風(fēng)機(jī)葉片材料磨損試驗(yàn)的研究分析論文
1引言
由于風(fēng)機(jī)經(jīng)常輸送含塵氣體，如除塵風(fēng)機(jī)、循環(huán)風(fēng)機(jī)等，葉輪因磨損其使用壽命僅為數(shù)月。尤其在燃煤發(fā)電廠(chǎng)使用的鍋爐引風(fēng)機(jī)和煤粉風(fēng)機(jī)，雖然含塵粒度和含塵量小很多，但對(duì)葉片和葉輪材料的耐磨性提出了特別高的要求，以保證發(fā)電廠(chǎng)能持續(xù)運(yùn)行。為了避免由于風(fēng)機(jī)動(dòng)葉片和葉輪的磨損而破壞風(fēng)機(jī)使發(fā)電廠(chǎng)停運(yùn)，所以，對(duì)風(fēng)機(jī)葉片和葉輪材料及附加的耐磨措施進(jìn)行研究顯得尤為重要。
針對(duì)風(fēng)機(jī)葉片磨損問(wèn)題，有對(duì)葉輪內(nèi)流計(jì)算，利用數(shù)值模擬技術(shù)，研究葉片磨損機(jī)理;有研制葉輪耐磨材料，也有進(jìn)行噴涂工藝的應(yīng)用研究。
通過(guò)對(duì)影響葉片磨損的關(guān)鍵因素(葉片材料、噴射角、噴射物、耐磨材料及堆焊技術(shù))進(jìn)行試驗(yàn)分析。以往耐磨研究范圍較小，一般是理論上的兩相流計(jì)算，也有單一領(lǐng)域的試驗(yàn)研究。然而，材料磨損試驗(yàn)臺(tái)的最大特點(diǎn)是可以進(jìn)行大范圍的各種對(duì)比磨損試驗(yàn):改變氣流速度和噴射角、改變材料的表面特性、結(jié)合兩相流計(jì)算或?qū)Σ牧蠂娡抗に囇芯康尿?yàn)證等，其試驗(yàn)材料的重量損失能直觀(guān)地反映出相應(yīng)的磨損量。試驗(yàn)成果將有助于對(duì)風(fēng)機(jī)葉片和葉輪采用更有效的耐磨技術(shù)，提高風(fēng)機(jī)動(dòng)葉片和葉輪的使用壽命。
2試驗(yàn)原理
磨損試驗(yàn)的工作原理是當(dāng)一股具有一定壓力的壓縮空氣進(jìn)入混合器時(shí)，砂箱中的粒子由于重力和虹吸的作用也進(jìn)入混合器，氣流和粒子的混合體經(jīng)過(guò)噴嘴噴射在試驗(yàn)箱中的試驗(yàn)材料上。試驗(yàn)材料可以隨“可移動(dòng)蓋板”和“可轉(zhuǎn)動(dòng)蓋板”來(lái)調(diào)節(jié)離噴嘴的距離和噴射角度，以便測(cè)得不同速度和不同入射角下，粒子對(duì)材料的磨損狀況。廢棄可通過(guò)除塵器來(lái)凈化，最后被風(fēng)機(jī)排出管道。
3試驗(yàn)條件
3. 1試樣的尺寸和材料
所有試樣的磨損面尺寸均為150mm x150mm x 10mm;試樣的材料選用普通葉輪的基本材料:Q235A,16Mn、球墨鑄鐵、鑄鋁合金;噴焊耐磨試驗(yàn)材料選用動(dòng)葉片的常用材料:16Mn和15 上噴焊1.2 mm厚度的耐磨材料Hagtel-lite8粉末;堆焊試驗(yàn)材料選用葉輪基本材料Q235 A上堆焊焊條材料為717,856 517和Fe –O2。
3.2噴嘴速度
為了進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，在所有試驗(yàn)中，要使均壓罐中壓力保持穩(wěn)定在1.2kg/c廳，即相當(dāng)于氣流速度為85m/s(此值是在噴嘴后180mm處測(cè)得的)。
3.3噴射物
為了遵守同樣的試驗(yàn)條件，噴射物只可以使用一次。噴射物為石英砂，其化學(xué)成分為:99.5%SiOZ，其粒度分布如下:200-300 m占15% ;100-200m占70% ;100m以下占15% 。
3.4噴嘴
噴嘴采用德國(guó)某公司生產(chǎn)的專(zhuān)業(yè)噴嘴，其內(nèi)徑為10mm，這種噴嘴是經(jīng)過(guò)碳化硼硬化處理的，由此而達(dá)到較長(zhǎng)的壽命，能保證均勻的噴射和相同的試驗(yàn)條件。
3.5噴射距離和噴射物量
在所有試驗(yàn)中，噴射與試驗(yàn)面的距離為180mm，噴射物每次為6kg，因此，在所有試驗(yàn)中均具備相同的條件。
3.6噴射角度
沖擊式噴射磨損主要產(chǎn)生在動(dòng)葉片的前緣部分，而傾斜式和平射式噴射磨損是在動(dòng)葉片的壓力面上最易發(fā)生。本文對(duì)各材料選典型的噴射角為150,300,450,600,75傾斜式噴射磨損和噴射角為90的沖擊式噴射磨損的情況下進(jìn)行，以獲得各噴射角下的試驗(yàn)曲線(xiàn)，并有助于流道內(nèi)兩相流數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)，避免含塵氣流在磨損量較大的噴射角下撞擊葉輪和動(dòng)葉片。
4耐磨特性的分析
4.1葉片基本材料的耐磨性比較
記錄了各種試驗(yàn)材料在不同噴射角下所發(fā)生的體積磨損。
此外，若在整個(gè)噴射角范圍按耐磨性來(lái)編排試驗(yàn)材料，則次序?yàn)?(1) 16Mn; (2) Q235A; (3)球墨鑄鐵;(4)鑄鋁合金(ZL104)。
由此可得:在氣流速度、粒子顆粒等其他條件不變的情況下，材料的磨損量不僅與噴射角有關(guān)，而且跟材料特性有關(guān)。塑性材料和脆性材料表現(xiàn)不同，在噴射角小于300時(shí)，脆性材料(鑄鋁合金、球墨鑄鐵)比塑性材料(Q235 A,16Mn)磨損量更大。
4.2葉片基本材料加上磨損保護(hù)層后的耐磨性比較
對(duì)葉片基本材料16Mn和15 MnTi鍍上耐磨層后，與基材進(jìn)行耐磨試驗(yàn)比較。當(dāng)噴射角大于45時(shí)，加保護(hù)層的材料抵抗磨損的能力要比不加保護(hù)層的材料小，只有在噴射角小于45時(shí)，加保護(hù)層的材料抵抗磨損的能力比不加保護(hù)層的材料要大。由此可得，材料加保護(hù)層，只有在小的噴射角下，耐磨層才能發(fā)揮作用，改善材料的耐磨性。
4. 3堆焊材料的耐磨性比較
對(duì)材料為Q235 A及在其表面堆焊耐磨材料進(jìn)行的試驗(yàn)比較。采用相同方式的堆焊，其焊條材料分別是717,856,517和Fe-O2 .
