CN102252927A - 高压水射流旋转冲击水蚀实验装置 - Google Patents
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Abstract
一种高压水射流旋转冲击水蚀实验装置，通过高速的射流和旋转试件之间的碰撞来模拟汽轮机中水滴对叶片的冲蚀。系统主要由电机及电机控制柜、齿轮箱、转子及试件、高压水泵及喷嘴管路等组成。在转子及试件高速旋转的同时，由高压水泵供给的高压水通过喷嘴产生高速射流；射流撞击试件的速度为其两者的矢量差，从而相当大地提高了其撞击速度，使短时间内在实验台上评估汽轮机叶片材料的抗水蚀性能成为可能。
Description
技术领域
本发明涉及一种材料水蚀实验装置，具体涉及一种用于研究水滴对材料冲蚀问题的高压水射流旋转冲击水蚀实验装置。
背景技术
在液固撞击问题中撞击所产生的“水锤”压力是造成材料破坏的首要原因，而射流和水滴在撞击固体时对此表现出相同的特征。专利ZL200710018830.7为一种汽轮机叶片水蚀实验装置，是用于研究如汽轮机中存在的水蚀、飞行器与雨滴之间碰撞造成的侵蚀的装置，该装置通过轴向运动的水滴和旋转的叶片之间的碰撞来模拟实际汽轮机中水滴与叶片之间的碰撞。但该装置通过调节转子的转速来改变碰撞速度，受制于转子的最高转速，碰撞速度比较有限。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种能够提高液固撞击速度、缩短实验时间和成本的高压水射流旋转冲击水蚀实验装置。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：包括电机控制柜以及与电机控制柜相连接的电机，电机的输出端与齿轮箱相连，齿轮箱的输出轴上安装有转子，转子上装有试件并带动试件高速旋转，在转子外侧套装有密闭的缸体，在缸体内还设置有与水箱相连通的喷嘴，该喷嘴与试件的位置相对应，缸体还与抽气真空泵相连通，在缸体的下端设置有排水泵，所述的水箱的入口与补水阀相连，水箱的出口依次经高压水泵及调节阀与喷嘴相连通，且在喷嘴前安装有压力表，缸体下端的排水泵经止回阀、排水阀与水箱相连通，且在缸体的下端还安装有调整排水阀开度的液位指示器。
本发明的转子通过安装在密封缸体两侧的轴承支撑。
所述的齿轮箱和轴承分别与润滑油站相连。
所述的喷嘴通过异型法兰安装于缸体之上，所述的异型法兰上有一段管道，其轴线方向与异型法兰的法兰面呈一夹角，通过不同夹角大小的异型法兰调整喷嘴射流出口方向。
所述的高压水泵为变频式高压水泵，且在高压水泵与水箱之间安装有过滤器。
所述的高压水泵出口处同时还经调压溢流阀与水箱相连通。
所述的缸体与排水泵之间安装有过滤器。
所述的水箱上安装有加热器。
所述的真空泵依次经由真空阀、真空表与缸体相连。
所述的水箱的下端还设置有排污阀。
本发明电机通过齿轮箱带动装有试件的转子高速旋转，水箱中的水经由高压水泵加压后从装在缸体上的喷嘴处射出并与试件相撞，射流与试件的相对速度(即撞击速度)为二者速度的矢量差，试件的速度由电机控制柜精确调节电机转速从而控制转子转速来实现，而射流的压力和速度通过精确调节高压水泵和喷嘴前的调节阀来实现。
本发明的有益效果是：液固撞击速度不仅大幅提高，而且可以精确控制，因此缩短了实验时间和节约成本，可以模拟不同的汽轮机叶片线速度，获得多种速度下叶片材料的水蚀情况；通过更换不同出口直径的喷嘴来调整射流出口直径，可以模拟不同直径的水滴对材料的冲蚀；水箱中的水不仅可以加热，还可以加入一些腐蚀介质，以模拟真实的汽轮机叶片运行环境；通过将试件进行长时间的重复打击，得到试件材料在本实验台设计射流下的抗冲蚀情况，得到侵蚀时间与材料损耗质量之间的关系；通过检验不同的形状及表面工艺下材料的抗水蚀性能，得到各种几何形状及表面工艺对叶片材料抗水蚀性能的贡献，以评估各种几何形状和工艺方法的优劣；通过理论研究或者进一步的试验，将本试验得到的侵蚀时间与材料损耗质量之间的关系曲线与实际的叶片水蚀疲劳寿命建立关系，从而为工程中评估叶片寿命提供依据。
附图说明
图1是本发明的系统示意图；
图2是异型法兰及喷嘴安装示意图；
图3是高速射流侵蚀试件示意图；
图4是速度几何关系图。
图中1.电机控制柜，2.电机，3.齿轮箱，4.转子，5.试件，6.润滑油站，7.轴承，8.补水阀，9.水箱，10.过滤器，11.高压水泵，12.调压溢流阀，13.调节阀，14.异型法兰，15.喷嘴，16.缸体，17.过滤器，18.排水泵，19.止回阀，20.排水阀，21.液位指示器，22.排污阀，23.加热器，24.真空泵，25.真空阀，26.真空表，27.压力表。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构和工作原理进行详细说明。
