CN108355583A - 一种用于围压环境下空化冲蚀试验的高压釜 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于围压环境下空化冲蚀试验的高压釜，属于工业清洗技术领域。该高压釜包括本体、盛装组件、动力组件、检测组件和电磁溢流阀，其中本体包括上盖、高压釜，盛装组件包括喷嘴装置、视镜、高压管路、吊杆、夹持装置和靶盘底座，动力组件包括伺服电机、软轴和丝杠，检测组件包括压力传感器A、压力传感器B、水听器、流量计，盛装组件从上盖中心安装至高压釜内部，伺服电机位于上盖一侧上方，盛装组件与动力组件之间通过丝杠连接，丝杠与伺服电机之间使用贯穿高压釜内部和上盖的软轴连接，电磁溢流阀位于高压釜一侧下方。本发明可实现射流压力振荡、空化冲蚀、流场特性的同步检测及材料耐空蚀性能评价，操作简单、工作效率高。
Description
技术领域
本发明涉及工业清洗技术领域，特别是指一种用于围压环境下空化冲蚀试验的高压釜。
背景技术
空化射流利用空泡溃灭产生的高幅高频压力冲击，在围压下可以显著提高冲蚀效果，因而在深海矿产资源开采、石油钻井、水下清洗等领域具有广阔应用前景。
空化射流特性决定了其只有在淹没条件尤其在高围压工况下才可以充分发挥优势，然而目前针对空化射流的研究及检测大多在非淹没条件下进行，试验条件与结果均与工程实际存在较大差异。少数发明可用于研究围压下射流冲蚀特性，尚无法实现围压的精确控制，同时只能开展单一冲蚀试验，无法同时得到射流压力振荡特性、空化作用及射流流场结构，其冲蚀行为与空化作用的相互关系仍不明了。同时现有发明将传感器置于围压环境内，其防水问题、可靠性问题及数据传输问题凸显，同时还存在靶距调节不精确、可重复性差及喷嘴更换繁琐等问题。
同时材料的耐空蚀性能作为材料重要性能之一，极大的影响其使用寿命及应用条件。美国已有相关的材料耐空蚀试验标准，其采用空化射流或超声空化装置对材料耐空蚀性能进行评价，但同样存在无法实时获取射流动力学特性及空化噪声特性等问题。
现有发明均较难实现高围压下射流动力学特性、空化噪声特性、流场特征的实时检测及冲蚀行为的同步评价，亦无法应用于材料耐空蚀性能的评估，因此，研制一种操作简便、检测方法多样且适用于高围压环境下的空化射流冲蚀试验及性能检测装置，对于空化射流冲蚀行为研究、围压下应用及射流技术的推广具有重要意义。
本课题组已获得1项相关的国家授权实用新型专利(ZL201420253178.2)，即一种高压水射流自激喷嘴腔内振荡信号检测装置(以下称“原专利”)，原专利在喷嘴装置振荡腔体外周和振荡腔碰撞面下端设置信号采集孔并安装传感器，并通过对数据采集与分析获得喷嘴腔内流体压力脉动特性，进而实现自振喷嘴性能的检测。原专利喷嘴装置一般处于空气或者常压淹没状态，无法实现高围压下自振射流特性检测，且在喷嘴侧壁只布置一种压力传感器，无法采集射流的空化噪声，同时原专利没有标靶及冲蚀试样夹持装置，无法进行射流冲蚀试验。本发明对原专利进行一系列改进：(1)将喷嘴装置置于高压釜内，模拟实现了围压下的淹没射流工作环境；(2)在高压釜侧壁增加水听器，实现了射流空化噪声信号的采集及空化作用特性的获取；(3)在喷嘴装置下方布置靶距实时精确可调的冲蚀试样夹持装置，可进行高围压下射流冲蚀试验，评价射流空蚀效果，或对材料耐空蚀性能展开研究。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种用于围压环境下空化冲蚀试验的高压釜，该装置可以实现围压的精确控制，实时准确地检测空化射流的压力脉动特性与空化特性；同时可以开展不同工况下射流冲蚀试验，评价射流冲蚀性能；亦可针对不同冲蚀材料试样，对其耐空蚀性能进行评价，结合高速摄影技术，该装置还可以实现空化射流高围压淹没工况下的流场特性检测。
