《高速水流對(duì)水力機(jī)械的影響研究綜述（5500字）》

高速水流對(duì)水力機(jī)械的影響研究綜述摘要:高速水流會(huì)產(chǎn)生空蝕并對(duì)水力機(jī)械造成磨損，嚴(yán)重影響了水力機(jī)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(duì)水力機(jī)械的影響，并對(duì)我國水力機(jī)械抗腐蝕技術(shù)加以分析,希望有助于水力機(jī)械抗腐蝕水平的提高。關(guān)鍵詞:高速水流,水力機(jī)械,空蝕,磨蝕,影響1.空化現(xiàn)象及空蝕破壞液體和水力機(jī)械發(fā)生的獨(dú)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(qiáng)大的破壞力能夠?qū)λC(jī)械造成巨大的影響以至于會(huì)對(duì)機(jī)械設(shè)施產(chǎn)生巨大影響?？瘴g是一種特有的物理過程和現(xiàn)象，它會(huì)破壞水機(jī)過流部件材料，影響水力機(jī)械的各種性能指標(biāo)?？瘴g在現(xiàn)代高速流體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和操作中一直是公認(rèn)的一個(gè)主要的問題，如渦輪機(jī)、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(xué)者一直致力于尋找一種實(shí)用的方法來精確地闡述侵蝕機(jī)制和預(yù)測(cè)侵蝕速率。最早在十八世紀(jì)五十年代，歐拉在水輪機(jī)理論中發(fā)現(xiàn)低壓的水流會(huì)產(chǎn)生空化現(xiàn)象，之后學(xué)者們開始了對(duì)空化的研究。一百多年后，通過局部收縮管實(shí)驗(yàn)，雷諾發(fā)現(xiàn)了水流在低壓區(qū)的空化現(xiàn)象。同時(shí)，在1895年用蒸汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳時(shí)發(fā)現(xiàn)了流體機(jī)械中的空蝕問題。到1912年，歐洲國家相繼發(fā)現(xiàn)了水輪機(jī)材料受空蝕侵蝕的現(xiàn)象。到十九世紀(jì)二十年代，Rayleigh通過實(shí)驗(yàn)研究了流體空泡的潰滅壓力相關(guān)內(nèi)容，發(fā)現(xiàn)其運(yùn)動(dòng)規(guī)律，提出了液體中自由空泡運(yùn)動(dòng)方程，實(shí)現(xiàn)了對(duì)液體空泡的運(yùn)動(dòng)過程的理論解釋。而被譽(yù)為空泡動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)的Rayleigh-Plesset方程是Plesset在Rayleigh的基礎(chǔ)上進(jìn)一步推導(dǎo)出來的。從而完善了空泡動(dòng)力學(xué)理論。空蝕破壞機(jī)理相當(dāng)復(fù)雜，隨著對(duì)氣蝕多年的試驗(yàn)及理論研究，科研人員對(duì)空蝕行為對(duì)金屬材料的破壞提出了多種理論，較為普遍的有四種：機(jī)械作用、熱作用、化學(xué)腐蝕作用以及電化學(xué)作用。1.1機(jī)械作用論大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為空蝕破壞的主要原因是機(jī)械作用導(dǎo)致的，其破壞機(jī)制有兩點(diǎn)：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(rèn)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?jǐn)D壓，最終使空泡沿凹陷部分貫穿整個(gè)空泡?？张莸倪@種受高壓潰滅是非對(duì)稱的，所以會(huì)導(dǎo)致空泡附近的流場(chǎng)動(dòng)量不均勻，沿空泡凹陷方向加速了水流的沖擊速度”。當(dāng)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(qiáng)弱也會(huì)影響材料表面的破壞特征，較弱的微射流沖擊會(huì)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(huì)被逐漸壓縮到臨界值，這時(shí)空泡內(nèi)的壓力會(huì)超過外界壓力，潰滅時(shí)產(chǎn)生巨大的潰滅壓強(qiáng)，對(duì)周圍的流體介質(zhì)產(chǎn)生強(qiáng)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(qiáng)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(huì)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(xué)作用機(jī)制Petracchi最早在1971年提出電化學(xué)作用機(jī)制，他通過研究發(fā)現(xiàn)材料發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)和空化現(xiàn)象幾乎同時(shí)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(shí)，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(xué)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(jìn)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(jìn)，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(yàn)證了材料在空化破壞過程中電化學(xué)作用對(duì)空化的影響，他認(rèn)為電化學(xué)作用與機(jī)械作用相互耦合，比起兩者對(duì)材料表面的單獨(dú)作用，其共同作用產(chǎn)生的破壞要更嚴(yán)重得多。1.3化學(xué)腐蝕作用機(jī)制該理論認(rèn)為，“金屬材料在酸性或堿性流體中發(fā)生空化時(shí)，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(hù)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(yán)重”。