CN104634687A - 一种高压多相射流切割性能测试系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高压多相射流切割性能测试系统及方法，测试系统包括高压水供给系统、高压空气供给系统、气液混合装置、测试试验平台和测试监测系统等。利用高压水供给系统、高压空气供给系统和气液混合装置可以形成高压水射流或高压气液两相射流，并可以对射流的压力和含气率进行调控；利用测试试验平台和测试监测系统可以对高压射流的冲击力和冲蚀破坏能力进行试验测试。利用本发明，可进行淹没或非淹没条件下不同压力、含气率、喷嘴直径、靶距等参数的高压水射流或气液两相射流冲击试验，对分析多种射流冲蚀破岩性能及其特征参数间的关系，优化水力割缝卸压增透技术具有重要意义，而且本发明实用性强，结构简单，操作方便，安全可靠。
Description
技术领域
本发明涉及一种高压多相射流切割性能测试系统及方法，尤其适用于测试水力割缝卸压增透技术中使用的高压水射流或高压气液两相射流的切割性能。
背景技术
煤层水力割缝卸压增透技术是指在煤层中先打瓦斯抽放钻孔，然后在钻孔内利用高压水射流沿孔对煤体进行切割，在钻孔两侧形成一条具有一定宽度和深度的扁平缝槽。其基本原理是卸压消突，改变以往钻孔影响范围小的现状，利用高压水射流对钻孔内的煤体进行切割，使煤体内部应力向深部转移，增大了煤层透气性，提高了单个钻孔影响范围，显著降低了煤层瓦斯压力。但是，该技术仍存在喷孔、堵孔，偶发瓦斯超限，工作系统压力偏高等问题，而且纯水射流切割能力有待加强，其虽能对煤体产生一定的剥蚀破坏作用，但形成的卸压空间受到纯水射流工质的限制，强化抽采效果尚有提升空间。针对此问题，国内许多专家学者提出了空化射流、脉冲射流、气液两相射流等水力割缝方法，虽可以有效解决上述问题，但对于射流的切割破岩性能及其特征参数的优化，还没有有效的测试装置和方法进行测试和研究。
发明内容
技术问题：本发明的目的，是解决已有技术无法测试和研究纯水射流、气液两相射流等多种射流的切割破岩性能及其特征参数的优化问题，提供了一种操作简便，性能可靠的高压多相射流切割性能测试系统及方法。
技术方案：
一种高压多相射流切割性能测试系统，包括高压水供给系统、高压空气供给系统、气液混合装置、测试试验平台和测试监测系统；
所述高压水供给系统包括管道连接的乳化液柱塞泵和水箱，以及设置于高压水供给系统出水管道上的压力调节阀和智能涡街流量计，所述压力调节阀和智能涡街流量计分别对乳化液柱塞泵的出水压力和出水流量分别进行调节和监测；
所述高压空气供给系统包括顺序连接的空气压缩机、储气钢瓶和气源分配箱，所述气源分配箱实时控制和监测高压空气供给系统输出气体的流量和压力；
所述测试试验平台包括底部支架、玻璃罩、可上下前后移动的二维直线导轨、测试台、射流器、激光定位仪、和排水口；所述玻璃罩在支架上方密封固定；所述二维直线导轨设置在玻璃罩内，并固定在支架上；所述测试台固定在二维直线导轨上，通过分别旋转二维直线导轨横向和纵向上的转轮，实现测试台沿支架横向和纵向上的移动；所述射流器固定在支架前部中央正上方，射流器前端穿过玻璃罩前部的孔洞伸到玻璃罩内，射流器的后端设有激光定位仪，对从射流器中喷出的高压射流轴心方向进行精确定位；所述排水口设在支架后方，及时排出玻璃罩内的积水；
所述测试台上可交替设置可拆卸的靶板和试样，所述靶板嵌在测试台上的定位槽中，可左右滑动；
所述气液混合装置的进液口连接至高压水供给系统的出水管道，进气口连接至高压空气供给系统的出气管道，出流管路连接至射流器的进液口；
所述测试监测系统包括通过信号连接的出流压力监测装置、射流冲击力监测装置、试样时空变化监测装置、计算机和数据采集箱，所述出流压力监测装置设置在气液混合装置和射流器之间的出流管路上，实时监测管路中的水流压力；所述射流冲击力监测装置固定在靶板上，实时监测高压射流沿径向或轴向的冲击力；所述试样时空变化监测装置可安置在试样表面，实时监测试样表面的变形破碎情况，并通过数据采集箱将采集的信息传输给计算机进行性能分析检测。
进一步的，所述气液混合装置的进气口处连接有可防止水流进入高压空气供给系统的出气管道中的单向阀。
