高速液滴撞擊下葉片表面微結(jié)構(gòu)防水蝕性能研究

陳由翔,陳子峰,楊斌,張荻,謝永慧,李一興

(1.西安交通大學(xué)熱流科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,710049,西安; 2.西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,710049,西安; 3.中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七○四研究所,200031,上海)

隨著“雙碳”目標(biāo)的提出,未來(lái)新能源發(fā)電裝機(jī)容量將迎來(lái)更大的增長(zhǎng)[1],新能源發(fā)電的間歇性和隨機(jī)性給電網(wǎng)帶來(lái)更大的挑戰(zhàn)[2]。為適應(yīng)電力系統(tǒng)新形勢(shì),汽輪機(jī)組深度調(diào)峰、低負(fù)荷運(yùn)行已成新常態(tài)。由此引發(fā)汽輪機(jī)通流部分的濕度增大,葉片水蝕現(xiàn)象頻發(fā)[3]。水蝕現(xiàn)象不僅會(huì)破壞葉型造成級(jí)效率下降,嚴(yán)重時(shí)還可能使葉片斷裂,造成重大的運(yùn)行事故[4-6]。在此背景下,防水蝕措施的采用顯得尤為重要。

目前國(guó)內(nèi)外各大汽輪機(jī)企業(yè)通常采用被動(dòng)式防水蝕手段[7-9]。在被動(dòng)式葉片防水蝕的研究上,國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了廣泛研究。Mahdipoor等[10-11]將WC-Co涂層材料覆蓋在基材上進(jìn)行測(cè)試,發(fā)現(xiàn)其侵蝕速率比基材低7倍。Shabana等[12]對(duì)3種工業(yè)粉末進(jìn)行了涂層制備和耐侵蝕評(píng)價(jià),發(fā)現(xiàn)NiCrBSi在室溫下耐侵蝕性能最好。Zhang等[13]測(cè)試了高速氧燃料噴涂(HVOF)和大氣等離子噴涂(APS)處理的17-4PH材料,發(fā)現(xiàn)利用HVOF涂層具有最佳抗水蝕性能。Di等[14]使用有限元方法研究了單顆粒沖擊下硼化物涂層的抗沖蝕性能。Batory等[15]對(duì)Ti6Al4V合金進(jìn)行了RF等離子氮化,發(fā)現(xiàn)其水蝕性能明顯提升。邸娟等[16]用有限元方法研究了17-4PH材料不同粗糙度對(duì)抗水蝕性能的影響。汪勇等[17]使用數(shù)值模擬方法研究了不同材料表面在液固撞擊下的損傷特性。Kirols等[18]研究了Cr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%的不銹鋼和Ti6Al4V合金的表面粗糙度對(duì)水蝕過(guò)程的影響,發(fā)現(xiàn)表面拋光可以延長(zhǎng)其70%和100%的水蝕潛伏期時(shí)長(zhǎng)。Oka等[19]采用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)試了不同厚度的滲鋁擴(kuò)散涂層抗水蝕性能,發(fā)現(xiàn)包含小顆粒氧化鋁的金屬?gòu)?fù)合涂層具有良好的抗水蝕性能。Gujba等[20]研究了激光沖擊強(qiáng)化(LSP)配合噴丸處理的鈦合金材料的液滴沖蝕性能。黃有為等[21]研究確定了釬焊司太立合金片防水蝕的工藝參數(shù)。

可見(jiàn),目前抗水蝕性能的研究普遍集中于材料性能和表面涂層方面,而對(duì)葉片表面結(jié)構(gòu)的抗水蝕研究幾乎沒(méi)有?；诖?本文提出一種葉片表面微結(jié)構(gòu)的防水蝕思路,探究多種不同表面微結(jié)構(gòu)的抗水蝕性能,為葉片防水蝕設(shè)計(jì)提供重要思路及數(shù)據(jù)。

1 研究方案及試驗(yàn)方法

1.1 高速旋轉(zhuǎn)水蝕性能測(cè)試系統(tǒng)

本文的研究基于高速旋轉(zhuǎn)水蝕性能測(cè)試試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行,該系統(tǒng)的示意圖和實(shí)物圖如圖1所示。主要包括控制電柜、直流電機(jī)、齒輪增速箱、試驗(yàn)段、高速射流發(fā)生器、水環(huán)式真空泵、潤(rùn)滑油站等設(shè)備。

