CN104535440A - 一种大直径高速液体射流撞击试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种大直径高速液体射流撞击试验装置，包括试验台架、射击动力装置、动力托架装置、液体射流装置、试样装夹装置和观测装置；射击动力装置位于试验台架的后侧，由动力托架装置夹紧；液体射流装置位于射击动力装置之前，通过螺栓固定在试验台架上，其前端是液体喷嘴架，后端是仅容许尼龙棒穿过的套筒架；试样装夹装置位于液体射流装置之前，装置中间有矩形槽用来夹持试样；观测装置用于观测液体射流的速度和直径大小。本装置可以用来研究不同材料在不同直径高速液滴撞击下产生的凹坑损伤，分析实验结果可以指导湿蒸汽区汽轮机叶片和其它机械零部件处于水蚀环境下工作的选材，同时对于进一步研究液固高速撞击机理也有重要的学术价值。

Description

一种大直径高速液体射流撞击试验装置

【技术领域】

本发明涉及冲蚀实验技术领域，特别涉及一种液体射流撞击试验装置。

【背景技术】

液固高速撞击现象广泛存在于各类工程领域中，如大功率超临界、超超临界汽轮机的末级长叶片和核电汽轮机的大部分叶片都工作在湿蒸汽区，流动中凝结形成的一次水滴在静叶片表面沉积形成水膜，水膜由于高速汽流的夹带作用在静叶出汽边撕裂形成尺寸较大的二次水滴，在离心力和气流力的作用下水滴对动叶片进汽边背弧面不断撞击造成水蚀损坏。飞机在高速穿过云层、雨区时，表面材料容易受到水滴的撞击。水滴与飞机之间极高的相对速度会造成观察窗、雷达罩等构件的变形和破坏，从而造成仪器的失效甚至威胁飞行安全。所以深入研究液固高速撞击过程中流体和材料的动力学行为机制具有十分重要的工程意义。

通过单次射流撞击的实验研究表明，材料表面的破坏产生于液固撞击初始阶段，激波脱体时刻的前后；而激波脱体的时间以及脱体时液固接触区域的动态应力分布仅与撞击液体的前缘轮廓形状有关。通过高速摄影方法得到，单射流撞击产生的超音速射流的前缘轮廓在空气中呈伞状，与液滴的前缘轮廓是类似的，这样从根本上证明了高速液滴与高速射流冲击的一致性。

然而，目前还没有见到成熟的液体射流撞击试验装置，以满足研究液固高速撞击造成破坏的机理以及材料损伤的需要。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种大直径高速液体射流撞击试验装置，用于模拟在实际情况下，测试液滴对材料不断撞击造成的损坏程度，为进一步研究液固高速撞击造成破坏的机理以及材料损伤确保工程上的安全奠定基础。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种大直径高速液体射流撞击试验装置，包括试验台架、射击动力装置、动力托架装置、液体射流装置和试样装夹装置；其中，试验台架包括底板平台、平板、侧板和第一挡板和第二挡板；第一挡板和第二挡板平行固定于底板平台的前侧，第一挡板和第二挡板之间形成用于放置试样装夹装置的横槽；平台上后侧固定有平板；平板上左右两侧对称设置有两个侧板；射击动力装置包括枪管、外部套筒、动力套筒和活塞杆，外部套筒套在动力套筒和枪管外周；枪管的前端穿出外部套筒的前端；动力套筒的尾部设有触发开关和放置火药的燃烧室；活塞杆中间套有起制动作用的止动环，止动环顶在枪管内；枪管的出口处塞有尼龙棒；活塞杆的小端穿过止动环并位于枪管内，大端位于燃烧室内；动力托架装置包括可以前后滑动的底板滑块，底板滑块上设有位于前端的前夹块、后夹块和位于后端的第三挡板；底板滑块上的前夹块、后夹块均由第一上夹块和第一下夹块组成，第一上夹块和第一下夹块中间有圆柱形槽，用于夹紧外部套筒；外部套筒夹固定于前夹块和后夹块中；动力托架装置安装于两个侧板之间的轨道中；液体射流装置包括套筒架底板；套筒架底板的后端设有套筒架，前端设有喷嘴架；喷嘴架开有螺栓孔，喷嘴通过螺纹连接固定在螺纹孔中；套筒架底板固定在底板平台的试验台平板前端与第二挡板之间；安装有试样的试样装夹装置安装于所述横槽中。