本发明还提供一种高压多相射流切割性能测试方法，包括以下步骤：
a、启动计算机和数据采集箱，分别将出流压力监测装置、射流冲击力监测装置和试样时空变化监测装置与计算机和数据采集箱连接并调试好；
b、将靶板设置于测试台上，通过手动旋转二维直线导轨上横向和纵向上的转轮，来调节靶板上射流冲击力监测装置距射流器的距离和高度，并确保激光定位仪射出的激光焦点位于射流冲击力监测装置的中心；
c、启动空气压缩机，将储气钢瓶中充满所需压力的压缩空气后，启动乳化液柱塞泵；
d、通过控制压力调节阀和智能涡街流量计调节出水管路中所需高压水的压力和流量，再通过气源分配箱调节出气管路中所需高压空气的压力和流量，高压水和高压空气通过气液混合装置充分混合后，形成具有一定压力的高压水流或一定含气率的气液两相流，经射流器喷出后形成高压水射流或高压气液两相射流；
e、高压射流冲击到靶板上的射流冲击力监测装置，射流冲击力监测装置将射流的动能转换成电信号，并通过数据线传输给数据采集箱和计算机，计算机将所得数据绘制成射流动压随时间变化的曲线图，通过左右滑动靶板，可测得射流径向上的动压分布情况，通过旋转二维直线导轨横向转轮，可调节靶板距射流器的距离，进而测得射流轴向上的动压分布情况；
f、分别关闭空气压缩机和乳化液柱塞泵，并拆下靶板；
g、将安有试样时空变化监测装置的试样置于测试台上，并通过手动旋转二维直线导轨上横向和纵向上的转轮，调节试样距射流器的距离和高度，使激光定位仪的激光焦点位于试样中心；
h、重复步骤c、d，高压射流冲击到靶板上的试样时空变化监测装置，试样时空变化监测装置将试样变化信号通过数据线传输给数据采集箱和计算机，即可测得高压水射流或高压气液两相射流冲击破坏试样的性能特点。
有益效果：
(1)本发明可以对高压水射流和高压气液两相射流的结构和冲击特性，以及射流冲蚀破岩性能及其特征参数间的关系进行试验研究，这对分析高压水射流和气液两相射流的破岩机理，选择最佳的射流特征参数，优化水力割缝卸压增透技术具有重要意义。本发明实用性强，可实现不同水压、气压、含气率、喷嘴直径、靶距、淹没射流或非淹没射流等特征参数下的气液两相射流冲击试验；结构简单，操作方便，安全可靠。
(2)通过控制压力调节阀和气源分配箱可以调节出不同压力的纯水射流或不同压力和含气率等特征参数的气液两相射流。
(3)玻璃罩具有透明度高、耐冲击，安全性能好的特点，可以避免水花四溅，保障人员安全，还可以在玻璃罩内注满水进行淹没射流测试试验。
(4)可以通过旋转二维直线导轨横向和纵向上的转轮，来实现测试台沿支架横向和纵向上的移动，从而调节射流冲击测试台的靶距。
(5)出流压力监测装置可以实时监测管路中水流的压力，射流冲击力监测装置可以实时监测高压射流沿径向或轴向的冲击力，试样时空变化监测装置可以实时监测试样表面的变形破碎情况，并通过数据采集箱将采集的信息传输给计算机。
附图说明
图1是本发明一种高压多相射流切割性能测试系统示意图。
图2是本发明测试试验平台示意图。
图中:1-乳化液柱塞泵，2-水箱，3-压力调节阀，4-智能涡街流量计，5-空气压缩机，6-储气钢瓶，7-气源分配箱，8-单向阀，9-支架，10-玻璃罩，11-二维直线导轨，12-测试台，13-射流器，14-激光定位仪，15-排水口，16-靶板，17-转轮，18-出流压力监测装置，19-射流冲击力监测装置，20-试样时空变化监测装置，21-计算机，22-数据采集箱，23-试样，24-气液混合装置。
具体实施方式
下面参照附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
如图1所示，本发明的一种高压多相射流切割性能测试系统，包括高压水供给系统、高压空气供给系统、气液混合装置24、测试试验平台和测试监测系统等。
高压水供给系统主要由乳化液柱塞泵1、水箱2、压力调节阀3和智能涡街流量计4等组成，其中压力调节阀3和智能涡街流量计4可以对乳化液柱塞泵1的出水压力和出水流量分别进行调节和监测；高压空气供给系统主要由空气压缩机5、储气钢瓶6和气源分配箱7组成，其中气源分配箱7可以实时控制和监测输出气体的流量和压力；气液混合装置可以将高压水和高压空气进行充分混合，形成气液两相流，并且在进气口处连接有单向阀8，可以防止水流进入高压气体管路中。