该高压釜具体包括本体、盛装组件、动力组件、检测组件和电磁溢流阀，其中，本体包括上盖和高压釜，上盖与高压釜之间通过螺栓进行连接，盛装组件包括喷嘴装置、视镜、高压管路、吊杆、夹持装置和靶盘底座，动力组件包括伺服电机、软轴和丝杠，检测组件包括压力传感器A、压力传感器B、水听器和流量计，盛装组件从上盖中心安装至高压釜内部，伺服电机位于上盖一侧上方，盛装组件与动力组件之间通过丝杠连接，丝杠与伺服电机之间使用贯穿高压釜内部和上盖的软轴连接，电磁溢流阀位于高压釜一侧下方，电磁溢流阀一端连接流量计，另一端连接高压釜。
其中，上盖上开有供盛装组件通过的通孔，通孔处设置支撑台，支撑台上盖有快装盲板，快装盲板与支撑台之间通过快装卡箍固定，快装盲板与吊杆的顶端相连接。
盛装组件底部为靶盘底座，靶盘底座能够在动力装置作用下带动夹持装置发生靠近或远离喷嘴装置的运动，以实现靶距调节；丝杠穿过靶盘底座，丝杠上支撑夹持装置，夹持装置上放置冲蚀试样，夹持装置正上方为喷嘴装置，喷嘴装置用以对冲蚀试样进行冲蚀操作，视镜设置在夹持装置周围，吊杆下端连接靶盘底座。
喷嘴装置上部与高压管路相连，高压管路上设置有压力传感器B，压力传感器B一方面可以实现来流高压水压力的检测，另一方面基于管路压力信号检测方法，可以实现射流压力脉动特性的检测。
软轴采用柔性材质构成，软轴一端连接伺服电机，软轴另一端连接丝杆，通过软轴将伺服电机的动力传送至丝杠，通过丝杆将软轴的转动转变为靶盘底座的竖直运动，进而实现夹持装置发生靠近或远离喷嘴组件的运动。该动力组件一方面可以实现靶距的高精度在线调整，大大提高了靶距调节的可重复性，另一方面采用柔性软轴可以实现动力组件及盛装组件的整体式抽出，使得冲蚀试样及喷嘴装置的更换更为便捷。
水听器和压力传感器A设置在高压釜的外侧壁上，水听器和压力传感器A与喷嘴装置出水口相互平行，可以最大限度地降低射流引起的压力波动及空化噪声信号的衰减，提高信噪比及检测精度，实现了围压、空化噪声、流体压力振荡特性的检测。
视镜为两面，相对安装在高压釜内盛装组件的侧壁上与喷嘴装置相平行的位置处，视镜在检测过程中一方面可以观察试样冲蚀效果，另一方面可以采用高速摄像设备对围压下射流流场特性进行研究。
盛装组件具有离开本体外侧对冲蚀试样及喷嘴装置进行更换的第一状态，以及深入高压釜中对冲蚀试样进行冲蚀的第二状态。
流量计和电磁溢流阀利用下半部流体的缓冲作用，实现高压釜围压的控制及系统流量的监控。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
本发明操作简单、安全可靠，可以实现高围压下射流空化噪声特性、压力脉动特性、冲蚀性能、射流流场的同步检测，射流检测工作效率大幅提高；将水听器及压力传感器均布置在高压釜侧壁或外围，解决了电缆密封问题，提高了传感器寿命及安全性，基于管道流体信号传输原理拾取振荡信号，避开了高围压环境的影响，为高围压下空化射流检测工作提供有力保障；采用伺服电机带动软轴与精密丝杠，从而实现了高围压下靶距的在线精确调节，大幅降低了试验劳动强度，提高了试验可重复性；采用软轴传递伺服电机力矩，其良好的柔性特性保证了靶盘的灵活抽取；将喷嘴装置与冲蚀试样靶盘均固定在快装盲板上，可将其整体式抽出，实现了试验装置的快速切换；夹持装置可实现冲蚀试样的快速更换，易于实现不同材料耐空蚀性能的评价。该发明为高围压下空化射流特性检测提供了新的手段，成为空化射流研究的有力保障。
附图说明
图1为本发明一种用于围压环境下空化冲蚀试验的高压釜结构示意图；
图2为在本发明提供的围压环境下，采用自振喷嘴装置时，射流不同状态下的压力信号频谱图，其中，(a)为共振状态频谱图，(b)为非共振状态频谱图；
