CN109030260B - 一种基于水蚀试验系统的嵌入式轮盘结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于水蚀试验系统的嵌入式轮盘结构，包括轮盘和嵌入式挡板；其中，该轮盘采用整体对称结构，其外缘均匀开设有若干等距环形空腔，相邻两个环形空腔之间设置有间隔梁，每个环形空腔的径向内侧开设有试件安装槽，其宽度与材料试件厚度相匹配，用于固定实验过程中材料试件的轴向位置；实验时，若干材料试件分别安装在环形空腔的试件安装槽内，嵌入式挡板覆盖在轮盘射流来流面的环形空腔处，高速射流通过轮盘上的环形空腔撞击到整圈材料试件靶面上，用以测试材料试件的抗水蚀性能。本发明在提高材料水蚀实验的可操作性的同时，保证高速运转下实验系统的安全稳定性。

Description

一种基于水蚀试验系统的嵌入式轮盘结构

技术领域

本发明属于工业设备技术领域，具体涉及一种应用于汽轮机叶片材料抗冲蚀试验的基于水蚀试验系统的嵌入式轮盘结构。

背景技术

社会经济发展导致化石能源消耗日益增多，同时造成了一定程度的环境污染。而太阳能、风能、潮汐能、地热能等可再生能源的利用存在诸多约束因素，难以被有效利用。我国正走在全面建设小康社会的进程中，电量需求的增长是不可避免的。汽轮机叶片防水蚀措施可以分为主动式和被动式，主动式是通过结构设计减少有害的水滴。常见的方式有：(1)利用动叶的离心力将水滴甩到通流部分之外，具体实现方法有：设计新型捕水室，防止水滴回流；在每一级动叶出口开疏水口，将动叶上的水滴引向抽汽口或者凝汽器；(2)在静叶通道内除水。具体实现方法有：在出汽边弧面上加工出缝隙，采用空心静叶等；(3)使用蜂窝汽封结构除水，收集叶片流道内的水汽，但在末级湿度很大的环境内不适用；(4)采用级间抽汽，但会损失仍具有做功能力的蒸汽；(5)增大动静叶片空腔。适当调整动静叶片空腔，可以使水滴充分雾化，减少对叶片的冲蚀。

被动式防护方式是在设计定型的情况下，更换抗水蚀材料，或者针对叶片容易遭受水蚀的部位进行强化。采用的措施一般有：(1)镶嵌司太立合金片；(2)叶片表面激光淬火；(3)激光表面熔焊和熔覆技术；(4)电子束表面处理技术；(5)电火花强化；(6)热喷涂技术。当汽轮机结构设计定型之后，主动防护措施就基本定型，并且其效果相对来说不显著，而被动防护技术更具有针对性，是目前汽轮机制造企业普遍采用的方法。

从20世纪二十年代起，研究者们就开始了材料水蚀的实验研究，并试图搭建准确和稳定的实验分析系统，建立标准化测试流程。大家一致认为，水蚀实验评估是汽轮机叶片设计和材料选择中一项必须的流程。使用真实汽轮机进行叶片抗水蚀测试费用高昂，并且过程缓慢，因此根据水蚀的关键参数简化实验系统，以便于在实验室中进行测试是十分有必要的。近年来国外学者仍在对材料水蚀行为进行大量实验研究，而相关文献中未看到国内有材料水蚀实验平台的描述，为了探索材料水蚀性能影响规律并寻找新型防水蚀材料及方法，本文作者自主设计并搭建了汽轮机低压叶片材料水蚀特性测试系统，而更高的轮盘转速必然带来更大的离心力，由此带来了极大的安全隐患，由此对更严苛工况下的水蚀测试带来了很大的困难。

发明内容

本发明的目的是在已有材料水蚀性能测试实验平台的基础上，针对高转速下的转子不平衡结构的安全隐患，提供了一种基于水蚀试验系统的嵌入式轮盘结构，在提高材料水蚀实验的可操作性的同时，保证高速运转下实验系统的安全稳定性。

本发明采用如下技术方案来实现的：

一种基于水蚀试验系统的嵌入式轮盘结构，包括轮盘和嵌入式挡板；其中，

该轮盘采用整体对称结构，其外缘均匀开设有若干等距环形空腔，相邻两个环形空腔之间设置有间隔梁，每个环形空腔的径向内侧开设有试件安装槽，其宽度与材料试件厚度相匹配，用于固定实验过程中材料试件的轴向位置；实验时，若干材料试件分别安装在环形空腔的试件安装槽内，嵌入式挡板覆盖在轮盘射流来流面的环形空腔处，高速射流通过轮盘上的环形空腔撞击到整圈材料试件靶面上，用以测试材料的抗水蚀性能。

