CN105547888A - 一种用于测量材料抗气蚀性能的试验台 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种测量材料抗空蚀性能试验台，包括压力容器罐、离心泵、稳压罐和空蚀发生装置；压力容器罐、离心泵、稳压罐、空蚀发生装置之间通过管路连接构成循环回路；管路上所设的测压孔分别连接压力变送器的输入端，压力变送器和电磁流量计的输出端通过信号线连接泵TPA测试仪；泵TPA测试仪的输出端与计算机连接；空蚀发生装置包括彼此连接的前面板和后面板，前面板的中心设有渐缩孔；后面板对应于前面板一面的中间对称开有两个矩形槽；与前面板连接的管路为渐缩管，直径小的一端连接前面板，直径大的一端连接稳压罐。本发明利用孔板射流原理测试材料的抗气蚀性能，操作容易、测量精度较高。

Description

一种用于测量材料抗气蚀性能的试验台

技术领域

本发明属于流体机械实验领域，尤其是涉及一种用于测量材料抗气蚀性能的试验台。

背景技术

空蚀也称气蚀，是指当液体在与固体表面接触处的压力低于它的饱和蒸汽压力时，将在固体表面附近形成气泡。另外，溶解在液体中的气体也可能析出而形成气泡。随后，当气泡流动到液体压力超过气泡压力的地方时，气泡便溃灭，在溃灭瞬时产生极大的冲击力和高温。固体表面经受这种冲击力的多次反复作用，材料发生疲劳脱落，使表面出现小凹坑，进而发展成海绵状。严重的其实可在表面形成大片的凹坑，甚至穿孔。空蚀的程度以空蚀强度来衡量。空蚀强度常用单位时间内材料的减重、减容、穿孔数和表面粗糙度变化作为特征量。空化空蚀是以液体为介质的泵、水轮机、水泵水轮机以及螺旋桨等透平机械的两个特有流体力学问题之一。为了保证水力机械的正常运转，需要对空化和空蚀采取防护措施，除了提高水力机械本身的空化性能外，还需要对材料的抗空化空蚀性能进行研究，即要尽量选用抗空蚀性能良好的材料，尤其是在叶片及其他易遭受空蚀破坏的零部件，选用抗空蚀性能良好的材料是很重要而有效的防护空蚀侵蚀的措施。现有技术中有利用超声波气蚀实验机直接在材料表面产生空蚀破坏来测试材料的抗气蚀性能，但其存在造价昂贵，且适用性较差的不足。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种用于测量材料抗气蚀性能的试验台，利用孔板射流原理测试材料的抗气蚀性能，操作容易、测量精度较高。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种测量材料抗空蚀性能试验台，包括压力容器罐、离心泵、稳压罐和空蚀发生装置；所述压力容器罐的出水管路通过第一管路连接离心泵的进水口；所述离心泵的出水口通过第二管路连接稳压罐的进水口；所述稳压罐的出水口通过第三管路连接空蚀发生装置的进水口，所述空蚀发生装置的出水口通过第四管路连接第五管路；所述第五管路连接压力容器罐的进水管路；所述出水管路和第一管路之间设有进口调节阀门，所述第五管路和进水管路之间设有出口调节阀门；所述第五管路上设有电磁流量计；所述第一管路、第二管路和第三管路的测压孔均分别连接3个压力变送器的输入端，所述压力变送器和电磁流量计的输出端通过信号线连接泵TPA测试仪；所述泵TPA测试仪的输出端与计算机连接；所述压力容器罐还连接有真空泵，压力容器罐上设有真空表；所述离心泵连接有电机变频器；

所述空蚀发生装置包括彼此连接的前面板和后面板，所述前面板的中心设有渐缩孔；所述后面板对应于前面板一面的中间对称开有两个矩形槽；所述第三管路为渐缩管，直径小的一端连接前面板，直径大的一端连接稳压罐。

进一步的，所述前面板和后面板均为圆形有机玻璃板，所述前面板和后面板之间设有圆环形橡胶垫片。

进一步的，所述前面板和后面板通过螺栓连接；所述后面板上均布有4个出水口，分别经4个第四管路通过五通阀连接第五管路的进口端。

进一步的，所述第五管路为渐扩管，直径小的一端连接第四管路的出口，直径大的一端连接进水管路。

进一步的，所述压力容器罐和稳压罐均为不锈钢材质；所述压力容器罐包括筒形罐体、罐盖、罐盖吊环、给水管路、液位计、撑脚和排水管路；所述筒形罐体上部设有罐盖，所述罐盖顶部设有取压孔，取压孔上部设有中间带螺纹孔通孔的凸台；所述罐盖上设有给水管路和抽真空管路；所述筒形罐体底部设有撑脚和排水管路；所述筒形罐体侧面设有液位计。