如图2所示，测试试验平台由支架9、玻璃罩10、可上下前后移动的二维直线导轨11、测试台12、射流器13、激光定位仪14、和排水口15等组成，其中玻璃罩10固定在支架9上，具有透明度高、耐冲击，安全性能好的特点，可以避免水花四溅，保障人员安全，还可以在玻璃罩内注满水进行淹没射流测试试验；二维直线导轨11设置在玻璃罩10内，并固定在支架9上，测试台12固定在二维直线导轨11上，测试台12上可交替设置可拆卸的靶板16和试样23(当需要安装靶板时，安装靶板，当需要设置试样时，即拆下靶板安装试样)，靶板16嵌在测试台12上的定位槽中，可以左右滑动，通过分别旋转二维直线导轨11横向和纵向上的转轮17，可以实现测试台12沿支架9横向和纵向上的移动；射流器13固定在支架9前部中央正上方，射流器13前端穿过玻璃罩10前部的孔洞伸到玻璃罩10内，射流器13的后端设有激光定位仪14，可以对从射流器13中喷出的高压射流轴心方向进行精确定位；排水口15设在支架9后方，可以及时排出玻璃罩10内的积水。
测试监测系统由出流压力监测装置18、射流冲击力监测装置19、试样时空变化监测装置20、计算机21和数据采集箱22等组成，其中出流压力监测装置18设置在气液混合装置Ⅲ和射流器13之间的出流管路上，可以实时监测管路中的水流压力；射流冲击力监测装置19(压电石英测力传感器，可以监测射流的冲击力)固定在测试台12上的靶板16上，可以实时监测高压射流沿径向或轴向的冲击力；试样时空变化监测装置20(电阻应变片，可通过动静态应变采集仪采集试样的应变应力)安置在试样23表面，可以实时监测试样23表面的变形破碎情况，并通过数据采集箱22将采集的信息传输给计算机21。
本发明的高压多相射流切割性能测试方法：
a、启动计算机和数据采集箱，分别将出流压力监测装置、射流冲击力监测装置和试样时空变化监测装置与计算机和数据采集箱连接并调试好；
b、将靶板设置于测试台上，通过手动旋转二维直线导轨上横向和纵向上的转轮，来调节靶板上射流冲击力监测装置距射流器的距离和高度，并确保激光定位仪射出的激光焦点位于射流冲击力监测装置的中心；
c、启动空气压缩机，将储气钢瓶中充满所需压力的压缩空气后，启动乳化液柱塞泵；
d、通过控制压力调节阀和智能涡街流量计调节出水管路中所需高压水的压力和流量，再通过气源分配箱调节出气管路中所需高压空气的压力和流量，高压水和高压空气通过气液混合装置充分混合后，形成具有一定压力的高压水流或一定含气率的气液两相流，经射流器喷出后形成高压水射流或高压气液两相射流；
e、高压射流冲击到靶板上的射流冲击力监测装置，射流冲击力监测装置将射流的动能转换成电信号，并通过数据线传输给数据采集箱和计算机，计算机将所得数据绘制成射流动压随时间变化的曲线图，通过左右滑动靶板，可测得射流径向上的动压分布情况，通过旋转二维直线导轨横向转轮，可调节靶板距射流器的距离，进而测得射流轴向上的动压分布情况；
f、分别关闭空气压缩机和乳化液柱塞泵，并拆下靶板；
g、将安有试样时空变化监测装置的试样置于测试台上，并通过手动旋转二维直线导轨上横向和纵向上的转轮，调节试样距射流器的距离和高度，使激光定位仪的激光焦点位于试样中心；
h、重复步骤c、d，高压射流冲击到靶板上的试样时空变化监测装置，试样时空变化监测装置将试样变化信号通过数据线传输给数据采集箱和计算机，即可测得高压水射流或高压气液两相射流冲击破坏试样的性能特点。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
Claims (3)
1.一种高压多相射流切割性能测试系统，其特征在于：包括高压水供给系统、高压空气供给系统、气液混合装置(24)、测试试验平台和测试监测系统；
所述高压水供给系统包括管道连接的乳化液柱塞泵(1)和水箱(2)，以及设置于高压水供给系统出水管道上的压力调节阀(3)和智能涡街流量计(4)，所述压力调节阀(3)和智能涡街流量计(4)分别对乳化液柱塞泵(1)的出水压力和出水流量分别进行调节和监测；
