CN107202740B - 一种模拟冲刷疲劳的试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种模拟冲刷疲劳的试验装置，属于冲刷疲劳试验领域，气流发生装置包括第一管道、空气压缩机I、气体整流装置和喷管，沙粒喷射装置包括第二管道、流量控制阀I、沙粒喷射室，腐蚀介质发生装置包括第三管道、空气压缩机II、腐蚀介质发生器和流量控制阀II，冲刷装置包括冲刷室、电机和设置在冲刷室内的叶片和热电偶，冲刷气流测控系统包括气体流量计I、攻角调整器、气体流量计II、变频器I、变频器Ⅱ和控制柜。该装置解决了现有冲刷疲劳试验中速度、攻角调整比较困难，实验周期长，冲刷试验与疲劳试验难以耦合等问题，可应用于高速旋转件如发动机压气机叶片及风力发电机叶片的冲刷疲劳的试验中。

Description

一种模拟冲刷疲劳的试验装置

技术领域

本发明属于冲刷疲劳试验领域，具体涉及一种模拟冲刷疲劳的试验装置。

背景技术

化工设备中许多金属材料构件都工作在腐蚀的环境中，同时还承受着交变载荷的作用。与惰性环境中承受交变载荷的情况相比，交变载荷与侵蚀性环境的联合作用往往会显著降低构件疲劳性能，这种疲劳损伤现象称为腐蚀疲劳。关于腐蚀疲劳方面，高速旋转件承受自身离心力及离心弯矩，并且腐蚀介质气流与旋转件发生相互冲击作用。在腐蚀环境与交变荷载共同作用下，旋转件发生腐蚀疲劳。从腐蚀疲劳的机理上讲，腐蚀疲劳过程本质上是电化学腐蚀过程和力学过程的相互作用，这种相互作用远远超过交变应力和腐蚀介质单独作用的结果。飞机在起飞和降落的过程中,飞溅的沙粒会与高速运转的飞机发动机叶片产生冲击碰撞。风力发电设备的叶片也易遭受沙粒冲刷。冲击作用常在旋转件表面产生永久的凹坑或划痕,初步的调查报告表明发动机叶片在这些凹坑或划痕附近极易产生微裂纹。由于叶片的高速旋转,这些微裂纹会快速扩展,形成宏观裂纹。

在现有的技术中，冲刷试验多使用旋转式、管流式试验装置。以上试验装置中被冲刷的试验件都是静止的，并且冲刷的攻角难以调整，试验周期长。而且，传统的疲劳腐蚀的方法是先对材料进行环境腐蚀，然后再将进行过环境腐蚀的试件进行疲劳试验，来近似的模拟试件在力和环境共同作用下的腐蚀。该研究方法往往不能真实地反映出高速旋转件的腐蚀失效机理。高速旋转件冲刷腐蚀环境下的腐蚀失效机理的研究工作为数不多，沙粒对高速旋转件的冲击损伤机理尚不明确，主要原因是缺乏一种有效的冲刷疲劳试验装置。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的不足，本发明提供了一种模拟冲刷疲劳的试验装置。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种模拟冲刷疲劳的试验装置，包括气流发生装置、沙粒喷射装置、腐蚀介质发生装置、冲刷装置和冲刷气流测控系统：

所述气流发生装置包括第一管道、空气压缩机I、气体整流装置和喷管，所述空气压缩机I与所述第一管道一端连通，所述喷管一端与所述所述第一管道另一端连通，所述气体整流装置设置在所述空气压缩机I和所述喷管之间的第一管道内；

所述沙粒喷射装置包括第二管道、流量控制阀I、沙粒喷射室，所述第二管道一端与所述喷管另一端连通，所述第二管道另一端与所述冲刷装置连通，所述沙粒喷射室出口端与所述第二管道连通，所述沙粒喷射室出口端设置有所述流量控制阀I；

所述腐蚀介质发生装置包括第三管道、空气压缩机II、腐蚀介质发生器和流量控制阀II，所述第三管道一端与所述空气压缩机I和所述气体整流装置之间的第一管道连通，所述腐蚀介质发生器的入口端与所述空气压缩机II连通，所述腐蚀介质发生器的出口端与所述第三管道另一端连通，所述流量控制阀II设置在所述第三管道上；

所述冲刷装置包括冲刷室、电机和设置在所述冲刷室内的叶片和热电偶，所述热电偶固定在所述冲刷室内壁上，所述电机的转动轴穿过所述冲刷室侧壁与所述叶片连接，所述第二管道另一端与所述冲刷室连通；