优选的，底板滑块和两侧板紧密贴合。

优选的，两侧板上各有一个定位块；试验中，定位块通过螺钉固定，用于固定试验中射击动力装置滑块在试验时位置，避免其向后滑出。

优选的，试样装夹装置包括第二上夹块和第二下夹块；，试样装夹装置中央从前向后依次开有圆孔槽、第一矩形槽以及第二矩形槽；试样放置于第一矩形槽中，并通过螺栓将第一矩形槽以及第二矩形槽夹紧，第二矩形槽面向后侧喷嘴。

优选的，液体射流装置和射击动力装置处于同一中轴线；套筒架上设有相互连通的第一孔型通道和第二孔型通道；枪管的前端伸于第一孔型通道中；第二孔型通道的直径小于枪管的外径，但大于尼龙棒的直径。

优选的，喷嘴的后端内部设有喷嘴孔，喷嘴孔连通喷嘴前端内部的射流孔，射流孔为一个或多个；喷嘴孔与安装于喷嘴孔中的尼龙塞配合，在喷嘴孔中形成储存液体的空间。

优选的，喷嘴后端外部是六角螺栓结构。

优选的，所述大直径高速液体射流撞击试验装置还包括观测装置，所述观测装置包括光源、高速摄影仪和计算机，其中光源位于试验台试样装夹装置一侧；光源包括光源A和光源B，通过光敏元件A和光敏元件B接收光源进行时间差测量，高速摄影仪在另一侧拍摄液体射流情况，计算机用于处理高速摄影仪拍摄的试验数据。

优选的，液体射流装置外还罩有一个安全玻璃防护罩。

相对于现有技术，本发明的优点在于：

(1)使用一定规格的火药作为动力源，利用火药爆炸产生的瞬间推力推动活塞杆向前加速，在安全合理设计的情况下可以简单有效获得动力源；(2)止动环具有减震作用，防止活塞杆在试验中在枪管内剧烈窜动，保证实验装置运行可靠；(3)通过撞击尼龙塞，使喷嘴中产生瞬间高压，进而产生高速的水流，通过高速摄像可以标定出射流速度；(4)通过调节爆炸前活塞杆在枪膛中的位置，可以实现射流速度的连续调节；(5)使用安全开关控制电磁继电器接通电磁铁的火线，最终触发开关击发火药爆炸；(6)不同喷嘴射流孔直径对应着不同液体射流的直径，通过改变射流孔直径大小可以实现对撞击液滴大小的调节；(7)试验装置配有安全玻璃保护罩，可以保证试验中不会有物体飞溅而出，避免试验事故的发生。

综上所述，本发明在充分研究大直径高速液体射流撞击试验的基础上，利用火药作为动力源产生高速射流来模拟材料在不同状态下遭受撞击的损伤情况，这样不仅简化了实验测试方法，节省了费用，而且实现高速射流直径的可调性，保证了试验安全，为发展液固高速撞击破坏的机理以及材料损伤研究提供了重要参数。本发明一种大直径高速液体射流撞击试验装置，其喷嘴直径可达0.1mm～0.3mm(大直径)；所喷射液体的速度可达350m/s～600m/s(高速)。