在絕大多數(shù)空蝕現(xiàn)象中，不僅僅是化學(xué)作用或者機(jī)械作用單獨(dú)發(fā)生的，兩者同時(shí)發(fā)生，相輔相成。其聯(lián)合作用所造成的破壞比兩者單獨(dú)作用產(chǎn)生的破壞嚴(yán)重。1.4熱作用空蝕機(jī)制熱作用機(jī)制認(rèn)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(shí)，會(huì)極短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的瞬時(shí)高溫，使材料表面產(chǎn)生局部高溫導(dǎo)致的材料局部強(qiáng)度降低而產(chǎn)生的破壞。由沖擊波理論可知空泡會(huì)在很大壓差下潰滅，這是空泡能量瞬時(shí)轉(zhuǎn)化為熱能，會(huì)使氣泡內(nèi)溫度突然提升到上千攝氏度。這時(shí)空泡在材料邊壁潰滅時(shí)，泡內(nèi)的高溫氣體接觸到材料表層，在短時(shí)間內(nèi)將材料氧化破壞。大量實(shí)驗(yàn)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(shí)際工況中，流體的粘性底層會(huì)將潰滅的高溫氣體與材料表面隔開，不會(huì)直接導(dǎo)致材料的嚴(yán)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(jìn)入流體機(jī)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(jī)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(shí)，由于泥沙顆粒的相互碰撞加劇了水流的紊亂，會(huì)以更好的角度對(duì)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(dòng)方向形成深淺不一的劃痕，嚴(yán)重時(shí)會(huì)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(yùn)行工況等對(duì)磨損破壞的影響，主要的研究方法有數(shù)值模擬研究和實(shí)驗(yàn)研究。Finnie于二十世紀(jì)五十年代最早提出沖蝕磨損計(jì)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(shí)，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(duì)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(jì)算模型。還有學(xué)者根據(jù)繞流方式的不同將沖蝕磨損分為局部磨損（由機(jī)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(xué)者通過試驗(yàn)對(duì)若干種金屬材料進(jìn)行抗磨損分析，發(fā)現(xiàn)沖蝕速度為10m/s時(shí)，材料磨損破壞隨沖擊角度的增大而減小；沖蝕速度增加時(shí)，當(dāng)沖蝕角度小于60°時(shí)，沖蝕磨損與角度變化成正比，而當(dāng)沖蝕角度大于60°時(shí)，磨損率幾乎不發(fā)生變化。同時(shí)對(duì)金屬材料硬度進(jìn)行對(duì)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(jī)內(nèi)部流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)裝置研究了沙粒特性參數(shù)對(duì)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(dá)到最大。3.空蝕與沖蝕聯(lián)合作用實(shí)際工況中，過機(jī)水流或多或少都會(huì)有泥沙存在，空蝕磨損或者沖蝕磨損并不單獨(dú)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(jī)理，一直是一個(gè)眾說紛紜的問題，它機(jī)理是十分復(fù)雜的，并不是簡(jiǎn)單的摩擦與機(jī)械碰撞。牛權(quán)等從湍流的擬序結(jié)構(gòu)對(duì)近壁空泡以及小顆粒固體顆粒的運(yùn)動(dòng)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(jī)理。杜同通過試驗(yàn)對(duì)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(duì)流道表面造成的破壞模式不同。黃細(xì)斌通過試驗(yàn)研究了摻氣后高速含沙水流對(duì)材料的磨蝕機(jī)理，并建立了該工況下泥沙磨蝕的經(jīng)驗(yàn)公式，為降低水力機(jī)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(yàn)研究了水力學(xué)參數(shù)以及泥沙特性參數(shù)對(duì)磨蝕的影響，發(fā)現(xiàn)泥沙粒徑以及硬度對(duì)材料的磨蝕破壞影響較大。黃繼湯等利用高速攝影機(jī)對(duì)空泡的生長(zhǎng)、膨脹、壓縮及潰滅整個(gè)過程進(jìn)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(duì)水力機(jī)械的影響4.1科學(xué)的布置水利樞紐水力機(jī)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(huì)受到影響，另一方面其維修需要成本，這就增加了費(fèi)用，帶來了損失。要想解決水力機(jī)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(duì)性的解決問題才能真正起到效果，使水力機(jī)械能夠物盡其用，避免浪費(fèi)。[2]要想真正使水力機(jī)械的抗磨蝕能力有所提高就要科學(xué)地規(guī)劃水利樞紐。眾所周知的是水力機(jī)械磨蝕的一大原因就是沙石的摩擦,通過科學(xué)的手段規(guī)劃水利樞紐的位置可以有效地降低沙石與機(jī)械設(shè)備發(fā)生摩擦的可能性。