1—轉(zhuǎn)速傳感器;2—位移傳感器。

本試驗(yàn)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)速范圍為0～9 000 r·min-1,試驗(yàn)段腔體內(nèi)的壓力可通過(guò)真空泵抽真空,降低至10 kPa,射流最大撞擊速度v大于650 m·s-1。本試驗(yàn)臺(tái)從轉(zhuǎn)速、壓力環(huán)境、液滴撞擊速度3個(gè)方面,很好地貼合了真實(shí)的水蝕情況,完全可以模擬汽輪機(jī)葉片水蝕的實(shí)際條件。進(jìn)一步地,在試驗(yàn)段中,用于固定試件的裝置是一個(gè)安裝于轉(zhuǎn)軸上的輪盤,輪盤示意圖如圖1所示。高速射流將由噴嘴射出,并打擊在高速旋轉(zhuǎn)的輪盤內(nèi)的試件上。這些試件受到周期性高速射流的作用,因此數(shù)千小時(shí)的水蝕失效過(guò)程可以在數(shù)百分鐘內(nèi)模擬,在短時(shí)間內(nèi)獲得足夠的試驗(yàn)數(shù)據(jù),大大節(jié)省試驗(yàn)成本。

本文研究采用1 500 r·min-1的輪盤轉(zhuǎn)速和619.79 m·s-1的射流速度作為試驗(yàn)工況,以模擬真實(shí)的汽輪機(jī)葉片水蝕環(huán)境。

1.2 防水蝕微結(jié)構(gòu)的提出

汽輪機(jī)葉片的水蝕通常頻繁且集中地發(fā)生在末級(jí)葉片上半部分靠近進(jìn)氣側(cè)的區(qū)域[8],這一區(qū)域的葉身較窄,葉片扭度大,如能在該區(qū)域針對(duì)性地布置表面防水蝕結(jié)構(gòu),則能精準(zhǔn)有效地減緩葉片水蝕作用。

本文針對(duì)葉片頻發(fā)區(qū)域的特點(diǎn),提出一種葉片表面微結(jié)構(gòu)的防水蝕方法,這類表面微結(jié)構(gòu)尺寸小、造型簡(jiǎn)單、加工方便,能在不影響葉型性能的前提下起到防水蝕作用。本文提出了一些典型的微結(jié)構(gòu)造型來(lái)進(jìn)行水蝕性能測(cè)試,提出過(guò)程如下。

Zhang等[22]的研究結(jié)果表明:材料表面的水蝕程度隨撞擊角增大而增加,且不平整的表面更容易形成緩沖水膜。這說(shuō)明:使用能減小液滴撞擊角和易于形成水膜的結(jié)構(gòu),能對(duì)防水蝕有所幫助。同時(shí),葉片不僅受到液滴的直接沖擊,還受到液滴撞擊破裂后形成的側(cè)向射流[23]的作用。因此,采用能阻礙側(cè)向射流發(fā)展的突起和凹陷形結(jié)構(gòu),能對(duì)防水蝕有所幫助。此外,考慮到水蝕二次液滴中,有害液滴的直徑范圍為20～200 μm[24],因此表面防水蝕微結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)當(dāng)比有害液滴的最大直徑偏大,但是為保證葉型性能,也不應(yīng)太大。同時(shí),考慮到工程加工實(shí)際的便利程度,所提出的結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)是簡(jiǎn)易而便于加工的。

基于上述思路,參考微通道流動(dòng)控制領(lǐng)域性能良好、應(yīng)用廣泛且滿足前文要求的結(jié)構(gòu)[25-26],本文設(shè)計(jì)了溝槽、條紋、球窩、球凸和鋸齒5種防水蝕結(jié)構(gòu)。試件基礎(chǔ)塊保持一致,如圖2所示。微結(jié)構(gòu)布置的三維造型如圖3所示,具體尺寸如下。溝槽:截面半徑R=0.5 mm,間隔1.0 mm均布;條紋:截面半徑R=0.5 mm,間隔1.0 mm均布;球窩:半徑R=1.0 mm,叉排分布;球凸:半徑R=1.0 mm,叉排分布;鋸齒:三棱柱形的鋸齒,緊密并列式均布。