【附图说明】

图1是本发明一种大直径高速液体射流撞击试验装置的整体结构示意图；

图2(a)是试验台架的俯视图，图2(b)是试验台架的右视图；

图3是射击动力装置的结构示意图；

图4(a)是动力托架装置的主视图，图4(b)是动力托架装置的左视图；

图5(a)是液体射流装置的剖面图，图5(b)是液体射流装置的俯视图；

图6(a)是喷嘴的剖面图，图6(b)是喷嘴的左视图；

图7(a)是试样装夹装置的半剖图，图7(b)是试样装夹装置的左视图；

图8是测试装置示意图；

图9是玻璃防护罩示意图。

图中代号含义：1-底板平台；2-支撑；3-平板；4-侧板；5-大直径螺栓；6-六角螺栓；7-第一挡板；8-第二挡板；9-定位块；10-螺栓；11-枪管；12-外部套筒；13-动力套筒；14-火药；15-火药触发开关；16-燃烧室；17-活塞杆；18-止动环；19-尼龙棒；20-底板滑块；21-第三挡板；22-下夹块；23-上夹块；24-螺栓；25-套筒架底板；26-套筒架；27-第一孔型通道28-第二孔型通道；29-喷嘴架；30-螺栓孔；31-喷嘴；32-尼龙塞；33-螺栓；34-螺柱；35-六角螺栓；36-射流孔；37-喷嘴孔；38-上夹块；39-下夹块；40-圆孔槽；41-第一矩形槽；42-第二矩形槽；43-螺栓；44-定位销；45-光源；46-高速摄影仪；47-计算机；48-玻璃防护罩。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

参见图1，本发明一种大直径高速液体射流撞击试验装置，包括试验台架、射击动力装置、动力托架装置、液体射流装置、试样装夹装置和观测装置。

参见图2(a)和图2(b)，试验台架包括底板平台1、支撑2、平板3、侧板4和第一挡板7和第二挡板8。两个支撑2对称焊接在底板平台1下方，平板3通过螺栓固定在底板平台1上的后侧位置，平板3上左右两侧还有两个平行设置的侧板4，用于限制底板滑块20的位置避免左右晃动，侧板4通过内六角螺栓6与平板3固定连接；侧板4上还有定位块9和固定定位块的螺栓10，定位块9在试验中需要转动并拧紧，来抵住动力托架装置的夹块，从而固定枪体托架位置。第一挡板7和第二挡板8固定在底板平台1的前端，第一挡板7和第二挡板8之间形成用于放置试样装夹装置的横槽。第二挡板8上有刻度，用于标定试样夹块的位置。

参见图3，射击动力装置包括枪管11、外部套筒12、动力套筒13和活塞杆17。外部套筒12套在动力套筒13和枪管11外周，外部套筒12的内径与动力套筒13和枪管11的最大外径相同，使得动力套筒13和枪管11安装在外部套筒12中不会沿径向晃动。外部套筒12通过旋钮扣合，将内部动力套筒13和枪管11连接配合。枪管11的前端穿出外部套筒12的前端。动力套筒13的尾部设有触发开关15和放置火药14的燃烧室16。活塞杆17中间套有起制动作用的止动环18，止动环18顶在枪管内11。枪管11的出口处塞有尼龙棒19。活塞杆17的小端穿过止动环18，大端位于燃烧室16内；动力套筒13内的燃烧室16中有火药14，本发明中利用火药14作为动力源，在设计时出于安全考虑，要求必须在枪管被压紧的情况下才能够触发。试验中，使用安全开关控制电磁继电器接通电磁铁的两根火线，最终通过触发开关15击发火药14爆炸。火药14爆炸产生的瞬间推力推动活塞杆17加速位于枪管11出口处的尼龙棒19，高速尼龙棒19撞击液体射流装置的尼龙塞32。

参见图4(a)和图4(b)，动力托架装置包括可以前后滑动的底板滑块20，底板滑块20上设有位于前端的前夹块、后夹块和位于后端的第三挡板21。底板滑块20上的前夹块、后夹块均由上夹块23和下夹块22组成，上下夹块中间有圆柱形槽，用于夹紧射击动力装置的套筒12，上夹块23和下夹块22之间通过两侧的螺栓24来夹紧。

参见图5(a)和图5(b)，液体射流装置包括套筒架底板25；套筒架底板25的后端设有套筒架26，前端设有喷嘴架29。喷嘴架29开有螺栓孔30，喷嘴31通过螺纹连接固定在螺纹孔30中。套筒架26上设有相互连通的第一孔型通道27和第二孔型通道28，套筒架底板25通过螺栓33固定在底板平台1的试验台平板3前端与第二挡板8之间。

