水机涡轮弹性涂层抗冲蚀理论及应用

论文题目: 水机涡轮弹性涂层抗冲蚀理论及应用

论文类型: 博士论文

论文专业: 工程力学

作者: 郭源君

导师: 王永岩

关键词: 涡轮,两相流,冲蚀损伤,冲蚀模型,边界层,弹性边壁,弹性涂层,同步波动,界面应力,流固作用

文献来源: 辽宁工程技术大学

发表年度: 2005

论文摘要: 水流挟带沙粒冲击流道边壁造成的冲蚀损伤是水轮机涡轮等过流件早期失效的重要原因,它是流体动力学磨粒磨损的具体体现,被认为是世界性的技术难题。研究流道近壁粒子运动与边壁材料响应之间的内在联系,寻找流道抗冲蚀设计的一般规律及表面保护技术有着重要的科学与应用意义。随着世界工业化进程的加快,植被不断遭到破坏,水土流失加剧,含沙河流愈来愈多,该领域的研究已受到各国研究人员的广泛关注。 本文在综合国内外关于水机冲蚀及相关领域研究文献的基础上,提出了采用弹性涂层实现边壁与边界层扰动同步波动,变边壁被动承受粒子冲击为主动回避与粒子接触的抗冲蚀设计理论;全面研究了弹性涂层的湿热强度、冲蚀损伤特性、涡轮边壁弹性涂层的制备技术以及工程应用。全文共分七章。 第一章为绪论,综述了国内外有关水轮机冲蚀的研究概况,阐述了本文的研究目的、意义与主要研究内容。 第二章导出了水机涡轮流道中的粒子运动微分方程,以此为基础,分析了粒子冲击流道边壁的条件及相关因素的影响。 第三章通过分析流道边界层扰动波与过流面冲蚀波纹特征参数之间的对应关系,提出了采用弹性涂层实现边壁与边界层扰动同步波动的抗冲蚀设计思想;分析了同步波动的条件、边壁波动位移及粘接界面的波动应力;根据数值计算结果,绘制出边壁波动常数曲线。奠定了弹性涂层抗冲蚀的理论基础并为弹性涂层配方设计提供了理论依据。 第四章采用理论与实验相结合,分析了弹性涂层的固化内应力、湿热特性与湿热应力以及涂层表面与粒子冲击接触过程的动应力,所得结论是弹性涂层常规强度计算与可靠性设计的依据。 第五章采用自己安装的实验设备进行了模拟冲蚀试验,根据试验结果绘制出弹性涂层的冲蚀损伤特性曲线,以此为基础并与接触过程的动力学分析相结合建立了弹性涂层的冲蚀模型。 第六章研究了水机涡轮流道弹性涂层的结构设计及制备工艺,同时介绍了弹性涂层在有关水电站的应用结果。 第七章对全文进行总结。

论文目录:

1 绪论

1．1 选题的工程背景

1．2 本文研究的科学与应用意义

1．3 水轮机冲蚀损伤的国内外研究概况

1．3．1 流场中的粒子运动与两相流模型

1．3．2 水轮机涡轮流道中的粒子运动

1．3．3 粒子与材料的接触过程

1．3．4 材料冲蚀损伤特性研究

1．3．5 有机复合材料的冲蚀研究

1．4 水轮机流道冲蚀损伤研究的现状综述

1．4．1 流道中的沙水两相流运动与边壁损伤形貌特征

1．4．2 材料的冲蚀损伤特性

1．4．3 目前研究内容的局限

1．5 本文的研究内容

2 涡轮流道中的沙粒运动分析

2．1 引言

2．2 涡轮流道中的粒子运动

2．2．1 任意流场中的粒子运动方程

2．2．2 涡轮流道中的粒子运动方程

2．3 涡轮流道中近壁粒子的极限运动

2．3．1 涡轮流道中液相流动数值解

2．3．2 边壁附近的粒子运动

2．3．3 涡轮边壁射流型撞击的影响因素

2．4 小结

3 弹性边壁同步波动的抗冲蚀设计原理

3．1 引言

3．1．1 流道表面边界层中的扰动波

3．1．2 冲蚀形貌特征分析与抗冲蚀弹性涂层的设计思想

3．2 弹性边壁的波动方程

3．3 弹性边壁的同步波动条件

3．4 同步波动的位移与波动应力(C_2>C_3>C_1)

3．4．1 畸变波动的位移

3．4．2 无旋波动的位移

3．4．3 位移常数与波动应力

3．5 同步波动的位移与波动应力(C_2> C_1>C_3)

3．5．1 波动位移

3．5．2 位移常数与波动应力

3．6 涡轮流道抗冲蚀弹性涂层设计的数值计算

3．6．1 同步波动的力学参数

3．6．2 位移常数的数值计算方程

3．6．3 位移常数的数值计算

3．7 小结

4 弹性涂层的强度与湿热特性

4．1 涂层表面的粒子冲击动应力

4．1．1 冲击接触力学模型

4．1．2 冲蚀接触动力分析

4．1．3 影响粒子接触动应力的因素

4．2 弹性涂层粘接界面的固化内应力

4．2．1 涂层的固化残余应力的测试

4．2．2 测试结果与分析结论

4．3 弹性涂层表面的动态吸湿应力

4．3．1 涂层材料的平衡吸湿浓度与扩散系数

4．3．2 涂层材料的吸湿应变与吸湿系数

4．3．3 涂层吸湿浓度与吸湿应力分析

4．4 弹性涂层的相间吸湿应力分析

4．4．1 分析模型

4．4．2 胶层相间的吸湿应力解

4．5 弹性涂层的相间热应力分析

4．5．1 分析模型

4．5．2 热应力及位移场分析

4．5．3 胶层基体的升温屈服分析

4．6 弹性涂层的动态热应力分析

4．6．1 分析模型

4．6．2 非定常热传导微分方程

4．6．3 升温冲击动应力解

4．7 小结

5 弹性涂层的冲蚀损伤性

5．1 引言

5．2 弹性涂层的冲蚀损伤试验

5．2．1 试验设备

5．2．2 弹性涂层的平面绕流冲蚀试验结果

5．2．3 弹性涂层的射流冲蚀试验

5．3 弹性涂层的冲蚀疲劳曲线与冲蚀模型

5．3．1 弹性涂层冲击接触性质的判定

5．3．2 弹性涂层的冲蚀疲劳特性曲线

5．3．3 弹性涂层的冲蚀损伤模型

5．4 粒子与涂层表面的冲击摩擦

5．4．1 大变形冲击摩擦系数的理论分析

5．4．2 冲击摩擦试验

5．5 小结

6 抗冲蚀弹性涂层在水电工程中的应用

6．1 弹性涂层的制备与有关性能试验

6．1．1 分层结构与功能

6．1．2 材料配方与力学性能

6．1．3 弹性涂层的制备

6．2 抗冲蚀弹性涂层的应用

7 结束语

7．1 主要研究工作

7．2 本文的主要结论

7．3 主要成果

7．4 对本文研究的说明与进一步研究方向

致谢

参考文献

作者简介

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发布时间: 2005-05-09

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