CN100575917C - 汽轮机叶片水蚀试验装置 - Google Patents

Abstract

一种汽轮机叶片水蚀实验装置，通过高速旋转的叶片和水滴之间的碰撞来模拟汽轮机低压缸中水滴高速撞击叶片所造成的叶片水蚀。以一直流电机为原动机，经过齿轮增速器将转速提高，带动一装有试验叶片的轮盘旋转；水滴由振动器带动与之相连的喷嘴产生，然后水滴轴向运动与试件相撞；此外，该系统还有抽真空系统和排水系统保证实验正常进行。本实验装置可以研究液滴高速撞击下汽轮机叶片材料的变形行为、裂纹扩展情况随各种因素的变化关系，为深入认识高速液固撞击的机理以及汽轮机叶片水蚀防护提供基础试验数据。

Description

汽轮机叶片水蚀试验装置

技术领域

本发明涉及一种材料水蚀试验装置，具体涉及一种汽轮机叶片水蚀试验装置。

背景技术

现代大功率汽轮机进口都是高温高压的过热蒸汽，由于蒸汽膨胀做功，到低压缸(尤其是通流末几级)已经变成湿蒸汽。此时的湿蒸汽压力和密度都很小，水的质量百分比约为5-15％。由于大功率汽轮机质量流量大，低压叶片级组的蒸汽容积流量很大，因此需要更长的叶片以提供更大的通流面积。900MW汽轮机末级叶片直径已达到4.2m，其叶片顶端速度为660m/s，如此高速的叶片与湿蒸汽中的液滴碰撞将导致叶片的侵蚀。随着超临界大功率汽轮机以及大功率核电汽轮机的进一步发展，将开发出更长的末级叶片，导致叶片顶端的圆周速度越来越大，叶片与水滴的碰撞导致的侵蚀问题将日趋严重。因此，研究水蚀问题，也即液固撞击问题，有着十分重要的意义。

叶片金属材料受到液滴高速撞击以后将产生以下五种效果：(1)周向表面裂纹；(2)亚表层塑性流动和破裂；(3)表面塑性变形；(4)撞击区域周边的剪切变形；(5)由于应力波的反射和相互作用而形成的裂纹。目前国外已经有一些文献进行过相关研究，但没有给出明确的定量关系。由于液固高速撞击问题的复杂性及基础理论的现状，要精确预测液固撞击对于金属材料的损伤还有不少问题需要解决。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够通过试验得到液滴高速撞击下汽轮机叶片材料的变形行为、裂纹扩展情况随各种因素的变化关系，为深入认识高速液固撞击的机理、并进一步为汽轮机叶片水蚀防护提供定量数据的汽轮机叶片水蚀试验装置。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：包括直流电机控制柜以及与直流电机控制柜相连接的直流电机，直流电机的输出端通过联轴器与齿轮增速器相连，齿轮增速器再通过另一联轴器带动转子旋转，转子由两滚动轴承支承，在转子上套装有一密闭的缸体，缸体内设置有与转子固定连接的轮盘，轮盘上装有试件，在缸体内还设置有与给水泵相连接的喷嘴，该喷嘴与试件的位置相对应，且在缸体内还设置有与喷嘴相连接的振动器，缸体还与抽气真空泵相连通，在缸体的下端设置有排水泵，且在轮盘的主轴末端处还安装有与直流电机控制柜相连接的光电编码器。

本发明的齿轮增速器上安装有冷却润滑油站；缸体与抽气真空泵之间还设置有电动真空阀；给水泵与喷嘴之间依次设置有减压阀和真空阀；缸体与排水泵之间依次设置有真空阀和止回阀；试件材料为汽轮机叶片材料，其宽度为4cm、高度10cm的薄板，试件上下对称安装于轮盘的外缘；缸体的压力为0.05bar；联轴器采用挠性联轴器。

本发明靠高速旋转的叶片和水滴之间的碰撞来模拟由于湿蒸汽中水滴高速撞击汽轮机低压缸叶片所产生的水蚀，通过控制叶片旋转的速度和运行的时间来控制叶片和水滴之间的相对碰撞速度和碰撞次数；通过控制产生的水滴直径来模拟低压级湿蒸汽中水滴大小对叶片侵蚀的影响；通过改变叶片的材料和表面状况来观察其对碰撞结果的影响。从而得到液滴高速撞击下汽轮机叶片材料的变形行为、裂纹扩展情况随各种因素的变化关系，为汽轮机叶片水蚀防护提供定量数据。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作进一步详细说明。