本发明进一步的改进在于，每个环形空腔中心位置径向外侧开设一个定位螺孔，嵌入式挡板采用L型环形结构，其外缘中心位置开设紧固螺孔，其位置和大小与轮盘上的定位螺孔相对应，用于连接嵌入式挡板与轮盘。

本发明进一步的改进在于，材料试件呈扇形块，整圈试件相邻排布于轮盘的环形空腔中的试件安装槽内，材料试件之间相互贴紧从而固定在撞击过程中材料试件的周向位置。

本发明进一步的改进在于，还包括轴，轮盘的中心处开设有轴孔，用于将轮盘通过轴孔安装于轴上，再通过两端轴承将转子安装于水蚀试验段内。

本发明具有如下有益的技术效果：

本发明提供的一种基于水蚀试验系统的嵌入式轮盘结构，其设计主要是采用无压板的整体对称轮盘和嵌入式挡板结构，轮盘内侧周向设置四条安装槽可保证在实验过程中试件不会产生轴向位移，而中空式的轮盘设计则便于安装和拆卸试件，整圈布置若干扇形材料试验件，承受高速射流撞击，待试验件布置完成后通过安装螺孔加装嵌入式挡板，用于固定试件的径向位置。概括来说，有以下几处优点：

1、相比于之前的轮盘开设的试件安装槽，本发明采用的整体对称轮盘和嵌入式挡板结构设计可保证转子在实验过程中较好的对称性，避免由于高转速运行而产生的过大离心力所带来的安全隐患。

2、对于材料的水蚀实验，经常需要对特定位置的材料试样进行拆卸分析，而传统的压板式轮盘设计仅开设了一个试件安装槽，因此必须将整圈试件全部取出从中挑选目标试样，而中空的轮盘设计使定点拆装试件成为可能，大幅节约了实验的时间成本。

3、本发明采用的无压板设计，省掉了实验过程中紧固和旋松压板的步骤，实验安装过程得到了简化，同时分离的嵌入式挡板设计也使得更换挡板更为方便，避免了压板受损之后，需要整体拆卸试验转子的复杂步骤；

4、相比于传统水蚀实验的试件夹持结构和整圈试件滑槽结构，本发明可有效解决这两种试件安装布置结构的固有缺陷，在高效率地对整圈材料试样进行同种工况下的水蚀性能测的同时，可保证高转速下设备运行安全稳定性。

5、本发明结构清晰，加工方便，操作性强，安装及拆卸流程简单，可实现在不影响其他试件位置的前提下，对特定位置的材料试件进行拆装从而进行进一步水蚀性能分析。

附图说明

图1是本发明一种基于水蚀试验系统的嵌入式轮盘结构的整体示意图。

图2是本发明整体剖面图及射流撞击点示意图。

图3是本发明轮盘的整体示意图。

图4是本发明轮盘的主视图。

图5是本发明轮盘的侧视剖面图。

图6是本发明嵌入式挡板的整体示意图。

图7是本发明嵌入式挡板的主视图。

图8是本发明嵌入式挡板的侧视剖面图。

图9是本发明整圈材料试件布置示意图。

图10是本发明单个材料试件结构示意图。

图中：1-轮盘；2-嵌入式挡板；3-材料试件；4-轴；5-环形空腔；6-定位螺孔；7-轴孔；8-试件安装槽；9-紧固螺孔；10-高速射流。

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至图10，本发明提供的一种基于水蚀试验系统的嵌入式轮盘结构，包括轮盘1，轮盘1采用整体对称结构设计，其中心处开设有轴孔7并且其外缘开设4条等距环形空腔5，相邻两个环形空腔5之间设置有一定宽度间隔梁，每个环形空腔5的径向内侧开设有试件安装槽8，其宽度与材料试件3厚度相匹配，用于固定实验过程中材料试件3的轴向位置，每个环形空腔5中心位置径向外侧开设一个定位螺孔6，轮盘1射流来流面覆盖4个嵌入式挡板2，用于固定实验过程中材料试件3的径向位置，嵌入式挡板2采用L型环形结构设计，其外缘中心位置开设紧固螺孔9，其位置和大小与轮盘1上的定位螺孔6相对应，用于连接嵌入式挡板2与轮盘1，材料试件3在实验前加工为扇形块，整圈试件相邻排布于轮盘1的4个环形空腔5中的时间安装槽8内，材料试件3之间相互贴紧从而固定在撞击过程中材料试件3的周向位置，最后高速射流10通过轮盘1上的环形空腔5撞击到整圈材料试件3靶面上，用以测试材料的抗水蚀性能。