图3为在本发明提供的围压环境下，自振空化射流不同状态下的噪声信号功率谱图，其中，(a)为发生强烈空化作用噪声功率谱，(b)为较弱空化作用噪声功率谱；
图4为在本发明提供的围压环境下，自振空化射流不同状态下的材料冲蚀表面形貌，其中，(a)为较强空化作用下的冲蚀试样形貌，(b)为较弱空化作用下的冲蚀试样形貌。
其中：1-快装盲板，2-快装卡箍，3-伺服电机，4-上盖，5-螺栓，6-高压釜，7-压力传感器A，8-喷嘴装置，9-视镜，10-高压管路，11-压力传感器B，12-吊杆，13-水听器，14-夹持装置，15-靶盘底座，16-丝杠，17-软轴，18-流量计，19-电磁溢流阀。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明提供一种用于围压环境下空化冲蚀试验的高压釜。
如图1所示，该高压釜具体包括本体、盛装组件、动力组件、检测组件和电磁溢流阀19，其中，本体包括上盖4和高压釜6，盛装组件包括喷嘴装置8、视镜9、高压管路10、吊杆12、夹持装置14和靶盘底座15，动力组件包括伺服电机3、软轴17和丝杠16，检测组件包括压力传感器A7、压力传感器B11、水听器13和流量计18，盛装组件从上盖4中心安装至高压釜6内部，伺服电机3位于上盖4一侧上方，盛装组件与动力组件之间通过丝杠16连接，丝杠16与伺服电机3之间使用贯穿高压釜5内部和上盖4的软轴17连接，电磁溢流阀19位于高压釜6一侧下方，电磁溢流阀19一端连接流量计18，另一端连接高压釜6。其中，上盖4上开有供盛装组件通过的通孔，通孔处设置支撑台，支撑台上盖有快装盲板1，快装盲板1与支撑台之间通过快装卡箍2固定，快装盲板1与吊杆12的顶端相连接。盛装组件底部为靶盘底座15，丝杠16穿过靶盘底座15，丝杠16上支撑夹持装置14，夹持装置14上放置冲蚀试样，夹持装置14正上方为喷嘴装置8，视镜9设置在夹持装置14周围，吊杆12下端连接靶盘底座15。
喷嘴装置8上部与高压管路10相连，高压管路10上设置有压力传感器B11。软轴17采用柔性材质构成，软轴17一端连接伺服电机3，软轴17另一端连接丝杆16，通过软轴17将伺服电机3的动力传送至丝杠16，通过丝杆16将软轴17的转动转变为靶盘底座15的竖直运动，进而实现夹持装置14发生靠近或远离喷嘴组件8的运动。
水听器13和压力传感器A7设置在高压釜6的外侧壁上，水听器13和压力传感器A7与喷嘴装置8出水口相互平行。
视镜9为两面，相对安装在高压釜6内盛装组件的侧壁上与喷嘴装置8相平行的位置处。
盛装组件具有离开本体外侧对冲蚀试样及喷嘴装置8进行更换的第一状态，以及深入高压釜6中对冲蚀试样进行冲蚀的第二状态。
该高压釜的使用方法，具体为：首先根据测试要求将喷嘴装置及冲蚀试样安装在高压管路末端及夹持装置上，将盛装组件置于高压釜内，使用快装卡箍将高压釜密封。高压水通过高压管路进入喷嘴装置，通过压力传感器B记录并显示来流压力，来流压力稳定后调节电磁溢流阀实现围压的控制，并通过压力传感器A记录显示试验中高压釜内围压值，通过流量计显示并记录装置中的工作介质流量。通过压力传感器A、压力传感器B采集流体振荡信息，通过水听器采集空化噪声信息，工作过程中亦可以通过视镜观察自振射流流场特征。检测完成后，打开快装卡箍并将快装盲板连同喷嘴装置及冲蚀试样一同取出，分析冲蚀试验效果并评价。
在具体试验中采用自振喷嘴装置，产生空化作用更为强烈的自振空化射流。如图2(a)发生强烈自激振荡时压力信号频谱图所示，由频谱图可以看出：频谱图中有两个幅值很高的峰值频率，大约是6.6kHz，13.2kHz，其中13.2kHz与自振喷嘴固有频率相一致。而未发生强烈自激振荡时，如图2(b)所示，压力信号相对平稳，没有高幅值压力振荡。