参见图1，包括直流电机控制柜1以及与直流电机控制柜1相连接的直流电机2，直流电机2作为原动机由直流电机控制柜1控制直流电机2的转速、起停，直流电机2的输出端通过挠性联轴器3与齿轮增速器4相连，齿轮增速器4上安装有冷却润滑油站5，齿轮增速器4再通过另一挠性联轴器20带动转子21旋转，转子21由两滚动轴承6支承，在转子21上套装有一密闭的缸体7，缸体7内设置有与转子21固定连接的轮盘8，在轮盘8上下外缘对称安装有试件9，试件9为宽度是4cm、高度是10cm的薄板，在缸体7内还设置有与给水泵14相连接的喷嘴11，给水泵14与喷嘴11之间依次设置有减压阀13和真空阀12，该喷嘴11与试件9的位置相对应，且在缸体7内还设置有与喷嘴11相连接的振动器10，振动器10带动喷嘴11往复振动，缸体7还通过电动真空阀18与抽气真空泵19相连通，在缸体7的下端设置有排水泵17，缸体7与排水泵17之间依次设置有真空阀15和止回阀16，且在轮盘8的主轴末端处还安装有与直流电机控制柜1相连接的光电编码器22。

实验前试件9要用石油醚洗干净表面的油脂，然后用蒸馏水冲洗，最后用棉纸将水吸干。做实验时，先要关闭给水泵14前面的减压阀13、真空阀12和排水泵17前面的电动真空阀15，打开抽气真空泵19前面的电动真空阀18，然后启动抽气真空泵19对缸体7抽真空。达到一定真空度、绝对压力为0.05bar左右时，抽气真空泵19前面的电动真空阀18关闭，抽气真空泵19停止运行。然后通过直流电机控制柜1启动直流电机2，直流电机2通过齿轮增速器4带动轮盘8旋转，直流电机2的转速由直流电机控制柜1精确控制。当轮盘8到达预定转速时依次打开给水泵14、减压阀13、真空阀12和振动器10，实验开始进行。当缸体7底部水位高达一定量时，排水泵17及其前面的电动真空阀15开启投入运行。当缸体7底部水位低至一定量时，排水泵17及其前面的电动真空阀15关闭。当缸体7内压力升高到一定数值时，抽气真空泵19及其前面的电动真空阀18开启投入运行。当缸体7内压力重新降低到0.05bar时，抽气真空泵19及其前面的电动真空阀18关闭。

在实验进行过程中，可以随时停下来取下试件9，用显微镜来观察表面破坏的形式和发展情况。可以通过改变水滴直径、水滴成分、轮盘8旋转速度、运行时间、试件9表面光洁度、试件9材料表面喷丸强化、涂层、表面硬度等来观察其对叶片材料破坏的影响。