在图1中，电机2作为原动机，电机控制柜1与电机2相连接，电机控制柜1精确控制电机2的转速、起停；电机2与齿轮箱3相连，经由齿轮箱3变换转速后驱动转子4转动，转子4上装有试件5并带动试件5高速旋转；在转子4上套装有密闭的缸体16，转子4通过安装在密封缸体16两侧的轴承7支撑，润滑油站6与齿轮箱3和转子4的轴承7相连，润滑冷却齿轮箱3和轴承7以保证其正常运转；水循环系统的水箱9与补水阀8相连，补水经由补水阀8进入水箱9；水箱9依次与过滤器10、高压水泵11相连，水经由高压水泵11加压后通过调节阀13流向喷嘴15，喷嘴15前装有压力表27，喷嘴15通过异型法兰14安装于缸体16之上，该喷嘴15与试件5的位置相对应；高压水泵11选为变频式，可以通过调节水泵电机转速来调节扬程和流量，而通过调节阀13进一步细调喷嘴15前的压力；高压水泵11出口处同时连接有回水管路，当高压水泵11出口流量大于喷嘴15所需流量时水经由调压溢流阀12流回水箱9；缸体16依次与过滤器17、排水泵18连接，缸体16内积水被排水泵18加压后依次经由止回阀19、排水阀20回到水箱9；通过液位指示器21来调整排水阀20的开度，使缸体16内进水与排水保持平衡；水箱9上接有排污阀22以定期排污；水箱9上安装有加热器23，加热水箱9内水到一定温度，同时还可以加入一些腐蚀介质，以模拟真实的汽轮机叶片运行环境；真空泵24依次经由真空阀25、真空表26与缸体16相连，抽吸缸体16内气体并维持在一定压力，以减小电机2驱动功率和缸体16内气体对喷嘴15出口射流的干扰。
在图2中，异型法兰14上有一段管道，其轴线方向与异型法兰14的法兰面呈一夹角，通过不同夹角大小的异型法兰14来调整射流出口方向；异型法兰14与喷嘴15之间仍为法兰式连接，通过更换不同出口直径的喷嘴15来调整射流出口直径，以模拟不同直径的水滴对材料的冲蚀。
在图3和图4中示意性地表达了射流冲蚀试件5时的相互位置和速度关系。射流与试件5的相对速度(即撞击速度)为二者速度的矢量差，可以从图4中的几何关系根据余弦定理计算得到，即
上式中u取决于转子4的转速，Vw取决于喷嘴15压力的选择，θ为高压喷嘴15的安装角。为了保证射流始终垂直撞击试件5表面，在转子4转速改变的情况下，应同步调整射流压力。选择试件5线速度u和射流速度Vw相等，在不同的θ和u下将实现不同的撞击速度工况。比如当θ为90°时120°时
135°时
可以相当大地提高液固撞击的速度，缩短实验时间和节约成本。
Claims (10)
1.一种高压水射流旋转冲击水蚀实验装置，包括电机控制柜(1)以及与电机控制柜(1)相连接的电机(2)，电机(2)的输出端与齿轮箱(3)相连，齿轮箱(3)的输出轴上安装有转子(4)，转子(4)上装有试件(5)并带动试件(5)高速旋转，在转子(4)外侧套装有密闭的缸体(16)，在缸体(16)内还设置有与水箱(9)相连通的喷嘴(15)，该喷嘴(15)与试件(5)的位置相对应，缸体(16)还与抽气真空泵(24)相连通，在缸体(16)的下端设置有排水泵(18)，其特征在于：所述的水箱(9)的入口与补水阀(8)相连，水箱(9)的出口经依次经高压水泵(11)及调节阀(13)与喷嘴(15)相连通，且在喷嘴(15)前安装有压力表(27)，缸体(16)下端的排水泵(18)经止回阀(19)、排水阀(20)与水箱(9)相连通，且在缸体(16)的下端还安装有调整排水阀(20)开度的液位指示器(21)。
2.根据权利要求1所述的高压水射流旋转冲击水蚀实验装置，其特征在于：所述的转子(4)通过安装在密封缸体(16)两侧的轴承(7)支撑。
3.根据权利要求2所述的高压水射流旋转冲击水蚀实验装置，其特征在于：所述的齿轮箱(3)和轴承(7)分别与润滑油站(6)相连。
4.根据权利要求1所述的高压水射流旋转冲击水蚀实验装置，其特征在于：所述的喷嘴(15)通过异型法兰(14)安装于缸体(16)之上，所述的异型法兰(14)上有一段管道，其轴线方向与异型法兰(14)的法兰面呈一夹角，通过不同夹角大小的异型法兰(14)调整喷嘴(15)射流出口方向。
5.根据权利要求1所述的高压水射流旋转冲击水蚀实验装置，其特征在于：所述的高压水泵(11)为变频式高压水泵，且在高压水泵(11)与水箱(9)之间安装有过滤器(10)。
6.根据权利要求1所述的高压水射流旋转冲击水蚀实验装置，其特征在于：所述的高压水泵(11)出口处同时还经调压溢流阀(12)与水箱(9)相连通。
7.根据权利要求1所述的高压水射流旋转冲击水蚀实验装置，其特征在于：所述的缸体(16)与排水泵(18)之间安装有过滤器(17)。
8.根据权利要求1所述的高压水射流旋转冲击水蚀实验装置，其特征在于：所述的水箱(9)上安装有加热器(23)。
9.根据权利要求1所述的高压水射流旋转冲击水蚀实验装置，其特征在于：所述的真空泵(24)依次经由真空阀(25)、真空表(26)与缸体(16)相连。
10.根据权利要求1所述的高压水射流旋转冲击水蚀实验装置，其特征在于：所述的水箱(9)的下端还设置有排污阀(22)。
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