涂层对固液两相流离心泵运行特性影响

摘要

本文的研究是在国家自然科学基金“离心泵空化非定常动力特性与空蚀机理研究”（项目编号：51779106）和水利部技术示范项目“新型抗磨技术在扬黄灌排泵站应用与推广”（项目编号：SF-201604）的资助下开展的。固液两相流离心泵在实际应用中由于其输送介质的特殊性，含沙水流会对过流部件表面产生磨损或切削破坏，严重影响其运行稳定性和使用寿命。针对这类问题，主要采用抗磨损性能较好的涂层材料对过流部件表面进行涂层防护。目前虽对涂层材料和固液两相流泵研究较多，但由于涂层材料种类繁杂，加上两相流动的复杂性，使得在涂层材料性能分析及其对泵性能影响等方面存在很多亟待解决的难题。本文对三种改性后的典型涂层材料进行试验研究，选取综合性能最好的聚氨酯材料喷涂于固液两相流离心泵叶轮工作面，采用理论分析、试验研究和数值模拟相结合的方法，研究涂层对固液两相流离心泵性能的影响。主要研究工作和成果如下： 1、介绍了过流部件表面涂层防护常用的非金属涂层材料和金属涂层材料，对各类涂层材料的优缺点及国内外研究现状进行了系统地总结。 2、介绍了三种典型涂层材料-环氧树脂砂浆、复合树脂砂浆和聚氨酯的主要原材料和配方，通过试验测试了材料的力学性能、抗磨损性能和抗空蚀性能。研究结果表明：（1）材料抗压和粘结强度由强到弱顺序为：聚氨酯、复合树脂砂浆和环氧树脂砂浆；拉伸和抗弯曲强度由强到弱顺序为：聚氨酯、环氧树脂砂浆和复合树脂砂浆；（2）复合树脂砂浆磨损累计体积减少量呈斜波形变化，短时间内的抗磨损性能优于环氧树脂砂浆。环氧树脂砂浆和复合树脂砂浆磨损速率大于聚氨酯。在抗磨损测试时间30h内，环氧树脂砂浆、复合树脂砂浆和聚氨酯磨损总体积分别减小了8.74%、9.89%和0.58%；（3）环氧树脂砂浆空蚀累计体积减少量与时间成正比例关系。在抗空蚀测试时间26h内，复合树脂砂浆、聚氨酯和环氧树脂砂浆空蚀总体积分别减小了0.44%、0.29%和0.35%，说明三种涂层材料抗空蚀性能接近，聚氨酯材料综合性能最优。 3、在清水条件下，研究了聚氨酯涂层对固液两相流离心泵能量性能、振动和压力脉动等特性的影响，并结合数值模拟进一步分析了模型泵内部流动、叶轮轴向力和径向力等特性。研究表明：（1）保持叶轮出口安放角β2不变，扬程和效率均随涂层厚度增加而减小，且减小的幅度随涂层厚度增加而增大；（2）压力脉动峰峰值和各测点处振动速度幅值均随涂层厚度增加而增大；（3）叶轮进口处压力随涂层厚度增加先增大再减小，涂层厚度系数选择存在最优范围K1~K2（涂层厚度1~2mm/叶片厚度6mm）；（4）叶轮轴向力和径向力随涂层厚度增加而增大，且径向力呈三角形对称分布，与叶片数相同。 4、以黄河流域含沙水流特点为背景，对涂层处理后模型泵在含沙水流条件下的能量性能、振动特性、压力脉动、内流特性、叶轮轴向力和径向力等进行了研究。研究表明：（1）含沙水流在小流量工况下的扬程略大于清水。当流量超过 0.9Qd，含沙水条件下扬程减小更快；（2）清水和含沙水流条件下涂层处理前、后振动的主要激励均来源于叶频和轴频，说明涂层处理并没有改变模型泵的激励频率；涂层厚度系数为K1时，压力脉动的峰峰值最小，说明较小厚度涂层可以减小模型泵出口压力脉动波动；（3）含沙水流条件下叶轮进口处压力比清水条件高，且涂层厚度系数小于K2时，可以在一定程度上提高模型泵叶轮进口处压力；叶片工作面靠近叶轮进口和出口部分容易磨损；（4）各个工况下四种涂层厚度模型泵叶轮轴向力和径向力在含沙水流条件下均比清水介质大，在设计工况下，叶轮径向力幅值分别增加了21.09%、12.09%、12.25%和11.87%。

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