圖2 試件塊幾何尺寸

圖3 防水蝕結(jié)構(gòu)三維造型

1.3 測(cè)試材料的選取

為了更好地對(duì)比5種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與平面結(jié)構(gòu)的抗水蝕性能,本文將采用17-4PH與2Cr13兩種材料進(jìn)行試件的加工。2Cr13(馬氏體不銹鋼)是早期常用的汽輪機(jī)葉片材料。隨著汽輪機(jī)工作環(huán)境日趨惡劣,汽輪機(jī)廠多用17-4PH進(jìn)行葉片的生產(chǎn),其力學(xué)性能相較于2Cr13有明顯的提升。因此,選用這兩種葉片常用材料打造試件。為排除隨機(jī)誤差,本文對(duì)每種試件打造兩個(gè)。兩種材料的具體信息見(jiàn)表1。

表1 兩種材料的具體信息表

1.4 測(cè)試及分析方法

本文采用失重法進(jìn)行試件質(zhì)量損失的測(cè)量。失重法就是測(cè)量每個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)上的質(zhì)量損失,進(jìn)而得到完整的質(zhì)量損失過(guò)程。失重法實(shí)施方便、成本低廉,是材料水蝕特性研究中常用的方法。

由于本文不同微結(jié)構(gòu)的布置,導(dǎo)致試件的質(zhì)量不同,故本文不能單純研究質(zhì)量損失。本文提出了平均體積損失的水蝕衡量方法。平均體積損失體現(xiàn)了單位射流面積對(duì)應(yīng)的試件塊的體積損失,以此可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同質(zhì)量、不同表面結(jié)構(gòu)的試件的水蝕特性進(jìn)行統(tǒng)一化衡量。通過(guò)失重法得到平均體積損失的過(guò)程如下

(1)

本文采用累積體積損失與無(wú)量綱抗水蝕性能系數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo),以對(duì)比不同結(jié)構(gòu)抗水蝕性能。完整的數(shù)據(jù)分析方法如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)分析方法示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 不同表面微結(jié)構(gòu)的水蝕特性試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 平面結(jié)構(gòu)

平面試件表面的侵蝕形貌隨時(shí)間的變化如圖5所示。由圖5可以看出,17-4PH與2Cr13兩種材料的平面試件表面侵蝕形貌發(fā)展規(guī)律基本一致,具體表現(xiàn)為:首先,最開(kāi)始試件表面均只發(fā)生塑性變形,未出現(xiàn)明顯的材料損傷,表面只出現(xiàn)了很淺的壓痕;隨著撞擊持續(xù),在8～10 min左右,試件表面開(kāi)始出現(xiàn)離散的侵蝕凹坑,這些凹坑整體分布在壓痕周圍,17-4PH試件出現(xiàn)凹坑的時(shí)間點(diǎn)比2Cr13略晚,且數(shù)量比2Cr13少;其次,試件表面這些離散的侵蝕凹坑逐漸擴(kuò)散變大,臨近的侵蝕凹坑逐漸合并成更大的侵蝕凹坑,并由此發(fā)展成一條明顯的侵蝕凹槽;最后,侵蝕凹槽進(jìn)一步變寬變深,最終試件表面的侵蝕凹槽寬度基本不變,而深度隨水蝕過(guò)程的進(jìn)行而逐步加深。

圖5 平面試件表面侵蝕形貌

在撞擊30、160 min時(shí),從放大40倍后的試件表面侵蝕形貌可以看出,17-4PH平面試件的侵蝕凹槽明顯比2Cr13的窄,顯然在同樣的水蝕測(cè)試條件下,17-4PH的水蝕程度相較于2Cr13更輕,其抗水蝕性能更強(qiáng),這與材料性能的預(yù)期一致。

平面試件的平均累積體積損失曲線如圖6所示。曲線橫坐標(biāo)是試件受射流持續(xù)撞擊時(shí)間,縱坐標(biāo)是每種材料所有平面試件的平均累積體積損失。從圖6中可以看出,2種材料平面結(jié)構(gòu)的體積損失規(guī)律基本一致,均表現(xiàn)為:在水蝕發(fā)展初期,材料的體積損失很小,侵蝕速度慢;隨著射流撞擊時(shí)間增加,材料的侵蝕速度逐漸加快,然后侵蝕率略微下降,并保持一個(gè)較穩(wěn)定的侵蝕率,但17-4PH 的體積損失總體上均小于2Cr13的體積損失,這與侵蝕形貌圖5中結(jié)論一致。