参见图6(a)和图6(b)，喷嘴31前端外部是一螺杆34，螺杆34和喷嘴架29上的螺栓孔30配合；喷嘴31的后端内部设有喷嘴孔37，喷嘴孔37连通喷嘴31前端内部的射流孔36，射流孔36为一个或多个；喷嘴31后端外部是六角螺栓35，便于在套筒架上拆卸。喷嘴孔37与安装于喷嘴孔37中的尼龙塞32配合，在喷嘴孔37中形成储存液体的空间，试验中，高速尼龙棒19撞击尼龙塞32，液体在喷嘴31中受到瞬间高压，进而产生高速的液体射流。

参见图7(a)和图7(b)，试样装夹装置主要包括上夹块38和下夹块39，夹块中从前向后依次开有圆孔槽40、第一矩形槽41以及第二矩形槽42；第一矩形槽41放置试样，通过上下夹块之间的螺栓43来夹紧，第二矩形槽42面向后侧喷嘴29。上下夹块之间还设置有定位销44。试样装夹装置安装于第一挡板7和第二挡板8之间的横槽中。第一矩形槽41的截面积大于第二矩形槽42的面积，第一矩形槽41的高度大于圆孔槽40的直径，使安装于第一矩形槽41中的试样不会掉出。第二挡板8能够将试样露出，以供高速液体撞击试样。

参见图8，观测装置在试验台架两侧，观测液体射流的速度和直径大小。观测装置包括光源45、高速摄影仪46和计算机47，其中光源45位于试验试样装夹装置一侧，试验中光源45分为光源A和光源B，通过光敏元件A和光敏元件B接收光源45进行时间差测量，高速射流液体的形态和位置利用高速摄影仪46拍摄得到，所有数据在计算机47中进行处理。

参见图9，设计了由防弹玻璃及钢板组成的防护罩48，避免试验产生的尼龙屑飞溅，进而影响相关人员的正常操作或者威胁相应的仪器设备如高速摄影机的运行。防护罩在火药触发前被罩在枪管出口以及液体射流装置上。

为了对本发明一种大直径高速液体射流撞击试验测试装置进一步了解，现对其操作步骤做进一步说明：

首先，在尼龙塞32上涂抹一定的凡士林，插在喷嘴31的进口部分，用微量注射器将液体从喷嘴31的另一头的射流孔36注入喷嘴孔37；其次，将试样安装在试样装夹装置的第一矩形槽41中，然后将试样装夹装置放至第一挡板7和第二挡板8之间的横槽中，然后分别将火药14置于燃烧室16内，将尼龙棒19置于枪管11内；将射击动力装置固定在动力托架装置中，使外部套筒12的后端顶死在第三挡板21上；将动力托架装置安装于两个侧板4之间的轨道中，然后将动力托架装置推至外部套筒12前端与套筒架底板25顶死，枪管11的前端伸于第一孔型通道27中；转动侧板4上的定位块9并通过螺栓10固定，使定位块9挡住夹块，使动力托架装置不会后退；再次，将玻璃防护罩48罩在枪管出口以及套筒架上，完成准备工作，操作人员退至安全位置；接下来，闭合操作面板上的安全开关，按动触发开关，从而触发火药爆炸；最后，断开安全开关，取下枪体托架，取出试样进行清洗和进一步的分析。

Claims (9)

1.一种大直径高速液体射流撞击试验装置，其特征在于，包括试验台架、射击动力装置、动力托架装置、液体射流装置和试样装夹装置；其中，

试验台架包括底板平台(1)、平板(3)、侧板(4)和第一挡板(7)和第二挡板(8)；第一挡板(7)和第二挡板(8)平行固定于底板平台(1)的前侧，第一挡板(7)和第二挡板(8)之间形成用于放置试样装夹装置的横槽；平台(1)上后侧固定有平板(3)；平板(3)上左右两侧对称设置有两个侧板(4)；