进一步的，所述筒形罐体罐身为圆筒形、底部为球壳形，筒形罐体的壁厚为5mm，负压最大为-0.1Mpa；3个撑脚均布焊接在筒形罐体底部。

进一步的，所述压力容器罐的抽真空管路通过PVC钢丝软管与真空泵的泵入口连接；所述抽真空管路上设有抽真空快开阀门。

进一步的，所述离心泵为NISO50-32-200型单级离心泵；所述的电磁流量计型号为DKS-LDE智能一体式电磁流量计；所述真空表的型号为YZ-100BF型；所述的真空泵为XD型旋片式真空泵，抽气速率为40m3/h，极限真空200Pa。

本发明的有益效果：

本发明所述的一种用于测量材料抗气蚀性能的试验台，利用孔板射流原理制得空蚀发生装置，并将其与压力容器罐、离心泵和稳压罐通过管路连接构成循环回路，进而实现材料抗气蚀性能的测试；通过该试验台对测量的抗汽蚀性能进行测试，与现有的振动空蚀方法相比，更加贴近实际，能真实的反映不同空化数σ下水力机械内部发生的空化空蚀对材料表面的破坏作用，可同时进行不同材料的空蚀试验，对比不同材料的抗空蚀性能试验；该试验台结构简单、安装方便、适用范围广、操作容易、精度较高。

附图说明

图1为本发明用于测量材料抗气蚀性能的试验台的结构示意图。

图2为空蚀发生装置的结构示意图。

附图标记说明如下：

1-压力容器罐，2-离心泵，3-稳压罐，4-空蚀发生装置，5-第一管路，6-第二管路，7-第三管路，8-第四管路，9-第五管路，10-泵TPA测试仪，11-真空泵，12-电机变频器，1-1-筒形罐体，1-2-罐盖，1-3-罐盖吊环，1-4-进水管路，1-5-给水管路，1-6-液位计，1-7-撑脚，1-8-排水管路，1-9-出水管路，4-1-前面板，4-2-后面板，4-3-圆环形橡胶垫片，4-4-矩形槽，4-5-渐缩孔，5-1-进口调节阀门，5-2-压力变送器，9-1-出口调节阀门，9-2-电磁流量计，11-1-抽真空快开阀门。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1所示，一种测量材料抗空蚀性能试验台，包括压力容器罐1、离心泵2、稳压罐3和空蚀发生装置4；压力容器罐1和稳压罐3均为不锈钢材质；所述压力容器罐1包括筒形罐体1-1、罐盖1-2、罐盖吊环1-3、进水管路1-4、给水管路1-5、液位计1-6、撑脚1-7、排水管路1-8和出水管路1-9；所述筒形罐体1-1的罐身为圆筒形、底部为球壳形，两部分焊接在一起；筒形罐体1-1的壁厚参照GB150-2011《压力容器》，负压最大为-0.1MPa，容器壁厚不包含腐蚀裕量为3mm，该容器正常实验工况下介质为水，故确定腐蚀裕量为1mm，同时考虑到焊接及结构设计，确定最终罐体壁厚为5mm；筒形罐体1-1上部设有罐盖1-2，所述罐盖1-2顶部设有取压孔，直径d＝2～6mm，取压孔上部设有中间带螺纹孔通孔的凸台，当需要吊装时，可通过罐盖吊环1-3下部的螺栓杆装入螺纹孔中进行吊装；当需要测压力容器罐1压力时，可安装真空表于凸台的螺纹孔中，真空表型号可以为YZ-100BF型。

所述罐盖1-2的两侧还分别设有给水管路1-5和抽真空管路，抽真空管路通过PVC钢丝软管与真空泵11连接；接口处用金属卡箍拧紧防止漏气，真空泵11需通过地脚螺栓固定在地面上，真空泵11为XD型旋片式真空泵，抽气速率为40m³/h，极限真空200Pa；给水管路1-5主要通过将外来水源注入压力容器罐1中；筒形罐体1-1的一侧面竖直设有液位计1-6，其量程需大于压力容器罐1储液的最大高度。筒形罐体1-1的另一侧面上部设有进水管路1-4，下部设有出水管路1-9。筒形罐体1-1的底部焊接有均布的3个不锈钢材料的撑脚1-7，钢材厚度为8mm。

