化、冲蚀率等的影响规律,并和冲蚀试验结果进行了对比分析。冲蚀过程的等效应力大小与冲蚀率的变化规律具有一致性,冲蚀区等效应力大小反映了靶材冲蚀的严重性。不同形状的颗粒造成冲击凹坑深度由深到浅的顺序是：三棱柱、四棱柱、六棱柱、正四棱柱、球,这和靶材吸收应变能顺序一致。对于同一形状颗粒,其冲击深度和应力影响深度随冲击角度的变化规律不同,不能仅凭冲击深度判定应力影响深度,以屈服应力为应力影响下限研究冲蚀过程的应力影响深度及亚表层硬化机制更合理。最后,借助冲蚀形貌的微观分析,探讨了叶轮材料冲蚀磨损机理。FV520B冲蚀磨损是切削磨损与变形磨损共同作用的结果：在低角度冲蚀时,以切削磨损为主；在大于60。的高角度冲蚀时,以变形磨损为主。当前绝大部分冲蚀率计算模型是针对一定条件下的冲蚀试验并对冲蚀过程进行相应的简化而来,可移植性较差,且缺乏对冲蚀深度计算模型的研究。因此,在变形磨损理论的基础上,以单个球形颗粒冲击靶材的过程入手,通过求解颗粒运动方程和碰撞的能量方程,并在计算中考虑颗粒的形状因素,建立了塑性金属的冲蚀率、冲蚀深度计算模型。借助叶轮材料的正交冲蚀试验数据,利用回归拟合的方法,获得了叶轮材料FV520B冲蚀率和冲蚀深度的计算公式。对比分析表明,模型计算值和试验结果的吻合程度相当高,能较为精确地预测叶轮材料FV520B的冲蚀规律。利用冲蚀深度计算公式对沈阳鼓风机厂冲蚀磨损叶片的减薄寿命进行了评估,计算结果和实际寿命相吻合,为压缩机叶轮冲蚀寿命计算奠定了理论和数据基础。表面形貌劣化、残余应力积累对压缩机叶轮性能及服役安全的影响非常巨大,为了掌握冲蚀磨损过程对材料表面几何形貌、亚表面金相组织与性能的影响规律和机制,本文利用增量冲蚀试验,对FV520B材料在不同冲击角度下的冲蚀凹坑深度、表面粗糙度、亚表层金相组织、显微硬度、残余应力等表面特性的变化规律及形成机制进行了系统研究。不同冲击角度下FV520B的冲蚀穿透率变化规律不同,这是冲蚀机理的不同导致的。低冲击角度下,随冲蚀进行表面粗糙度逐渐降低,表面愈加光滑；90。冲击下,粗糙度变化不明显；中等冲击角度下,随冲蚀进行,表面粗糙度先降低后升高,这是深度冲蚀后实际冲蚀角度产生分化而出现横向冲蚀条纹导致的。冲蚀颗粒太小,冲蚀区域热作用不明显,不足以引起金属材料的相变,所以冲蚀前后试样的金相组织无明显变化,但是冲蚀磨损的应变累积作用会在亚表层产生一个深度在5～10μm的硬化层,且硬化深度随着冲击角度升高而明显上升,相同冲击角度下随颗粒质量增加会略有增加。冲蚀磨损在去除材料的同时改变了试样表面原有的应力状态,低、中角度冲击下,微切削、犁削塑性凸出效应比较明显,故在冲蚀表面形成残余拉应力。90。冲击下,喷丸强化效应占据主导,故表面形成残余压应力。
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【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH452

【参考文献】