所述冲刷气流测控系统包括气体流量计I、攻角调整器、气体流量计II、变频器I、变频器Ⅱ和控制柜，所述气体流量计I设置在所述第二管道上，所述攻角调整器设置在所述第二管道另一端，所述气体流量计II设置在所述第三管道上，所述气体流量计I、气体流量计II、变频器I的输入端和变频器Ⅱ的输入端均与所述控制柜电连接，所述变频器I的输出端与所述空气压缩机I电连接，所述变频器Ⅱ的输出端与所述空气压缩机II电连接。

优选地，所述气流发生装置还包括单向控制阀，所述单向控制阀设置在所述空气压缩机I和所述第三管道之间的第一管道内。

优选地，还包括废料回收装置，所述废料回收装置包括排气管、气体回收液和废气回收池，所述废气回收池内存储有所述气体回收液，所述排气管的进气口与所述冲刷室连通，所述排气管的排气口与所述废气回收池连通并插入所述气体回收液内。

优选地，所述气体整流装置为整流网。

优选地，所述攻角调整器包括叶珊固定杆、单向齿轮和三个叶珊，所述叶珊固定杆一端设置在所述第二管道内，三个所述叶珊位于所述第二管道内且均匀的与所述叶珊固定杆固定连接，所述叶珊固定杆另一端穿过所述第二管道并与所述单向齿轮固定连接，所述单向齿轮上设置有指针，所述单向齿轮对应的第二管道外壁上设置有刻度盘。

本发明提供的模拟冲刷疲劳的试验装置具有以下有益效果：

1、本试验装置模中变频器I及喷管的使用可以调节冲刷气流的速度及流量，腐蚀介质发生器可调整冲刷气流中腐蚀介质的成分与含量，沙粒喷射室可控制冲刷气流中沙粒浓度，冲刷气流速度、气流中沙粒浓度、腐蚀介质成分与含量的调整使该发明可应用于室内加速试验。

2、本试验装置模拟了高速旋转件遭受冲刷腐蚀与交变应力耦合的恶劣服役环境，可应用于研究高速旋转件腐蚀特征形成演化、腐蚀疲劳裂纹成核、扩展的力学-电化学过程。

3、本试验装置可模拟高速旋转件遭受沙粒冲击碰撞的环境。可应用于研究高速旋转件在沙粒冲刷的恶劣环境下的磨损行为，揭示高速旋转件冲刷磨损失效机制和损伤规律，为旋转件的优化设计和降低运行维护成本提供理论依据。

4、本试验装置可应用于研究高速旋转件在沙粒冲击碰撞、冲刷腐蚀与交变应力耦合的恶劣服役环境下的失效机制和损伤规律。

5、本试验装置具有攻角和冲刷距离调整功能，由攻角调整器调整冲刷角度。

6、本试验装置采用高功率的空气压缩机，可提供较大流速的气流，气体整流装置可以很好地削减紊流的影响，使冲刷气流更稳定，冲刷角度更一致。

7、本试验装置解决了现有技术中速度、攻角调整比较困难，实验周期长，冲刷试验与疲劳试验难以耦合等问题。

附图说明

图1为本发明实施例1的模拟冲刷疲劳的试验装置的结构示意图；

图2为气体整流装置示意图；

图3为攻角调整装置的部分示意图一；

图4为攻角调整装置的部分示意图二。

图中，1、空气压缩机I；2、单向控制阀；3、第一管道；4、气体整流装置；5、喷管；6、流量计I；7、流量控制阀I；8、沙粒喷射室；9、攻角调整器；10、叶片；11、热电偶；12、冲刷室；13、电机；14、排气管；15、气体回收液；16、废气回收池；17、变频器I；18、控制柜；19、变频器Ⅱ；20、空气压缩机II；21、盐雾发生器；22、流量控制阀Ⅱ；23流量计Ⅱ；24、叶珊固定杆；25、叶珊；26、指针；27、刻度盘；28、单向齿轮；29、第二管道；30、第三管道。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明的技术方案和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定或限定，术语“相连”、“连接”应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体式连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上，在此不再详述。

实施例1

本发明提供了一种模拟冲刷疲劳的试验装置，具体如图1至图2所示，包括气流发生装置、沙粒喷射装置、腐蚀介质发生装置、冲刷装置和冲刷气流测控系统：

气流发生装置包括第一管道3、空气压缩机I1、气体整流装置4和喷管5，空气压缩机I1与第一管道3一端连通，喷管5一端与第一管道3另一端连通，气体整流装置4设置在空气压缩机I1和喷管5之间的第一管道3内。空气压缩机I1作为气流发生装置，能够提供一定压力的冲刷气流，气体整流装置4可将风机产生的紊流转变成沿管道的规则流动的气流，进而很好地削减紊流的影响，提供稳定的冲刷气流，冲刷角度更一致，喷管5是现有的装置，用来加速校准气流速度。