为了对本发明进一步了解，现对其安装及工作过程做一说明。

在安装过程中，首先将轮盘1通过轴孔7安装于轴4上，再通过两端轴承将转子安装于水蚀试验段内，之后将若干材料试件3依次通过环形空腔5安装进试件安装槽8内并贴紧试件安装槽8底部，而贯穿轮盘1两侧的环形空腔5的设计更方便材料试件3的安装，之后将嵌入式挡板2插入环形空腔5与材料试件3的构成的顶部间隙中，并将定位螺钉旋入定位螺孔6与紧固螺孔9中以固定嵌入式挡板2与轮盘1的相对位置，而随着嵌入式挡板2的安装，材料试件3的径向位置也被完全固定，在此基础上便可开动实验装置，待轮盘1达到目标转速时启动超高压泵使得高速射流10撞击材料试件3靶面的特定位置以对整圈材料试件3进行持续射流打击从而对材料试件3的水蚀性能进行测试。在拆卸过程中，首先将目标材料试件3对应的嵌入式挡板2上的定位螺钉旋下，之后将嵌入式挡板2延轴向方向抽出轮盘1上的环形空腔5，而材料试件3与轮盘1内侧壁也会随之产生一定的间隙，之后便可通过两侧镂空的环形空腔5将特定位置的材料试件3取出并进行进一步的材料水蚀性能的深入分析。

实验过程中，各环形空腔5中位于试件安装槽8内的材料试件3相互贴紧保证了材料试件3位置不会在轮盘1高速转动中发生改变，从而使得高速射流10在材料试件3靶面上的撞击位置相对固定，由此可研究随水蚀时间累积材料的水蚀特性变化过程。本发明在转动过程中的大部分离心力均是由嵌入式挡板2承受，而嵌入式挡板2的L型结构设计使其与轮盘1内侧壁充分接触从而减小局部应力集中，同时轮盘1的轴向及周向对称结构设计也能够在高速转动过程中提高整体装置的运行稳定性与安全性。另一方面，实验之前会对不同材料试件3的冲击靶面进行编号已确定各待测试件的相对位置以观察随时间累积的材料水蚀形貌特征变化，而分离式的嵌入式挡板2结构设计有利于实验过程中对特定位置的材料试件3进行拆装从而进行进一步深入分析。

传统的水蚀试件安装和布置方法主要分为两种，一种是在轮盘上采用特殊的固紧装置安装一到两个待测试件，进行水蚀性能测试，而由于试件数量较少，实验效率较低，并且不同批次实验之间存在较大实验工况差异，难以进行实验结果的横向比对；另一种是轮盘上开设滑槽结构从而进行待测试件的整圈布置，可以在一批实验中对多个材料试件的水蚀性能进行测试，实验效率高，而随之带来的缺陷是难以在不移动其他试件的同时对特定材料试件进行拆卸分析，同时传统的滑槽结构难免会引入分对称的卡槽结构以方便整圈试件的安装与定位，而在较高转速运转的过程中，卡槽结构便会成为局部应力集中的位置，由此带来较大的实验安全隐患。本发明很好的解决了上述两种试件安装布置方法的固有缺陷，不仅方便对特定位置的材料试件3进行拆卸安装，并且能够同时对若干材料试件3的材料水蚀特性进行实验测试，保证了各材料试件3的实验测试工况均相同，便于之后的实验结果的横向对比分析。

Claims (3)

1.一种基于水蚀试验系统的嵌入式轮盘结构，其特征在于，包括轮盘(1)和嵌入式挡板(2)；其中，

该轮盘(1)采用整体对称结构，其外缘均匀开设有若干等距环形空腔(5)，相邻两个环形空腔(5)之间设置有间隔梁，每个环形空腔(5)的径向内侧开设有试件安装槽(8)，其宽度与材料试件(3)厚度相匹配，用于固定实验过程中材料试件(3)的轴向位置；实验时，若干材料试件(3)分别安装在环形空腔(5)的试件安装槽(8)内，嵌入式挡板(2)覆盖在轮盘(1)射流来流面的环形空腔(5)处，高速射流(10)通过轮盘(1)上的环形空腔(5)撞击到整圈材料试件(3)靶面上，用以测试材料的抗水蚀性能；

每个环形空腔(5)中心位置径向外侧开设一个定位螺孔(6)，嵌入式挡板(2)采用L型环形结构，其外缘中心位置开设紧固螺孔(9)，其位置和大小与轮盘(1)上的定位螺孔(6)相对应，用于连接嵌入式挡板(2)与轮盘(1)。

2.根据权利要求1所述的一种基于水蚀试验系统的嵌入式轮盘结构，其特征在于，材料试件(3)呈扇形块，整圈试件相邻排布于轮盘(1)的环形空腔(5)中的试件安装槽(8)内，材料试件(3)之间相互贴紧从而固定在撞击过程中材料试件(3)的周向位置。

3.根据权利要求1所述的一种基于水蚀试验系统的嵌入式轮盘结构，其特征在于，还包括轴(4)，轮盘(1)的中心处开设有轴孔(7)，用于将轮盘(1)通过轴孔(7)安装于轴(4)上，再通过两端轴承将转子安装于水蚀试验段内。

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