本发明在轮盘8的主轴处安装光电编码器22，将检测到的速度信息反馈给直流电机控制柜1，使直流电机控制柜1能够精确控制转速，控制精度可以达到1/1000。由于直流电机2的转速一般都不高，本发明选用的直流电机额定转速3000rpm，因此需要一个齿轮增速器4将轴的转速提高。齿轮增速器4速比定为3，轮盘8的最高转速可以达到9000转/分。齿轮增速器4的转速比较高，需要一个润滑油站5来润滑冷却齿轮增速器4。轮盘8的主轴转速比较高，滚动轴承6均采用高速轴承。试件9中心半径为0.7m，从而试件9中心旋转线速度为660m/s，可以达到大部分大功率汽轮机中水滴与叶片撞击的最大相对速度。缸体7在做实验时要抽真空，压力维持在0.05bar左右。抽真空的原因有两个。一个是因为如果不抽真空的话，轮盘8旋转时与空气的摩擦将耗去很大的电机功率。如一个大气压下一个半径为0.5米的圆盘在转速为8000转/分时消耗的电机功率将达到95KW；而抽真空到0.05bar时，需要的电机功率只要约5KW就够了，可以大大减小所需直流电机2的功率，也增强了安全性。另外一个原因就是减小由于轮盘8和试件9的旋转所造成的鼓风作用，使水滴的运动轨迹更加稳定，使实验能够正常进行。25℃时水蒸汽的饱和压力为0.03bar，所以选缸体7内压力为0.05bar时停止抽真空，使由喷嘴11出口处的水仍然为未饱和状态，抽真空由抽气真空泵19来完成。在达到0.05bar之后，电动真空阀18自动关闭以维持缸体内压力。水滴的产生首先要有供水系统，由一小功率给水泵14来完成。给水泵14前面减压阀13的作用是维持管路压力恒定；而减压阀13前面的真空阀12的作用是在抽真空时将供水管路关闭。在管路的末端是一个喷嘴11，实际上是一个针头。振动器10以一定的频率带动针头上下振动，产生一定直径的水滴。改变针头的内径，就可以得到不同大小的水滴。理论上产生的水滴直径大约为针头内径的两倍，具体实际还必须通过实验得到一条水滴直径与针头内径的关系曲线。从所产生水滴的空间分布就可以计算出试件9每旋转一周能与几个水滴相碰撞，水滴的空间分布由高速相机来得到。随着实验的进行，轮盘8和空气之间的摩擦会使轮盘8的温度升高，使水蒸汽的分压力增大，缸体内气体的压力升高，此时抽气真空泵19及其前面的电动真空阀18相继自动开启运行，抽走新产生的温度较高的气体并维持缸体7内压力恒定为0.05bar。随着水滴的不断进入，有些水滴也会打在轮盘8上，给轮盘8以冷却。随着水滴的不断进入，需要一个排水泵17将积聚在缸体7底部的水抽走。当缸体7底部水达到一定量时，排水泵17及其前面的电动真空阀15也是自动相继运行。止回阀16的作用是防止在排水泵17停止运转时水倒流入缸体7内。

实验中可以通过本发明来模拟汽轮机低压缸末级叶片与水滴之间的冲蚀，研究材料表面的破坏过程；通过改变转子旋转的角速度和运行的时间，可以得到材料的变形破坏随着撞击速度、撞击次数的变化情况；通过改变产生的水滴直径大小可以得到水滴直径大小对叶片侵蚀的影响；通过改变叶片的材料和表面状况(如粗糙度大小)来观察其对撞击过程及破坏情况的影响；可以在水滴中加入盐分来研究化学反应对撞击过程的影响。

Claims (8)

1、一种汽轮机叶片水蚀实验装置，其特征在于：包括直流电机控制柜(1)以及与直流电机控制柜(1)相连接的直流电机(2)，直流电机(2)的输出端通过联轴器(3)与齿轮增速器(4)相连，齿轮增速器(4)再通过另一联轴器(20)带动转子(21)旋转，转子(21)由两滚动轴承(6)支承，在转子(21)上套装有一密闭的缸体(7)，缸体(7)内设置有与转子(21)固定连接的轮盘(8)，轮盘(8)上装有试件(9)，在缸体(7)内还设置有与给水泵(14)相连接的喷嘴(11)，该喷嘴(11)与试件(9)的位置相对应，且在缸体(7)内还设置有与喷嘴(11)相连接的振动器(10)，缸体(7)还与抽气真空泵(19)相连通，在缸体(7)的下端设置有排水泵(17)，且在轮盘(8)的主轴末端处还安装有与直流电机控制柜(1)相连接的光电编码器(22)。

2、根据权利要求1所述的汽轮机叶片水蚀实验装置，其特征在于：所说的齿轮增速器(4)上安装有冷却润滑油站(5)。

3、根据权利要求1所述的汽轮机叶片水蚀实验装置，其特征在于：所说的缸体(7)与抽气真空泵(19)之间还设置有电动真空阀(18)。

4、根据权利要求1所述的汽轮机叶片水蚀实验装置，其特征在于：所说的给水泵(14)与喷嘴(11)之间依次设置有减压阀(13)和真空阀(12)。

5、根据权利要求1所述的汽轮机叶片水蚀实验装置，其特征在于：所说的缸体(7)与排水泵(17)之间依次设置有真空阀(15)和止回阀(16)。

6、根据权利要求1所述的汽轮机叶片水蚀实验装置，其特征在于：所说的试件(9)材料为汽轮机叶片材料，其宽度为4cm、高度10cm的薄板，试件(9)上下对称安装于轮盘(8)的外缘。

7、根据权利要求1所述的汽轮机叶片水蚀实验装置，其特征在于：所说的缸体(7)的压力为0.05bar。

8、根据权利要求1所述的汽轮机叶片水蚀实验装置，其特征在于：所说的联轴器(3)和另一联轴器(20)均采用挠性联轴器。

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