圖6 平面試件的平均累積體積損失曲線

2.1.2 溝槽與條紋結(jié)構(gòu)

溝槽與條紋試件表面的侵蝕形貌隨時(shí)間的變化如圖7所示。侵蝕變化趨勢(shì)在大體上與平面結(jié)構(gòu)一致?？梢园l(fā)現(xiàn),在開(kāi)始階段,試件表面僅在平面處生成壓痕,而在溝槽結(jié)構(gòu)和條紋結(jié)構(gòu)內(nèi)無(wú)明顯壓痕。同時(shí),兩種結(jié)構(gòu)侵蝕凹槽的擴(kuò)展相較于平面結(jié)構(gòu)更緩慢,這是由于溝槽結(jié)構(gòu)更容易在溝槽內(nèi)形成水膜,從而減緩液滴沖擊作用;條紋結(jié)構(gòu)極大地改變了液滴的撞擊角,進(jìn)而削弱液滴沖擊作用力,從而實(shí)現(xiàn)了防水蝕作用。從圖5中也可以明顯看出,平面部分的水蝕程度要比溝槽和條紋部分嚴(yán)重。

圖7 溝槽及條紋試件表面侵蝕形貌

溝槽、條紋試件與平面試件的體積損失曲線對(duì)比如圖8、9所示,由圖8、9可以看出:一方面,射流撞擊160 min時(shí),兩種結(jié)構(gòu)的體積損失均小于平面,說(shuō)明兩種結(jié)構(gòu)的防水蝕性能尚可;另一方面,兩結(jié)構(gòu)的體積損失在撞擊初期均大于平面結(jié)構(gòu),這是由于表面結(jié)構(gòu)的引入,導(dǎo)致撞擊過(guò)程中溝槽結(jié)構(gòu)附近出現(xiàn)了應(yīng)力集中。隨著水蝕過(guò)程的進(jìn)行,這種缺陷逐漸被溝槽結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)所彌補(bǔ),兩種結(jié)構(gòu)的體積損失又小于平面試件。

圖8 平面-溝槽對(duì)比體積損失曲線

圖9 平面-條紋對(duì)比體積損失曲線

2.1.3 球窩與球凸結(jié)構(gòu)

球窩、球凸試件表面的侵蝕形貌隨時(shí)間的變化如圖10所示。由圖10中可以看出,球窩結(jié)構(gòu)的侵蝕發(fā)展顯然比平面的緩慢。且在撞擊30 min時(shí),從放大40倍后的試件表面侵蝕形貌可以明顯看出:球窩內(nèi)部的水蝕侵蝕痕跡比球窩間平面部分的水蝕侵蝕痕跡小得多,這是由于球窩結(jié)構(gòu)容易生成水膜結(jié)構(gòu),防止液滴沖擊,且能夠改變液滴沖擊的撞擊角。說(shuō)明球窩結(jié)構(gòu)改變材料表面局部的抗水蝕性能。

圖10 球窩及球凸試件表面侵蝕形貌

反觀球凸結(jié)構(gòu),其水蝕情況與平面沒(méi)有明顯區(qū)別,甚至從圖10的顯微圖可以看出,球凸結(jié)構(gòu)的水蝕程度略高于平面,這是由于球凸結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的應(yīng)力集中,使得球凸部分遭受水蝕更加嚴(yán)重。

球窩、球凸試件與平面試件的體積損失曲線對(duì)比如圖11、12所示,由圖11、12中可以看出,球窩結(jié)構(gòu)的體積損失除了前20 min略高于平面外,整個(gè)過(guò)程都低于平面的體積損失。這是由于表面結(jié)構(gòu)的引入,導(dǎo)致撞擊過(guò)程中球窩結(jié)構(gòu)附近出現(xiàn)了應(yīng)力集中,但這種缺陷逐漸被球窩結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)所彌補(bǔ)。平均累積反觀球凸結(jié)構(gòu),特別是在2Cr13材料下,全過(guò)程的體積損失均大于平面,這說(shuō)明球凸結(jié)構(gòu)的抗水蝕性能較弱,該結(jié)構(gòu)很難起到防水蝕的作用。

圖11 平面-球窩對(duì)比體積損失曲線

圖12 平面-球凸對(duì)比體積損失曲線

2.1.4 鋸齒結(jié)構(gòu)