射击动力装置包括枪管(11)、外部套筒(12)、动力套筒(13)和活塞杆(17)，外部套筒(12)套在动力套筒(13)和枪管(11)外周；枪管(11)的前端穿出外部套筒(12)的前端；动力套筒(13)的尾部设有触发开关(15)和放置火药(14)的燃烧室(16)；活塞杆(17)中间套有起制动作用的止动环(18)，止动环(18)顶在枪管(11)内；枪管(11)的出口处塞有尼龙棒(19)；活塞杆(17)的小端穿过止动环(18)并位于枪管(11)内，大端位于燃烧室(16)内；

动力托架装置包括可以前后滑动的底板滑块(20)，底板滑块(20)上设有位于前端的前夹块、后夹块和位于后端的第三挡板(21)；底板滑块(20)上的前夹块、后夹块均由第一上夹块和第一下夹块组成，第一上夹块和第一下夹块中间有圆柱形槽，用于夹紧外部套筒(12)；外部套筒(12)装夹固定于前夹块和后夹块中；动力托架装置安装于两个侧板(4)之间的轨道中；

液体射流装置包括套筒架底板(25)；套筒架底板(25)的后端设有套筒架(26)，前端设有喷嘴架(29)；喷嘴架(29)开有螺栓孔(30)，喷嘴(31)通过螺纹连接固定在螺纹孔(30)中；套筒架底板(25)固定在底板平台(1)的试验台平板(3)前端与第二挡板(8)之间；

安装有试样的试样装夹装置安装于所述横槽中。

2.根据权利要求1所述的一种大直径高速液体射流撞击试验装置，其特征在于，底板滑块(20)和两侧板(4)紧密贴合。

3.根据权利要求1所述的一种大直径高速液体射流撞击试验装置，其特征在于，两侧板(4)上各有一个定位块(9)；试验中，定位块通过螺钉固定，用于固定试验中射击动力装置滑块(20)在试验时位置，避免其向后滑出。

4.根据权利要求1所述的一种大直径高速液体射流撞击试验装置，其特征在于，试样装夹装置包括第二上夹块和第二下夹块；试样装夹装置中央从前向后依次开有圆孔槽(40)、第一矩形槽(41)以及第二矩形槽(42)；试样放置于第一矩形槽(41)中，并通过螺栓将第一矩形槽(41)以及第二矩形槽(42)夹紧，第二矩形槽(42)面向后侧喷嘴(31)。

5.根据权利要求1所述的一种大直径高速液体射流撞击试验装置，其特征在于，液体射流装置和射击动力装置处于同一中轴线；套筒架(26)上设有相互连通的第一孔型通道(27)和第二孔型通道(28)；枪管(11)的前端伸于第一孔型通道(27)中；第二孔型通道(28)的直径小于枪管(11)的外径，但大于尼龙棒(19)的直径。

6.根据权利要求1所述的一种大直径高速液体射流撞击试验装置，其特征在于，喷嘴(31)的后端内部设有喷嘴孔(37)，喷嘴孔(37)连通喷嘴(31)前端内部的射流孔(36)，射流孔(36)为一个或多个；喷嘴孔(37)与安装于喷嘴孔(37)中的尼龙塞(32)配合，在喷嘴孔(37)中形成储存液体的空间。

7.根据权利要求6所述的一种大直径高速液体射流撞击试验装置，其特征在于，喷嘴(31)后端外部是六角螺栓结构(35)。

8.根据权利要求1所述的一种大直径高速液体射流撞击试验装置，其特征在于，所述大直径高速液体射流撞击试验装置还包括观测装置，所述观测装置包括光源(45)、高速摄影仪(46)和计算机(47)，其中光源(45)位于试验台试样装夹装置一侧；光源(45)包括光源A和光源B，通过光敏元件A和光敏元件B接收光源进行时间差测量，高速摄影仪(46)在另一侧拍摄液体射流情况，计算机(47)用于处理高速摄影仪(46)拍摄的试验数据。

9.根据权利要求1所述的一种大直径高速液体射流撞击试验装置，其特征在于，液体射流装置外还罩有一个安全玻璃防护罩(48)。