所述压力容器罐1的出水管路1-9通过第一管路5连接离心泵2的进水口；所述离心泵2的出水口通过第二管路6连接稳压罐3的进水口；离心泵2为NISO50-32-200型单级离心泵；所述稳压罐3的出水口通过第三管路7连接空蚀发生装置4的进水口，所述空蚀发生装置4的出水口通过第四管路8连接第五管路9；所述第五管路9连接压力容器罐1的进水管路1-4；所述出水管路1-9和第一管路5之间是设有进口调节阀门5-1，所述第五管路9和进水管路1-4之间设有出口调节阀门9-1；所述第五管路9上设有电磁流量计9-2，电磁流量计9-2为DKS-LDE智能一体式电磁流量计；所述第一管路5、第二管路6和第三管路7的测压孔均分别连接3个压力变送器的输入端，连接处用细铁丝扎紧保证气密性，所述压力变送器的输出端通过信号线与泵TPA测试仪连接，将压力信号转变为电信号；所述泵TPA测试仪10的输出端与计算机连接；所述离心泵2还连接有电机变频器12，所述电磁流量计9-2的输出端通过信号线连接泵TPA测试仪10，将流量信息传递至泵TPA测试仪10；泵TPA测试仪10带有数显功能，可以直接读出压力跟流量的值。

如图2所示，所述空蚀发生装置4包括彼此螺纹连接的前面板4-1和后面板4-2，前面板4-1和后面板4-2均为圆形有机玻璃板，所述前面板4-1和后面板4-2之间设有圆环形橡胶垫片4-3，所述前面板4-1的中心设有渐缩孔4-5；所述后面板4-2对应于前面板4-1一面的中间对称开有两个矩形槽4-4，两者之间间距为前面板4-1中心孔直径，尺寸为38mm*16mm*4mm，用来放置试验材料样块，两个矩形槽4-4中可以依据实验需求放置相同材料试样或者不同材料的试样，试验材料需要加工成尺寸为38mm*16mm*4mm的标准样块；所述第三管路7为渐缩管，直径小的一端连接前面板4-1的渐缩孔，直径大的一端连接稳压罐3；所述后面板4-2上均布有4个出水口，分别经4个第四管路8(即金属软管段)通过五通阀连接第五管路9的进口端，所述第五管路9为渐扩管，直径小的一端连接第四管路8的出口，直径大的一端连接进水管路1-4。

工作过程：

试验前先清洗被测试材料样块，放置在鼓风式干燥箱中，105℃下烘干1h后并冷却至常温，取出样块放置到电子分析天平中称重并记录，称重后对试件进行拍照。检查各仪表和传感器的接线，将被测试的材料放置在气蚀发生装置后面板4-2的矩形槽4-4内，将进口调节阀门5-1全开，关闭出口调节阀门9-1，调节电机变频器12使频率为50HZ，确保离心泵2的转速为额定转速，缓慢打开出口调节阀门9-1使得流量达到要求值直至气蚀发生装置前面板4-1的中心圆孔处发生理想范围的气蚀现象，读取并记录各个压力变送器和电磁流量计9-2的数值；根据气蚀发生装置前面板4-1中心圆孔的直径计算流速，根据空化数公式

$\mathrm{\σ}=(p_{\mathrm{\∞}}-p_v)/\left(\frac{1}{2}{\mathrm{\ρV}}_{\mathrm{\∞}}^2\right)$

式中，p_∞和V_∞分别为液体的来流压力和流速；ρ为液体密度；P_v为液体在环境温度下的饱和蒸气压。将上述所测数据代人公式中可以求的此时的空化数σ；持续气蚀30min后关闭电源，拆下气蚀发生装置并取出测试材料，用流动清水冲洗干净，需要注意的是，对测试材料进行操作的时候需要佩戴橡胶手套，冲洗干净后，放置在鼓风式干燥箱中，105℃下烘干1h后并冷却至常温，取出样块放置到电子分析天平中称重并记录，称重后对试件进行拍照。

