CN109342241A - 高温高速气体射流多功能冲蚀试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温高速气体射流多功能冲蚀试验装置，包括气体主射流喷嘴、试验台架底座、水槽、注水系统、水泵、电机、冷凝器、可旋转底板、压力表、球阀、气体流量计、热电偶、止回阀、储气罐。本发明可用来研究不同材料在高温高速气体射流冲击下以及气体射流与多种工况环境耦合作用下的冲蚀规律，揭示冲蚀机理及其影响因素，可通过提高石油化工、煤化工、燃气输送、航空航天、国防等领域设备零件的质量来提高安全水平。

Description

高温高速气体射流多功能冲蚀试验装置

技术领域

本发明涉及气流冲蚀试验装置，具体为一种高温高速气体射流多功能冲蚀试验装置。

背景技术

高温高速气体射流冲蚀现象广泛存在于石油化工、煤化工、燃气输送、航空航天、国防等领域，是造成设备零件损坏、劣化和产生安全隐患的重要原因。由于一般的试验装置难以模拟实际工况并对材料的抗高温气流冲蚀性能进行有效研究，导致相关研究资料缺乏，各类型材料的高温气体射流冲蚀机理无法明确。针对上述背景中所存在问题，本发明通过采用气体射流冲击技术，即将具有一定压力的高温气体，经一定形状的喷嘴喷出，并直接冲击试样方法进行材料抗冲蚀性能试验。

发明内容

本发明目的是提供一种高温高速气体射流冲蚀多功能试验装置，可以模拟实际工况中材料的冲蚀失效过程，研究不同环境耦合情况下材料的冲蚀损伤演化规律。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种高温高速气体射流多功能冲蚀试验装置，包括底座，所述底座上四周固定有耐高温钢化玻璃围成的水槽，所述底座上四角分别通过轴承安装四根立柱，该四根立柱的底部通过齿轮及链条传动机构由电机驱动实现同步转动，该四根立柱上安装有能够上下运动的喷嘴平台，即喷嘴平台四周分别通过螺母安装于四根立柱上；所述喷嘴平台上安装气体混合腔，所述气体混合腔端面安装有多个主射流喷嘴，所述主射流喷嘴一侧设有氧气接口（通过管路连接外部氧气源），所述气体混合腔的高压乙炔进口和高压氧气进口分别通过输气软管连接高压乙炔储罐和高压氧气储罐，所述输气软管上安装有压力表、气体流量计及止回阀；所述底座内表面的射流冲击场测点位置安装热电偶。

优选的，所述水槽侧壁设置有多个导流槽，所述导流槽端部设有冷凝器，用于进行雾化液滴尾气处理。

优选的，所述主射流喷嘴四周设有注水环管，所述注水环管通过四根连接臂及轴承支撑于四根立柱上，所述注水环管内侧安装有多个注水喷头，所述注水环管的进水口通过输水软管与位于水槽外的水泵连接，所述输水软管上安装球阀。

优选的，所述底座内表面设有活动的扇形底板，所述扇形底板通过旋转电机及传动机构驱动进行往复周期运动，所述热电偶位于扇形底板的射流冲击场测点位置。

实施时，试验台架底座四周固定有耐高温钢化玻璃围成的水槽，气体主射流喷嘴固定于气体混合腔下方，气体混合腔位于喷嘴平台上，喷嘴平台通过螺母安装于四根螺杆立柱上，试验过程中，其高度可根据试验要求通过螺杆立柱的同步旋转进行动态调整。气体主射流喷嘴由6至18个分立喷嘴组成，各分立喷嘴的喷口尺寸为1.8mm。喷嘴喷出的燃气射流和和喷嘴之间保持有3mm~10mm左右的距离，当燃气通过喷口时可起到一定的降温作用，避免高温射流火焰烧损喷嘴；通过控制工作的分立喷嘴数量以及调整喷嘴平台高度，可使高温射流与材料板试样的气固耦合界面温度在500℃至3500℃范围内变化。通过气体流量调整，可使燃气射流出口流速在8m/s~210m/s范围内变化。气体混合腔分别通过输气软管与高压乙炔储罐和高压氧气储罐相连，输气软管上安装有流量计和止回阀，高压乙炔管路上面安装有回火防止器，高压氧气主要的作用的用于增压，另外在主射流喷嘴侧面具有氧气接口，用于通入燃烧用的氧气，并通过调节氧气的输入量来控制火焰温度。水槽中悬置有注水系统，注水系统通过输水软管与水泵相连接，注水系统采用水泵作为注水系统的动力源以保证试验过程中的注水水压恒定，本装置采用四侧注水方式，注水喷嘴均设计为直柱型喷嘴，四个注水喷头对称分布于主射流喷嘴出口正下方，注水喷嘴能够转动，则注水方向与水平方向的夹角可调，可将注水射流交汇点设置在燃气主流的指定波节端面位置。在水槽的上半部布置有导流槽，导流槽端部为冷凝器，导流槽用来导流冲蚀产生的水蒸气保持水槽内外压强一样。试验台架底座下面部分设置有可旋转的扇形底板，其上安装有热电偶，热电偶属于接触式测量设备，将其安放在射流冲击底板位置，测得冲击流场在测点位置处的总温，并尽量减少对流场形态的干扰。试验主台架采用立式试验方式以便于布置红外热像仪和高速摄影机等设备。