沙粒喷射装置包括第二管道29、流量控制阀I7、沙粒喷射室8，第二管道29一端与喷管5另一端连通，第二管道29另一端与冲刷装置连通，沙粒喷射室8出口端与第二管道29连通，沙粒喷射室8出口端设置有流量控制阀I7；沙粒喷射装置可控制冲刷气流中的沙粒粒径和沙粒浓度，流量控制阀I7可控制沙粒的流速。

腐蚀介质发生装置包括第三管道30、空气压缩机II20、腐蚀介质发生器21和流量控制阀II22，第三管道30一端与空气压缩机I1和气体整流装置4之间的第一管道3连通，腐蚀介质发生器21的入口端与空气压缩机II20连通，腐蚀介质发生器21的出口端与第三管道30另一端连通，流量控制阀II22设置在第三管道30上；空气压缩机II20可控制腐蚀介质流速，腐蚀介质发生装置可调整冲刷气流中腐蚀介质的成分与含量。

冲刷装置包括冲刷室12、电机13和设置在冲刷室12内的叶片10和热电偶11，热电偶11固定在冲刷室12内壁上，电机13的转动轴穿过冲刷室12侧壁与叶片10连接，电机13带动叶片10旋转，第二管道29另一端与冲刷室12连通，第二管道29导出的冲刷气流冲击旋转的叶片10，热电偶11用来监控冲刷室12内的温度。冲刷室12就是一个容器，防止冲刷气流扩散到空气中。

冲刷气流测控系统包括气体流量计I6、攻角调整器9、气体流量计II23、变频器I17、变频器Ⅱ19和控制柜18，气体流量计I6设置在第二管道29上，攻角调整器9设置在第二管道29的末端，气体流量计II23设置在第三管道30上，气体流量计I6、气体流量计II23、变频器I17的输入端和变频器Ⅱ19的输入端均与控制柜18电连接，变频器I17的输出端与空气压缩机I1电连接，变频器Ⅱ19的输出端与空气压缩机II20电连接。变频器I17用来控制空气压缩机I1的功率，调节冲刷气体流速，变频器Ⅱ19用来控制空气压缩机II20的功率，调节腐蚀介质的流速，气体流量计I6能够实时显示第二管道29中冲刷气流的流速，气体流量计II23可实时显示第三管道30中腐蚀介质的流量，攻角调整器9可以调节气流冲刷角度。冲刷气流速度、攻角、气流砂粒浓度及气流中腐蚀介质成分与含量均可以调整使该装置可应用于室内加速试验。

为了防止气流回流，气流发生装置还包括单向控制阀2，单向控制阀2设置在空气压缩机I1和第三管道30之间的第一管道3内。

本实施例还包括废料回收装置，废料回收装置包括排气管14、气体回收液15和废气回收池16，废气回收池16内存储有气体回收液15，排气管14的进气口与冲刷室12连通，排气管14的排气口与废气回收池16连通并插入气体回收液15内，废料回收装置将冲刷室12中带有腐蚀介质及沙粒的气流导向废气回收池16中，防止污染空气。

本实施例中，气体整流装置4为现有的整流网。

具体的，如图3和图4所示，本实施例中攻角调整器9包括叶珊固定杆24、单向齿轮28和三个叶珊25，叶珊固定杆24一端设置在第二管道29内，三个叶珊25位于第二管道29内且均匀的与叶珊固定杆24固定连接，叶珊固定杆24另一端穿过第二管道29并与单向齿轮28固定连接，单向齿轮28上设置有指针26，单向齿轮28对应的第二管道29外壁上设置有刻度盘27。调整冲刷攻角时，旋转单向齿轮28可以调整攻角到需要的角度，同时指针26和单向齿轮28一同转动，从而带动第二管道29内的叶珊25转动，从刻度盘27上可随时读出指针26所指示的角度，从而读出冲刷攻角。

本实施例中空气压缩机I1和空气压缩机Ⅱ20的型号均为HG 8/100；变频器I17和变频器II19的型号均为FR-E740-0.4K-CHT；腐蚀介质发生器21的型号为YNK/YWX200(在此基础上改进)；电机13为YVF系列三相交流变频电动机；气体流量计I6和气体流量计II23的型号均为MIK-LUGB。