所述高压空气供给系统包括顺序连接的空气压缩机(5)、储气钢瓶(6)和气源分配箱(7)，所述气源分配箱(7)实时控制和监测高压空气供给系统输出气体的流量和压力；
所述测试试验平台包括底部支架(9)、玻璃罩(10)、可上下前后移动的二维直线导轨(11)、测试台(12)、射流器(13)、激光定位仪(14)、和排水口(15)；所述玻璃罩(10)在支架(9)上方密封固定；所述二维直线导轨(11)设置在玻璃罩(10)内，并固定在支架(9)上；所述测试台(12)固定在二维直线导轨(11)上，通过分别旋转二维直线导轨(11)横向和纵向上的转轮(17)，实现测试台(12)沿支架(9)横向和纵向上的移动；所述射流器(13)固定在支架(9)前部中央正上方，射流器(13)前端穿过玻璃罩(10)前部的孔洞伸到玻璃罩(10)内，射流器(13)的后端设有激光定位仪(14)，对从射流器(13)中喷出的高压射流轴心方向进行精确定位；所述排水口(15)设在支架(9)后方，及时排出玻璃罩(10)内的积水；
所述测试台(12)上可交替设置可拆卸的靶板(16)和试样(23)，所述靶板(16)嵌在测试台12上的定位槽中，可左右滑动；
所述气液混合装置(24)的进液口连接至高压水供给系统的出水管道，进气口连接至高压空气供给系统的出气管道，出流管路连接至射流器(13)的进液口；
所述测试监测系统包括通过信号连接的出流压力监测装置(18)、射流冲击力监测装置(19)、试样时空变化监测装置(20)、计算机(21)和数据采集箱(22)，所述出流压力监测装置(18)设置在气液混合装置(24)和射流器(13)之间的出流管路上，实时监测管路中的水流压力；所述射流冲击力监测装置(19)固定在靶板(16)上，实时监测高压射流沿径向或轴向的冲击力；所述试样时空变化监测装置(20)可安置在试样(23)表面，实时监测试样(23)表面的变形破碎情况，并通过数据采集箱(22)将采集的信息传输给计算机(21)进行性能分析检测。
2.根据权利要求1所述的一种高压多相射流切割性能测试系统，其特征在于：所述气液混合装置(24)的进气口处连接有可防止水流进入高压空气供给系统的出气管道中的单向阀(8)。
3.一种高压多相射流切割性能测试方法，其特征在于：包括以下步骤：
a、启动计算机和数据采集箱，分别将出流压力监测装置、射流冲击力监测装置和试样时空变化监测装置与计算机和数据采集箱连接并调试好；
b、将靶板设置于测试台上，通过手动旋转二维直线导轨上横向和纵向上的转轮，来调节靶板上射流冲击力监测装置距射流器的距离和高度，并确保激光定位仪射出的激光焦点位于射流冲击力监测装置的中心；
c、启动空气压缩机，将储气钢瓶中充满所需压力的压缩空气后，启动乳化液柱塞泵；
d、通过控制压力调节阀和智能涡街流量计调节出水管路中所需高压水的压力和流量，再通过气源分配箱调节出气管路中所需高压空气的压力和流量，高压水和高压空气通过气液混合装置充分混合后，形成具有一定压力的高压水流或一定含气率的气液两相流，经射流器喷出后形成高压水射流或高压气液两相射流；
e、高压射流冲击到靶板上的射流冲击力监测装置，射流冲击力监测装置将射流的动能转换成电信号，并通过数据线传输给数据采集箱和计算机，计算机将所得数据绘制成射流动压随时间变化的曲线图，通过左右滑动靶板，可测得射流径向上的动压分布情况，通过旋转二维直线导轨横向转轮，可调节靶板距射流器的距离，进而测得射流轴向上的动压分布情况；
f、分别关闭空气压缩机和乳化液柱塞泵，并拆下靶板；
g、将安有试样时空变化监测装置的试样置于测试台上，并通过手动旋转二维直线导轨上横向和纵向上的转轮，调节试样距射流器的距离和高度，使激光定位仪的激光焦点位于试样中心；
h、重复步骤c、d，高压射流冲击到靶板上的试样时空变化监测装置，试样时空变化监测装置将试样变化信号通过数据线传输给数据采集箱和计算机，即可测得高压水射流或高压气液两相射流冲击破坏试样的性能特点。
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