1、離心式壓縮機是以氣體為工作介質(zhì)的典型高速旋轉(zhuǎn)式葉輪機械。它的用途很廣，特別是在石油、化工、天然氣管線、空氣分離、冶煉、制冷、礦山通風(fēng)和環(huán)境工程等領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛，已成為這些企業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備。但是輸運介質(zhì)中固體顆粒的存在，使得葉輪極易遭受固體顆粒沖蝕磨損，造成葉片減薄甚至誘發(fā)葉片斷裂失效。葉輪作為離心壓縮機核心部件，其材料特殊、制造工藝復(fù)雜、價格昂貴，屬于典型的高附加值產(chǎn)品，研究掌握壓縮機葉輪沖蝕磨損機理和規(guī)律，對于保障離心壓縮機組及

2、操作人員安全，保護工程價值和企業(yè)利益具有重要意義。因此，本文依托國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973計劃）項目“再制造對象的多強場、跨尺度損傷行為與機理，可再制造的臨界閾值(2011CB013401)”，以“離心葉輪氣固兩相流沖蝕環(huán)境——葉輪材料沖蝕磨損規(guī)律和機理——葉輪材料沖蝕理論模型建立——沖蝕磨損對材料表面特性影響規(guī)律”為主線，由宏觀到微觀對離心壓縮機葉輪沖蝕磨損機理和規(guī)律進行了系統(tǒng)的研究。
　　針對發(fā)生嚴(yán)重沖蝕磨損的空分用離心

3、壓縮機葉輪，首先，建立了葉輪全流道三維模型，采用三維雷諾時均的N-S方程、標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，模擬分析了葉輪內(nèi)部氣流速度場、壓力場及葉片溫度場的分布規(guī)律;然后，利用離散相模型研究了葉輪內(nèi)部氣固兩相流動，分析了葉輪內(nèi)固體顆粒的運行軌跡、運動速度、偏聚濃度及造成的葉片沖蝕分布。發(fā)現(xiàn)固體顆粒在輸運過程中的濃度偏聚是造成實際壓縮機葉輪的大葉片后緣根部磨損而小葉片幾乎不磨損的主要原因。基于數(shù)值計算，確定了葉輪沖蝕環(huán)境中的沖擊角度、沖擊速度、顆粒濃

4、度、環(huán)境溫度等試驗參數(shù)，為葉輪材料沖蝕磨損的試驗研究提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
　　為了從宏、微觀角度弄清葉輪材料沖蝕磨損時，材料流失的本質(zhì)及其影響因素。首先，通過模擬葉片真實工況的沖蝕試驗并結(jié)合材料的物理力學(xué)性能分析，研究了沖蝕時間、沖擊角度、沖擊速度、顆粒直徑等因素對葉輪材料FV520B沖蝕特性的影響規(guī)律。發(fā)現(xiàn)兩種熱處理方式獲得的高低強度的FV520B材料，均呈現(xiàn)出典型塑性材料的沖蝕特性，最大沖蝕角分別在24。和18。左右，屈服強度和表

5、面硬度高的高強度FV520B的相對沖蝕率低。葉輪材料的沖蝕率隨沖擊速度增加迅速升高，二者呈指數(shù)關(guān)系。沖蝕率隨顆粒直徑的增大而升高，二者近似線性關(guān)系。然后，利用沖蝕過程的數(shù)值仿真，研究了顆粒形狀、沖擊角度、沖擊速度、顆粒直徑等對沖蝕過程的應(yīng)力應(yīng)變、能量變化、沖蝕率等的影響規(guī)律，并和沖蝕試驗結(jié)果進行了對比分析。沖蝕過程的等效應(yīng)力大小與沖蝕率的變化規(guī)律具有一致性，沖蝕區(qū)等效應(yīng)力大小反映了靶材沖蝕的嚴(yán)重性。不同形狀的顆粒造成沖擊凹坑深度由深到淺

6、的順序是:三棱柱、四棱柱、六棱柱、正四棱柱、球，這和靶材吸收應(yīng)變能順序一致。對于同一形狀顆粒，其沖擊深度和應(yīng)力影響深度隨沖擊角度的變化規(guī)律不同，不能僅憑沖擊深度判定應(yīng)力影響深度，以屈服應(yīng)力為應(yīng)力影響下限研究沖蝕過程的應(yīng)力影響深度及亞表層硬化機制更合理。最后，借助沖蝕形貌的微觀分析，探討了葉輪材料沖蝕磨損機理。FV520B沖蝕磨損是切削磨損與變形磨損共同作用的結(jié)果:在低角度沖蝕時，以切削磨損為主;在大于60°的高角度沖蝕時，以變形磨損為主

7、。
　　當(dāng)前絕大部分沖蝕率計算模型是針對一定條件下的沖蝕試驗并對沖蝕過程進行相應(yīng)的簡化而來，可移植性較差，且缺乏對沖蝕深度計算模型的研究。因此，在變形磨損理論的基礎(chǔ)上，以單個球形顆粒沖擊靶材的過程入手，通過求解顆粒運動方程和碰撞的能量方程，并在計算中考慮顆粒的形狀因素，建立了塑性金屬的沖蝕率、沖蝕深度計算模型。借助葉輪材料的正交沖蝕試驗數(shù)據(jù)，利用回歸擬合的方法，獲得了葉輪材料FV520B沖蝕率和沖蝕深度的計算公式。對比分析表明，模

8、型計算值和試驗結(jié)果的吻合程度相當(dāng)高，能較為精確地預(yù)測葉輪材料FV520B的沖蝕規(guī)律。利用沖蝕深度計算公式對沈陽鼓風(fēng)機廠沖蝕磨損葉片的減薄壽命進行了評估，計算結(jié)果和實際壽命相吻合，為壓縮機葉輪沖蝕壽命計算奠定了理論和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
　　表面形貌劣化、殘余應(yīng)力積累對壓縮機葉輪性能及服役安全的影響非常巨大，為了掌握沖蝕磨損過程對材料表面幾何形貌、亞表面金相組織與性能的影響規(guī)律和機制，本文利用增量沖蝕試驗，對FV520B材料在不同沖擊角度下的

9、沖蝕凹坑深度、表面粗糙度、亞表層金相組織、顯微硬度、殘余應(yīng)力等表面特性的變化規(guī)律及形成機制進行了系統(tǒng)研究。不同沖擊角度下FV520B的沖蝕穿透率變化規(guī)律不同，這是沖蝕機理的不同導(dǎo)致的。低沖擊角度下，隨沖蝕進行表面粗糙度逐漸降低，表面愈加光滑;90。沖擊下，粗糙度變化不明顯;中等沖擊角度下，隨沖蝕進行，表面粗糙度先降低后升高，這是深度沖蝕后實際沖蝕角度產(chǎn)生分化而出現(xiàn)橫向沖蝕條紋導(dǎo)致的。沖蝕顆粒太小，沖蝕區(qū)域熱作用不明顯，不足以引起金屬材料