當(dāng)噴射角小于40時(shí)，堆焊材料后的耐磨性明顯比不堆焊的Q235 A材料要好，特別是用焊條517和Fe-O2做成的堆焊，它們的耐磨性在所有噴射角中始終比不堆焊的Q235 A材料好很多。從各種堆焊材料的耐磨性來(lái)看，按耐磨性較好的依次排隊(duì)是:Fe -05517，856和717。
從所有Q235 A加上堆焊材料的磨損試驗(yàn)曲線(xiàn)來(lái)看，所有堆焊材料在35-45時(shí)，其磨損量達(dá)到最大。
5顆粒物和速度對(duì)磨損的影響
5. 1噴射物對(duì)磨損的影響
用上海某發(fā)電廠(chǎng)的灰塵作為噴射物進(jìn)行的試驗(yàn)結(jié)果。從圖可以看出，葉片基本材料的耐磨性情況與采用石英砂進(jìn)行的試驗(yàn)結(jié)果相類(lèi)似。由于灰塵的粒度要比石英砂的粒度小得多，硬度亦小，因而磨損量也相應(yīng)減小。由此可見(jiàn)，材料的'耐磨性與噴射物的粒度大小和硬度有關(guān)。
5. 2不同的噴射速度對(duì)磨損的影響
調(diào)整均壓罐壓力，改變噴射氣流速度，選用噴射速度40m/s和110m/s，對(duì)比原噴射速度85m/s獲得體積磨損量和噴射速度的關(guān)系曲線(xiàn)。
記錄了16Mn材料的體積磨損量與噴射速度的關(guān)系。噴射速度對(duì)磨損的影響較大，速度越高，其磨損量也越大，這與通常的理論計(jì)算的結(jié)果相吻合。另外，在圖中還可以看出，在相同的速度下，噴射角為300和45時(shí)的磨損量較大，與前幾個(gè)試驗(yàn)結(jié)果相似。
6結(jié)論
(1)磨損與含粒子氣流的碰撞角有關(guān)。對(duì)一般不加處理的葉片材料而言，如果氣流能平緩地沿著葉片流動(dòng)，即碰撞角很小，那么，其磨損相對(duì)就小;如果氣流碰撞角較大，尤其是處于45時(shí)，其磨損就會(huì)達(dá)到最大。因而，在設(shè)計(jì)葉輪時(shí)，盡量避免較大的氣流沖角。
(2)磨損與粒子的顆粒直徑、硬度以及氣流速度有關(guān)。兩組試驗(yàn)曲線(xiàn)對(duì)比可以得知，氣流中粒子的顆粒直徑愈大、硬度愈高(如石英砂)，對(duì)葉片的磨損就會(huì)比顆粒直徑較小、硬度也較低(如電廠(chǎng)煤灰)的磨損大得多。
磨損與氣流速度成正比，氣流速度越大，氣流中的粒子對(duì)葉片的磨損也越大;氣流速度越小，氣流中的粒子對(duì)葉片的磨損影響就相對(duì)小些。
(3)磨損與葉片材料的表面特性有關(guān)，對(duì)葉片材料的表面進(jìn)行處理，其磨損會(huì)發(fā)生變化。對(duì)葉片材料表面噴焊耐磨層或堆焊，其表面硬度就會(huì)提高，在碰撞角較小時(shí)，對(duì)磨損有較大的改善。而在碰撞角較大時(shí)，改善效果不明顯，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生更大的磨損。因此，對(duì)葉片材料進(jìn)行表面處理，只有在氣流碰撞角較小時(shí)才適應(yīng)。
在設(shè)計(jì)葉輪時(shí)，應(yīng)結(jié)合葉輪兩相流理論，分析計(jì)算粒子碰撞葉片的速度和角度，以便對(duì)葉片分段采取耐磨措施。在粒子的碰撞角較小、且比較密集的區(qū)域，應(yīng)采用噴焊耐磨層或堆焊Fe – O2等材料的方法，使表面硬度提高，改善磨損性能。而在粒子碰撞角較大處，可采用堆焊硬度較低的材料來(lái)改善磨損。本文的試驗(yàn)研究成果對(duì)輸送含塵氣體的風(fēng)機(jī)葉輪、葉片的設(shè)計(jì)和耐磨工藝應(yīng)該有較好的參考價(jià)值。
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