鋸齒試件表面的侵蝕形貌隨時(shí)間的變化如圖13所示?？梢钥闯?在初步的射流撞擊下,試件表面只有鋸齒頂部和鋸齒底部出現(xiàn)了類似于小缺口的壓痕,并伴隨較少的質(zhì)量損失,此時(shí)鋸齒頂部存在應(yīng)力集中,而鋸齒側(cè)壁面未出現(xiàn)明顯壓痕。然后,隨著撞擊時(shí)間逐漸增加,在4～8 min左右,試件表面的鋸齒頂部出現(xiàn)明顯小缺口,鋸齒底部開(kāi)始出現(xiàn)一些離散的侵蝕凹坑;隨著射流持續(xù)作用,凹坑逐漸發(fā)展成凹槽,并逐漸加深。這一過(guò)程中,鋸齒結(jié)構(gòu)由于其傾斜的側(cè)面結(jié)構(gòu)改變了液滴的撞擊角,進(jìn)而減緩了水蝕的進(jìn)程,起到了防水蝕的作用。

圖13 鋸齒試件表面侵蝕形貌

此外,從圖13中的撞擊30 min的40倍侵蝕形貌圖可以看出:除了鋸齒側(cè)壁面的水蝕程度較輕,鋸齒頂部和鋸齒底部的水蝕擴(kuò)展也受到了一定的限制。相較于其他結(jié)構(gòu),鋸齒試件表面的侵蝕痕跡更少,水蝕擴(kuò)展范圍也更小,顯然鋸齒結(jié)構(gòu)對(duì)材料表面的抗水蝕性能應(yīng)該有明顯的提升。

平面-鋸齒結(jié)構(gòu)的體積損失對(duì)比如圖14所示。可以看出,在160 min沖擊時(shí),鋸齒結(jié)構(gòu)的體積損失遠(yuǎn)小于平面結(jié)構(gòu)。其中17-4PH材料下,體積損失是平面的0.66倍,2Cr13材料下,體積損失是平面的0.61倍。除了開(kāi)始的應(yīng)力集中導(dǎo)致鋸齒體積損失高于平面外,20 min以后鋸齒的體積損失均小于平面結(jié)構(gòu)。結(jié)合以上兩點(diǎn),可以看出鋸齒結(jié)構(gòu)的抗水蝕性能很好,且相較于其他表面結(jié)構(gòu)也相對(duì)突出。

圖14 平面-鋸齒對(duì)比體積損失曲線

2.2 各防水蝕微結(jié)構(gòu)作用機(jī)理分析

圖15給出了5種表面微結(jié)構(gòu)在液滴撞擊作用下的狀態(tài)。以球窩結(jié)構(gòu)為例,二次水滴以一定的角度撞擊在動(dòng)葉上,與撞擊面形成撞擊角θ,并對(duì)動(dòng)葉表面施加水蝕載荷F。當(dāng)撞擊在球窩結(jié)構(gòu)上時(shí),液滴的撞擊平面改變?yōu)榍蚋C面的切面,其撞擊角θ減小,故水蝕載荷也隨之降低。更進(jìn)一步地,當(dāng)二次水滴持續(xù)沖擊動(dòng)葉時(shí),由于球窩結(jié)構(gòu)的特殊性,液滴會(huì)在其球窩結(jié)構(gòu)內(nèi)累積形成水膜,這種水膜結(jié)構(gòu)將進(jìn)一步對(duì)后續(xù)液滴的撞擊起到緩沖作用。溝槽結(jié)構(gòu)與球窩結(jié)構(gòu)類似,且槽型的結(jié)構(gòu)也有助于表面水膜的形成。反觀球凸結(jié)構(gòu),大型的球凸表面雖然能在一定程度上降低撞擊角,但是突出的球凸也容易產(chǎn)生應(yīng)力集中區(qū)域,且球窩間的間隙不易形成表面水膜,故其不能起到防水蝕作用。條紋結(jié)構(gòu)在球窩結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,其條紋間形成了槽,易于形成水膜,且長(zhǎng)條型的結(jié)構(gòu)也在一定程度上降低了應(yīng)力集中,故其能起到防水蝕作用。鋸齒結(jié)構(gòu)周期性的斜面能顯著降低撞擊角,且鋸齒之間的三角形槽也易于形成表面水膜,故鋸齒形結(jié)構(gòu)的防水蝕性能很好。