同样工况下，再次将试件样块放置在气蚀反生装置中持续气蚀30min，气蚀完成后再次重复上述清洗、烘干、称重、拍照步骤。重复气蚀步骤，每次30min，同一试样气蚀总时间应为4～5h。根据每次称重的数据绘制空蚀量和空蚀速率曲线，对比不同材料的抗气蚀性能，调节出口调节阀门9-1以及开启真空泵11可以改变空化数，可获得试件在不同空化数下的抗气蚀性能。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种测量材料抗空蚀性能试验台，其特征在于，包括压力容器罐(1)、离心泵(2)、稳压罐(3)和空蚀发生装置(4)；所述压力容器罐(1)的出水管路(1-9)通过第一管路(5)连接离心泵(2)的进水口；所述离心泵(2)的出水口通过第二管路(6)连接稳压罐(3)的进水口；所述稳压罐(3)的出水口通过第三管路(7)连接空蚀发生装置(4)的进水口，所述空蚀发生装置(4)的出水口通过第四管路(8)连接第五管路(9)；所述第五管路(9)连接压力容器罐(1)的进水管路(1-4)；所述出水管路(1-9)和第一管路(5)之间设有进口调节阀门(5-1)，所述第五管路(9)和进水管路(1-4)之间设有出口调节阀门(9-1)；所述第五管路(9)上设有电磁流量计(9-2)；所述第一管路(5)、第二管路(6)和第三管路(7)的测压孔均分别连接3个压力变送器(502)的输入端，所述压力变送器(502)和电磁流量计(9-2)的输出端通过信号线连接泵TPA测试仪(10)；所述泵TPA测试仪(10)的输出端与计算机连接；所述压力容器罐(1)还连接有真空泵(11)，压力容器罐(1)上设有真空表；所述离心泵(2)连接有电机变频器(12)；

所述空蚀发生装置(4)包括彼此连接的前面板(4-1)和后面板(4-2)，所述前面板(4-1)的中心设有渐缩孔(4-5)；所述后面板(4-2)对应于前面板(4-1)一面的中间对称开有两个矩形槽(4-4)；所述第三管路(7)为渐缩管，直径小的一端连接前面板(4-1)，直径大的一端连接稳压罐(3)。

2.根据权利要求1所述的一种测量材料抗空蚀性能试验台，其特征在于，所述前面板(4-1)和后面板(4-2)均为圆形有机玻璃板，所述前面板(4-1)和后面板(4-2)之间设有圆环形橡胶垫片(4-3)。

3.根据权利要求2所述的一种测量材料抗空蚀性能试验台，其特征在于，所述前面板(4-1)和后面板(4-2)通过螺栓连接；所述后面板(4-2)上均布有4个出水口，分别经4个第四管路(8)通过五通阀连接第五管路(9)的进口端。

4.根据权利要求3所述的一种测量材料抗空蚀性能试验台，其特征在于，所述第五管路(9)为渐扩管，直径小的一端连接第四管路(8)的出口，直径大的一端连接进水管路(1-4)。

5.根据权利要求1所述的一种测量材料抗空蚀性能试验台，其特征在于，所述压力容器罐(1)和稳压罐(3)均为不锈钢材质；所述压力容器罐(1)包括筒形罐体(1-1)、罐盖(1-2)、罐盖吊环(1-3)、给水管路(1-5)、液位计(1-6)、撑脚(1-7)和排水管路(1-8)；所述筒形罐体(1-1)上部设有罐盖(1-2)，所述罐盖(1-2)顶部设有取压孔，取压孔上部设有中间带螺纹孔通孔的凸台；所述罐盖(1-2)上设有给水管路(1-5)和抽真空管路；所述筒形罐体(1-1)底部设有撑脚(1-7)和排水管路(1-8)；所述筒形罐体(1-1)侧面设有液位计(1-6)。

6.根据权利要求5所述的一种测量材料抗空蚀性能试验台，其特征在于，所述筒形罐体(1-1)罐身为圆筒形、底部为球壳形，筒形罐体(1-1)的壁厚为5mm，负压最大为-0.1Mpa；3个撑脚(1-7)均布焊接在筒形罐体(1-1)底部。

7.根据权利要求5所述的一种测量材料抗空蚀性能试验台，其特征在于，所述压力容器罐(1)的抽真空管路通过PVC钢丝软管与真空泵(11)的泵入口连接；所述抽真空管路上设有抽真空快开阀门(11-1)。

8.根据权利要求1所述的一种测量材料抗空蚀性能试验台，其特征在于，所述离心泵(2)为NISO50-32-200型单级离心泵；所述的电磁流量计(9)型号为DKS-LDE智能一体式电磁流量计；所述真空表的型号为YZ-100BF型；所述的真空泵(11)为XD型旋片式真空泵，抽气速率为40m³/h，极限真空200Pa。