同步采集得到的空化噪声信号，分析得到空化噪声信号功率谱图如图3所示，发生高频强烈自振时伴随剧烈的空化效果，其声功率谱图峰值频率基本与压力信号频谱图一致(见图3a)，同样未发生强烈自激振荡时空化噪声功率谱没有明显峰值成分(见图3b)。
此外，该装置亦可以通过冲蚀试验对设射流空化作用效果进行评价。如图4所示，为采用纯铝试样在不同空化条件下得到的冲蚀试样表面形貌，由图可见，空化作用较强(见图4a)与较弱(见图4b)工况下冲蚀面积及深度均有显著差异，亦可采用电子天平、表面轮廓仪及电子显微镜对冲蚀结果进行定量评价。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种用于围压环境下空化冲蚀试验的高压釜，其特征在于：包括本体、盛装组件、动力组件、检测组件和电磁溢流阀(19)，其中，本体包括上盖(4)和高压釜(6)，盛装组件包括喷嘴装置(8)、视镜(9)、高压管路(10)、吊杆(12)、夹持装置(14)和靶盘底座(15)，动力组件包括伺服电机(3)、软轴(17)和丝杠(16)，检测组件包括压力传感器A(7)、压力传感器B(11)、水听器(13)和流量计(18)，盛装组件从上盖(4)中心安装至高压釜(6)内部，伺服电机(3)位于上盖(4)一侧上方，盛装组件与动力组件之间通过丝杠(16)连接，丝杠(16)与伺服电机(3)之间使用贯穿高压釜(5)内部和上盖(4)的软轴(17)连接，电磁溢流阀(19)位于高压釜(6)一侧下方，电磁溢流阀(19)一端连接流量计(18)，另一端连接高压釜(6)。
2.根据权利要求1所述一种用于围压环境下空化冲蚀试验的高压釜，其特征在于：所述上盖(4)上开有供盛装组件通过的通孔，通孔处设置支撑台，支撑台上盖有快装盲板(1)，快装盲板(1)与支撑台之间通过快装卡箍(2)固定，快装盲板(1)与吊杆(12)的顶端相连接。
3.根据权利要求1所述一种用于围压环境下空化冲蚀试验的高压釜，其特征在于：所述盛装组件底部为靶盘底座(15)，丝杠(16)穿过靶盘底座(15)，丝杠(16)上支撑夹持装置(14)，夹持装置(14)上放置冲蚀试样，夹持装置(14)正上方为喷嘴装置(8)，视镜(9)设置在夹持装置(14)周围，吊杆(12)下端连接靶盘底座(15)。
4.根据权利要求1所述一种用于围压环境下空化冲蚀试验的高压釜，其特征在于：所述喷嘴装置(8)上部与高压管路(10)相连，高压管路(10)上设置有压力传感器B(11)。
5.根据权利要求1所述一种用于围压环境下空化冲蚀试验的高压釜，其特征在于：所述软轴(17)采用柔性材质构成，软轴(17)一端连接伺服电机(3)，软轴(17)另一端连接丝杆(16)，通过软轴(17)将伺服电机(3)的动力传送至丝杠(16)，通过丝杆(16)将软轴(17)的转动转变为靶盘底座(15)的竖直运动，进而实现夹持装置(14)发生靠近或远离喷嘴组件(8)的运动。
6.根据权利要求1所述一种用于围压环境下空化冲蚀试验的高压釜，其特征在于：所述水听器(13)和压力传感器A(7)设置在高压釜(6)的外侧壁上，水听器(13)和压力传感器A(7)与喷嘴装置(8)出水口相互平行。
7.根据权利要求1所述一种用于围压环境下空化冲蚀试验的高压釜，其特征在于：所述视镜(9)为两面，相对安装在高压釜(6)内盛装组件的侧壁上与喷嘴装置(8)相平行的位置处。
8.根据权利要求1所述一种用于围压环境下空化冲蚀试验的高压釜，其特征在于：所述盛装组件具有离开本体外侧对冲蚀试样及喷嘴装置(8)进行更换的第一状态，以及深入高压釜(6)中对冲蚀试样进行冲蚀的第二状态。
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