叶片泵叶轮铸造特性及空蚀动力学行为分析

2020-04-03杨建国

中国铸造装备与技术 2020年2期

杨建国，陈峰

（1.国机铸锻机械有限公司，山东济南 250306；2.苏美达股份有限公司，江苏南京 210018）

空化是液体中某个部位受到张应力（Tensile stress）作用而使液体发生断裂并出现空隙（Void）的现象。空化会对过流部件造成物理破坏，也就是空蚀[1]。目前有关空化研究的文献非常多，尤其是与螺旋桨和水泵、水轮机等水力机械中完全发展的空化相关的资料特别丰富[2]。但是具体到工程应用，空蚀的实际作用效果才是用户们所关心的。由于空蚀动力学行为涉及的学科点很多，目前具体应用于工程分析的理论方法非常少见。而定量的可比较研究基本都来自于试验分析。美国加州理工学院的Knapp教授最早对材料的空蚀机理进行研究，其采用的磁致伸缩仪依然是当前大多数空蚀研究的主要设备[3]。基于空蚀技术的微创结石手术的原理就来自于磁致伸缩仪[4]。旋转圆盘空蚀试验机则是另外一种常用的设备，其优势是可以进行批量样本空蚀试验，目前已在国内外的空蚀试验研究中广泛采用[5，6]。材料的空蚀动力学行为不仅与空化本身的液力强度有关，还与材料本身的铸造工艺、材料性能、金相组织有联系。本文通过空化液力强度与叶片泵叶轮铸造特性之间的关系，分析叶轮的空蚀动力学行为。

1 空化液力强度计算及分析

叶片泵叶轮的空蚀效果所受的外部因素很多，比如液体介质构成、温度等[7]。这里只考虑空化本身的作用。间接计算空化液力强度的方法很多，这里只以最简单明了的球形空泡破裂的破裂势能计算公式来进行分析。如图1所示半径为RO的球形空泡破裂时的势能Expn为：

式中 Re——球形空泡破裂结束后形成的小空泡的半径；

RO——球形空泡破裂时的半径；

pB——空泡内的压力（饱和汽化压力）；

p∞——空泡外（无穷远）处的压力。

在常温下自来水的饱和汽化压力为pB=2335pa。假设空泡破裂后的大小为1μm（该值为目前数值分析中计算的空泡生长起始值），并假设空泡开始破裂时的外部压力p∞是一个标准大气压，可以得到空泡破裂时的破裂势能与空泡初始值RO的变化曲线如图2所示。

图1 球形空泡模型

图2 空泡破裂势能

从图2可以看出，空泡的破裂势能与空泡破裂前的空泡外径的三次方成正比。在空化初始阶段，空泡存在于过流部件表面的砂眼、缝隙等铸造缺陷中，随着流场中压力的降低而生长、堆积，具体生长大小与砂眼、缝隙的尺度相关。因此，当铸造精度较低时，空泡能够达到的RO就会很大。也就是说铸造精度低的过流部件所引起的空化液力强度会更大。

2 空蚀动力学行为分析

空蚀动力学行为是材料的固有属性，用于描述材料的空化抵抗特性，其随外部空化液力强度的变化而变化。定义材料的空蚀速度ER如公式2，以时间的变化特性来描述空蚀的动力学行为。

式中 Δt——测试的时间间隔；

A——空蚀发生区域的面积；

ρ——材料密度；

Δm——Δt时间段内由于空蚀导致的材料损失质量。

如图3所示为叶轮的空蚀动力学行为的标准曲线，它包含了孕育区、累积区、缓和区和稳定区四个完整的区域。

图3 空蚀动力学行为曲线

空蚀的动力学行为与材料的金相组织、表面特性都有关。不过，各种材料都有一个空化液力强度的阈值Expn,cri，低于该阈值就不会有空蚀发生，所以也就无所谓空蚀动力学行为。当空化液力强度大于阈值Expn,cri时，空蚀就开始发生。

孕育区的存在事实上还是和材料的表面特性相关。具体而言，如果表面粗糙度大，孕育区则很短，如果粗糙度小，孕育区时间则长。在叶片泵的实际运行中并不是完全要求不发生空化的，当空化液力强度小于材料阈值或者空蚀的强度不足以影响叶轮的整个生命周期时，可以看做空蚀动力学行为都处于孕育区。如图4所示为进口直径2286mm的叶轮，该叶轮虽然在空化状态下运行，但是采用了耐空蚀的X-Cavalloy材料，因此完全没有空化破坏的痕迹。

图4 耐空蚀材料制作的叶轮

在稳定区，空蚀动力学行为就是指材料随时间线性损失，这就是空蚀的一般行为。也就是在一定空化液力强度的作用下，材料会稳步的脱落、损失。如图5所示就是图4的模型叶轮在模型试验中的空蚀结果，该叶轮材料为铸铁。

图5 铸铁模型叶轮

根据一般的理解，要么就不会发生空蚀，要么就会发生像稳定区这样材料损失速度恒定的空蚀。那么出现累积区和缓和区这种材料损失速度有巨大变化的原因是什么呢？实际上这还是与材料的表面金相组织相关。在各类铸造工艺中，材料表面的处理工艺与材料内部的有所不同，所以会呈现出不同的累积区和缓和区。因此，通常累积区和缓和区都比较短（很多并不存在）。同时，空化除了破坏作用以外，其对材料的冲击还有冲击强化的作用[8]。因此，空蚀动力学特性的外因实际上是空化液力强度的破坏和强化的综合结果。这对于空蚀动力学行为的四个阶段都是一样的。