葉片泵葉輪鑄造特性及空蝕動力學行為分析

楊建國，陳 峰

（1.國機鑄鍛機械有限公司，山東濟南 250306；2.蘇美達股份有限公司，江蘇南京 210018）

空化是液體中某個部位受到張應力（Tensile stress）作用而使液體發(fā)生斷裂并出現(xiàn)空隙（Void）的現(xiàn)象。空化會對過流部件造成物理破壞，也就是空蝕[1]。目前有關(guān)空化研究的文獻非常多，尤其是與螺旋槳和水泵、水輪機等水力機械中完全發(fā)展的空化相關(guān)的資料特別豐富[2]。但是具體到工程應用，空蝕的實際作用效果才是用戶們所關(guān)心的。由于空蝕動力學行為涉及的學科點很多，目前具體應用于工程分析的理論方法非常少見。而定量的可比較研究基本都來自于試驗分析。美國加州理工學院的Knapp教授最早對材料的空蝕機理進行研究，其采用的磁致伸縮儀依然是當前大多數(shù)空蝕研究的主要設(shè)備[3]?；诳瘴g技術(shù)的微創(chuàng)結(jié)石手術(shù)的原理就來自于磁致伸縮儀[4]。旋轉(zhuǎn)圓盤空蝕試驗機則是另外一種常用的設(shè)備，其優(yōu)勢是可以進行批量樣本空蝕試驗，目前已在國內(nèi)外的空蝕試驗研究中廣泛采用[5，6]。材料的空蝕動力學行為不僅與空化本身的液力強度有關(guān)，還與材料本身的鑄造工藝、材料性能、金相組織有聯(lián)系。本文通過空化液力強度與葉片泵葉輪鑄造特性之間的關(guān)系，分析葉輪的空蝕動力學行為。

1 空化液力強度計算及分析

葉片泵葉輪的空蝕效果所受的外部因素很多，比如液體介質(zhì)構(gòu)成、溫度等[7]。這里只考慮空化本身的作用。間接計算空化液力強度的方法很多，這里只以最簡單明了的球形空泡破裂的破裂勢能計算公式來進行分析。如圖1所示半徑為RO的球形空泡破裂時的勢能Expn為：

式中 Re——球形空泡破裂結(jié)束后形成的小空泡的半徑；

RO——球形空泡破裂時的半徑；

pB——空泡內(nèi)的壓力（飽和汽化壓力）；

p∞——空泡外（無窮遠）處的壓力。

在常溫下自來水的飽和汽化壓力為pB=2335pa。假設(shè)空泡破裂后的大小為1μm（該值為目前數(shù)值分析中計算的空泡生長起始值），并假設(shè)空泡開始破裂時的外部壓力p∞是一個標準大氣壓，可以得到空泡破裂時的破裂勢能與空泡初始值RO的變化曲線如圖2所示。

圖1 球形空泡模型

圖2 空泡破裂勢能

從圖2可以看出，空泡的破裂勢能與空泡破裂前的空泡外徑的三次方成正比。在空化初始階段，空泡存在于過流部件表面的砂眼、縫隙等鑄造缺陷中，隨著流場中壓力的降低而生長、堆積，具體生長大小與砂眼、縫隙的尺度相關(guān)。因此，當鑄造精度較低時，空泡能夠達到的RO就會很大。也就是說鑄造精度低的過流部件所引起的空化液力強度會更大。

2 空蝕動力學行為分析

空蝕動力學行為是材料的固有屬性，用于描述材料的空化抵抗特性，其隨外部空化液力強度的變化而變化。定義材料的空蝕速度ER如公式2，以時間的變化特性來描述空蝕的動力學行為。

式中 Δt——測試的時間間隔；

A——空蝕發(fā)生區(qū)域的面積；

ρ——材料密度；

Δm——Δt時間段內(nèi)由于空蝕導致的材料損失質(zhì)量。

如圖3所示為葉輪的空蝕動力學行為的標準曲線，它包含了孕育區(qū)、累積區(qū)、緩和區(qū)和穩(wěn)定區(qū)四個完整的區(qū)域。

圖3 空蝕動力學行為曲線

空蝕的動力學行為與材料的金相組織、表面特性都有關(guān)。不過，各種材料都有一個空化液力強度的閾值Expn,cri，低于該閾值就不會有空蝕發(fā)生，所以也就無所謂空蝕動力學行為。當空化液力強度大于閾值Expn,cri時，空蝕就開始發(fā)生。

孕育區(qū)的存在事實上還是和材料的表面特性相關(guān)。具體而言，如果表面粗糙度大，孕育區(qū)則很短，如果粗糙度小，孕育區(qū)時間則長。在葉片泵的實際運行中并不是完全要求不發(fā)生空化的，當空化液力強度小于材料閾值或者空蝕的強度不足以影響葉輪的整個生命周期時，可以看做空蝕動力學行為都處于孕育區(qū)。如圖4所示為進口直徑2286mm的葉輪，該葉輪雖然在空化狀態(tài)下運行，但是采用了耐空蝕的X-Cavalloy材料，因此完全沒有空化破壞的痕跡。

圖4 耐空蝕材料制作的葉輪

在穩(wěn)定區(qū)，空蝕動力學行為就是指材料隨時間線性損失，這就是空蝕的一般行為。也就是在一定空化液力強度的作用下，材料會穩(wěn)步的脫落、損失。如圖5所示就是圖4的模型葉輪在模型試驗中的空蝕結(jié)果，該葉輪材料為鑄鐵。

圖5 鑄鐵模型葉輪

根據(jù)一般的理解，要么就不會發(fā)生空蝕，要么就會發(fā)生像穩(wěn)定區(qū)這樣材料損失速度恒定的空蝕。那么出現(xiàn)累積區(qū)和緩和區(qū)這種材料損失速度有巨大變化的原因是什么呢？實際上這還是與材料的表面金相組織相關(guān)。在各類鑄造工藝中，材料表面的處理工藝與材料內(nèi)部的有所不同，所以會呈現(xiàn)出不同的累積區(qū)和緩和區(qū)。因此，通常累積區(qū)和緩和區(qū)都比較短（很多并不存在）。同時，空化除了破壞作用以外，其對材料的沖擊還有沖擊強化的作用[8]。因此，空蝕動力學特性的外因?qū)嶋H上是空化液力強度的破壞和強化的綜合結(jié)果。這對于空蝕動力學行為的四個階段都是一樣的。

3 總結(jié)

（1）空蝕動力學特性是材料的固有屬性，其標準曲線包含孕育區(qū)、累積區(qū)、緩和區(qū)和穩(wěn)定區(qū)，但這四個區(qū)域并不總是并存的。

（2）以空化液力強度表征的空化不僅僅對材料有空化破壞作用，還有改善材料組織的空化強化效果。

（3）空蝕動力學行為曲線的累積區(qū)和緩和區(qū)表征了材料的表面特性；穩(wěn)定區(qū)表征材料的內(nèi)部特性；孕育區(qū)與表面粗糙度相關(guān)。

（4）在不同的空化液力強度作用下，會有不同的空蝕動力學行為。因此，如何定義標準的空化液力強度，應該是建立標準的空蝕動力學行為的前提和基礎(chǔ)。