水利樞紐通過科學(xué)的手段排水調(diào)沙就能使泥沙的過機(jī)量有所減少,水力機(jī)械的抗磨蝕水平自然也就提高了。4.2合理的選擇機(jī)組參數(shù)合理的選擇機(jī)組參數(shù)也可以使水力機(jī)械的磨蝕減少。水力機(jī)械設(shè)備在發(fā)電的過程中會(huì)產(chǎn)生巨大的壓力，這種壓力會(huì)改變水流的流速，然后出現(xiàn)空蝕現(xiàn)象,機(jī)組的振動(dòng)過快就會(huì)產(chǎn)生更大的損耗,[3]正因如此,國家出臺(tái)了相關(guān)規(guī)定,針對(duì)不同類型的機(jī)組運(yùn)行制定了一定的標(biāo)準(zhǔn)。使用機(jī)組一般在非振動(dòng)區(qū)域和減少振動(dòng)的區(qū)域。而針對(duì)機(jī)組的磨損問題,則是選擇在轉(zhuǎn)輪出口布設(shè)補(bǔ)齊裝置。通過調(diào)查搜集可以得到學(xué)科的選擇機(jī)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(jī)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(duì)流速設(shè)置為W≤36m/s。由于V的計(jì)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(duì)水流經(jīng)過的水力機(jī)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(jī)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(huì)隨之改善，高速水流對(duì)于水力機(jī)械設(shè)備表面的磨損也會(huì)有改善。通過對(duì)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(huì)變得更連貫，水流可以更通暢的經(jīng)過，這樣水流對(duì)轉(zhuǎn)輪葉片表面的磨損也會(huì)降低。使其內(nèi)部的流通變得通暢自然可以減少機(jī)械設(shè)備外層被摩擦的可能性，這樣也能有效的保護(hù)機(jī)械[4]。在轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)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(jī)械表面,自然能夠避免磨蝕現(xiàn)象發(fā)生。5.水力機(jī)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(jī)械設(shè)備的抗磨技術(shù)就是為了要保護(hù)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(xiàng)技術(shù)得到發(fā)展，可以從水力機(jī)械設(shè)備的制造工藝，其日常的表面維護(hù)等入手，以此來達(dá)到提高水力機(jī)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(jìn)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(shì)主要就是通過對(duì)焊出來的外層會(huì)變得更加堅(jiān)固，自然它的抗磨蝕能力就會(huì)提高，并且金屬焊條進(jìn)行堆焊屬于一種低難度的操作，入手簡(jiǎn)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(qiáng)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(huì)提高，對(duì)韓國后的金屬表面厚度容易不均勻，因此，對(duì)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(bǔ)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(qiáng)水力機(jī)械的抗磨蝕能力來保護(hù)外層的。非金屬涂層的主要優(yōu)勢(shì)就是價(jià)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(jī)械外層就可以,操作簡(jiǎn)單易上手,價(jià)格低廉這種技術(shù)主要應(yīng)用在機(jī)械葉片上,它的抗磨蝕效果也不錯(cuò),還是有很大的發(fā)展空間和價(jià)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(hù)需要被保護(hù)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(jià)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(qiáng)。碳化鎢涂層的特點(diǎn)就是密度高、硬度強(qiáng)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(jī)械的表層進(jìn)行融合,使強(qiáng)度與硬度變得更高。它的涂層較薄,對(duì)于葉片的線形影響程度較小,對(duì)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(duì)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(jī)組使用,之后還會(huì)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(duì)水力機(jī)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(jī)理，然后主要是從科學(xué)的布置水利樞紐、合理的選擇機(jī)組參數(shù)、優(yōu)化水力機(jī)械過流部件的結(jié)構(gòu)三方面來論述了水力機(jī)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(jī)械抗磨蝕技術(shù)的發(fā)展。參考文獻(xiàn)張琦，沈毅.依法治國背景下的社會(huì)保障法建設(shè)研究[J