本实施例提供的模拟冲刷疲劳的试验装置工作过程如下：

根据实际工况转动单向齿轮，调整到所需冲刷攻角，在电机13上安装叶片10完毕后，通过控制柜18开启变频器I17、变频器Ⅱ19和电机13。使冲刷气流达到均匀状态；用变频器I17调节空气压缩机I1，从而达到所需要的流量。根据室内加速试验要求，先配制含所需要的腐蚀介质成分的溶液，作为腐蚀气流发生溶液。用变频器Ⅱ19调节腐蚀介质发生装置的空气压缩机II20的功率，从而达到所需的腐蚀气流流量。气流和腐蚀介质混合后经气体整流装置转变为沿管道方向规则流动的气流，然后喷管5对该气流加速。根据室内加速试验要求，向沙粒喷射室8中添加所需粒径的沙粒，沙粒喷射装置将沙粒喷向高速流动的气流中，调节沙粒喷射装置的流量控制阀I7，得到所需沙粒浓度的气流，采用本实施例能够控制冲刷气流的流速，攻角，及冲刷气流中沙粒粒径、浓度、腐蚀介质的含量及成分，进行冲刷疲劳试验。能够实现将冲刷和疲劳试验同时进行，可以更加真实的反映高速旋转件在相应工况下的损伤情况。

接着，进一步通过电化学测试设备进行实时电化学参数测量、失重测量和材料的组织结构分析等，研究冲刷疲劳的失效机理。

以上所述实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换，均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种模拟冲刷疲劳的试验装置，其特征在于，包括气流发生装置、沙粒喷射装置、腐蚀介质发生装置、冲刷装置、废料回收装置和冲刷气流测控系统：

所述气流发生装置包括第一管道(3)、空气压缩机I(1)、气体整流装置(4)和喷管(5)，所述空气压缩机I(1)与所述第一管道(3)一端连通，所述喷管(5)一端与所述所述第一管道(3)另一端连通，所述气体整流装置(4)设置在所述空气压缩机I(1)和所述喷管(5)之间的第一管道(3)内；

所述沙粒喷射装置包括第二管道(29)、流量控制阀I(7)和沙粒喷射室(8)，所述第二管道(29)一端与所述喷管(5)另一端连通，所述第二管道(29)另一端与所述冲刷装置连通，所述沙粒喷射室(8)出口端与所述第二管道(29)连通，所述沙粒喷射室(8)出口端设置有所述流量控制阀I(7)；

所述腐蚀介质发生装置包括第三管道(30)、空气压缩机II(20)、腐蚀介质发生器(21)和流量控制阀II(22)，所述第三管道(30)一端与所述空气压缩机I(1)和所述气体整流装置(4)之间的第一管道(3)连通，所述腐蚀介质发生器(21)的入口端与所述空气压缩机II(20)连通，所述腐蚀介质发生器(21)的出口端与所述第三管道(30)另一端连通，所述流量控制阀II(22)设置在所述第三管道(30)上；

所述冲刷装置包括冲刷室(12)、电机(13)和设置在所述冲刷室(12)内的叶片(10)和热电偶(11)，所述热电偶(11)固定在所述冲刷室(12)内壁上，所述电机(13)的转动轴穿过所述冲刷室(12)侧壁与所述叶片(10)连接，所述第二管道(29)另一端与所述冲刷室(12)连通；

所述冲刷气流测控系统包括气体流量计I(6)、攻角调整器(9)、气体流量计II(23)、变频器I(17)、变频器Ⅱ(19)和控制柜(18)，所述气体流量计I(6)设置在所述第二管道(29)上，所述攻角调整器(9)设置在所述第二管道(29)另一端，所述气体流量计II(23)设置在所述第三管道(30)上，所述气体流量计I(6)、气体流量计II(23)、变频器I(17)的输入端和变频器Ⅱ(19)的输入端均与所述控制柜(18)电连接，所述变频器I(17)的输出端与所述空气压缩机I(1)电连接，所述变频器Ⅱ(19)的输出端与所述空气压缩机II(20)电连接；

所述废料回收装置包括排气管(14)、气体回收液(15)和废气回收池(16)，所述废气回收池(16)内存储有所述气体回收液(15)，所述排气管(14)的进气口与所述冲刷室(12)连通，所述排气管(14)的排气口与所述废气回收池(16)连通并插入所述气体回收液(15)内；

所述攻角调整器(9)包括叶珊固定杆(24)、单向齿轮(28)和三个叶珊(25)，所述叶珊固定杆(24)一端设置在所述第二管道(29)内，三个所述叶珊(25)位于所述第二管道(29)内且均匀的与所述叶珊固定杆(24)固定连接，所述叶珊固定杆(24)另一端穿过所述第二管道(29)并与所述单向齿轮(28)固定连接，所述单向齿轮(28)上设置有指针(26)，所述单向齿轮(28)对应的第二管道(29)外壁上设置有刻度盘(27)。

2.根据权利要求1所述的模拟冲刷疲劳的试验装置，其特征在于，所述气流发生装置还包括单向控制阀(2)，所述单向控制阀(2)设置在所述空气压缩机I(1)和所述第三管道(30)之间的第一管道(3)内。

3.根据权利要求1所述的模拟冲刷疲劳的试验装置，其特征在于，所述气体整流装置(4)为整流网。

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