圖15 5種表面微結(jié)構(gòu)防水蝕機(jī)理示意圖

2.3 不同表面結(jié)構(gòu)的抗水蝕性能對(duì)比

本文針對(duì)溝槽、條紋、球窩、球凸及鋸齒共5種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了水蝕測(cè)試,并在同樣的水蝕測(cè)試條件下設(shè)置了平面結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)照?，F(xiàn)將經(jīng)過(guò)160 min射流撞擊后,所有結(jié)構(gòu)試件的平均累積體積損失數(shù)據(jù)匯總于表2中,并繪制如圖16的直方圖。

表2 平均累積體積損失對(duì)比表

圖16 平均累積體積損失對(duì)比直方圖

由圖16中可以看出,5種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中,相較于平面試件,鋸齒試件在射流撞擊160 min后的體積損失最小,而球凸試件的體積損失最大。將表2中數(shù)據(jù)繪制成了如圖16所示的平均累積體積損失對(duì)比直方圖。由此可見(jiàn),17-4PH的平均累積體積損失普遍比2Cr13減少近一半,這與材料預(yù)期一致;其中溝槽、條紋與球窩3種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的平均累積體積損失接近,且均小于平面結(jié)構(gòu);球凸的抗水蝕性能表現(xiàn)最差;鋸齒結(jié)構(gòu)體積損失最小,表面的抗水蝕性能最好。

為了能夠更直接地比較不同表面結(jié)構(gòu)綜合抗水蝕性能強(qiáng)弱,本文參考ASTM-G73標(biāo)準(zhǔn)[12]采用無(wú)量綱抗水蝕性能系數(shù)來(lái)進(jìn)行對(duì)比,相較于平面結(jié)構(gòu),該系數(shù)越大表明抗水蝕性能越強(qiáng),具體計(jì)算公式如下

NPE=(E1/E10+E2/E20)/2

(2)

式中:NPE為無(wú)量綱抗水蝕性能系數(shù);E1、E2分別表示17-4PH與2Cr13同一種防水蝕結(jié)構(gòu)試件的平均累積體積損失,而E10、E20則分別表示17-4PH與2Cr13平面試件的平均累積體積損失。

根據(jù)式(2)計(jì)算得到不同表面防水蝕結(jié)構(gòu)的無(wú)量綱抗水蝕性能系數(shù)見(jiàn)表3?？梢?jiàn) 5種待測(cè)防水蝕結(jié)構(gòu)的抗水蝕性能排序由強(qiáng)到弱為:鋸齒、球窩、溝槽、條紋、平面、球凸。其中,鋸齒、球窩、溝槽和條紋結(jié)構(gòu)均體現(xiàn)出抗水蝕性能,鋸齒結(jié)構(gòu)的抗水蝕性能最優(yōu);球凸結(jié)構(gòu)的抗水蝕性能弱于平面。

表3 無(wú)量綱抗水蝕性能系數(shù)表

3 結(jié) 論

本文基于水蝕過(guò)程的特征和水蝕頻發(fā)位置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),提出了葉片表面微結(jié)構(gòu)的防水蝕方法?；诮Y(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性、防水蝕機(jī)理等要求,設(shè)計(jì)提出了溝槽、條紋、球窩、球凸和鋸齒共5種表面微結(jié)構(gòu)。對(duì)17-4PH與2Cr13兩種葉片材料打造的平面結(jié)構(gòu)及5種防水蝕表面結(jié)構(gòu)共12種(24個(gè))試件的抗水蝕性能進(jìn)行測(cè)試,得到以下結(jié)論:

(1)本文提出平均累積體積損失和無(wú)量綱抗水蝕性能參數(shù),以取代常見(jiàn)的質(zhì)量損失,作為評(píng)價(jià)對(duì)比不同質(zhì)量和結(jié)構(gòu)試件的抗水蝕性能的參數(shù)。這些方法可為水蝕性能試驗(yàn)研究提供經(jīng)驗(yàn);

(2)除了球凸結(jié)構(gòu)外,其他4種表面微結(jié)構(gòu)都有提升試件表面抗水蝕性能的作用,他們的抗水蝕性能排序由強(qiáng)到弱為鋸齒、球窩、溝槽、條紋、平面;

(3)鋸齒結(jié)構(gòu)對(duì)材料表面抗水蝕性能的提升尤為突出,其無(wú)量綱抗水蝕性能系數(shù)是平面的1.57倍。這為葉片防水蝕工程領(lǐng)域提供了參考。