本发明所述的多功能试验装置可进行如下四类型试验：

1、高温高速自由射流热冲击试验。由于在航空、航天、电子、电力等领域，很多设备部件运作在高温环境下，如航天器采用大气制动技术过程中，与大气摩擦产生气动热，表面温度可达上百甚至上千摄氏度；燃气轮机叶片长期工作在1000K以上的高温环境中，部件材料的寿命受到严重威胁；飞行器在大气层中高速飞行时，由于机体对气流的粘滞作用，致使机体表面边界层空气受到强烈压缩和摩擦作用，大大增加气体内能，发生温度骤然升高现象，当大量热量集中于材料表面时，就会超过材料固有的最大理论热容量，从而发生烧蚀现象。同时，较大的温度梯度会在材料内部产生热应力，当热应力超过材料所能承受的极限应力时，材料就会发生破坏。因此，必须进行高温高速自由射流热冲击试验才可有效对材料的该类型抗冲蚀性能进行评估。

试验时，将试件放入底座（扇形底板）的测量点位置，喷嘴平台初始时位置在最高点，通过驱动四根螺杆立柱同步转动，根据试验调节喷嘴平台高度，开启射流喷嘴开关并拧开高压乙炔（高压氧气）和氧气开关，通过人工手动方式点燃气体，并通过氧气供应量调节阀来控制火焰温度，到达指定温度后进行高温高速自由射流热冲击试验，试验完成后关闭高压乙炔（高压氧气）和氧气开关，结束试验。

2、贮水导流槽在高温高速气体射流冲击下气液耦合界面和气液固耦合界面流场特性与冲蚀机理试验。在飞行器从点火到起飞的过程中，其后的高速高温燃气射流将冲击发射装置迎气面，它不仅可能引起发射装置的振动响应和飞行器飞行的初始扰动，而且还可能对发射装置产生严重的烧蚀效应，因此，贮水导流槽的使用在该类型工况下十分常见，相应的材料试验数据可为相应工程提供参考。

试验时，将试件放入底座（扇形底板）的测量点位置，根据试验要求于水槽中注入一定高度蒸馏水并开启冷凝器，喷嘴平台初始时位置在最高点，通过驱动四根螺杆立柱同步转动，根据试验调节喷嘴平台高度，开启射流喷嘴开关并拧开高压乙炔（高压氧气）和氧气开关，通过人工手动方式点燃气体，并通过氧气供应量调节阀来控制火焰温度，到达指定温度后进行高温高速气体射流冲击下气液耦合界面和气液固耦合界面流场特性与冲蚀机理试验，产生的蒸汽通过导流槽后进入冷凝器，保持内外压强基本一致，试验完成后关闭高压乙炔（高压氧气）和氧气开关，结束试验。

3、高温高速气体射流与注水流场的气液耦合试验。为了延长发射装置的使用寿命，降低维护成本，在点火时向发动机羽流冲击场中注入大量冷却水的方式来降低发动机羽流冲击场温度是一种有效手段。通过注水的冷却水雾化形成细小水滴与高温燃气接触后汽化来吸收燃气中的热量，从而降低燃气射流冲击流场的温度。在高温高速燃气射流注水流场中，常温水射流与高温高速燃气射流之间存在严重的强相互作用，液滴在高速气流中发生二次破碎、变形、湍流扩散、蒸发以及气液相互耦合作用。使用本试验装置对附属有注水冷却系统的相应工程进行气液耦合模拟试验可对带有注水冷却系统的工程提供依据。

试验时，调整冷却系统的注水射流角度，或者直接将注水喷嘴安装至合适的角度（省去调整环节），喷嘴平台初始时位置在最高点，开启射流喷嘴开关并拧开高压乙炔（高压氧气）和氧气开关，通过人工手动方式点燃气体，通过驱动四根螺杆立柱同步转动，根据试验调节喷嘴平台高度，开启冷凝器和高压水泵，调整注水喷嘴角度使射流交汇点位于指定火焰波节，关闭氧气乙炔开关和高压水泵，将喷嘴平台升至初始位置；将试件放入底座（扇形底板）的测量点位置，根据试验要求于水槽中注入一定高度蒸馏水，将喷嘴平台下降至调整好的合适位置，开启射流喷嘴开关并拧开高压乙炔（高压氧气）和氧气开关，通过人工手动方式点燃气体，并通过氧气供应量调节阀来控制火焰温度，到达指定温度后进行高温高速气体射流与注水流场的气液耦合试验，产生的蒸汽通过导流槽后进入冷凝器，保持内外压强基本一致，试验完成后关闭高压乙炔（高压氧气）和氧气开关，关闭冷凝器和高压水泵，结束试验。

4、高温高速气体射流作用下的热疲劳试验。在一些换热部件连接部位易出现应力集中，在高温和高速气体冲击下容易产生热疲劳。对相应材料进行高温高速气体射流作用下的抵抗热疲劳性能的评估十分必要。

试验时，将试件放入底座上的扇形底板的测量点位置，开启旋转电机驱动扇形底板进行往复运动并调整其旋转速度。喷嘴平台初始时位置在最高点，通过驱动四根螺杆立柱同步转动，根据试验调节喷嘴平台高度，开启射流喷嘴开关并拧开高压乙炔（高压氧气）和氧气开关，通过人工手动方式点燃气体，并通过氧气供应量调节阀来控制火焰温度，到达指定温度后进行高温高速气体射流作用下的热疲劳试验，则试件周期性位于火焰温度范围内和范围外，试验完成后关闭高压乙炔（高压氧气）和氧气开关，结束试验。

本发明的有益效果：可以模拟实际工况中材料的冲蚀失效过程，研究不同环境耦合情况下材料的冲蚀损伤演化规律，使用性高，操作简单，减少繁琐工序，相对降低了操作的危险性。

本发明装置可用来研究不同材料在高温高速气体射流冲击下以及气体射流与多种工况环境耦合作用下的冲蚀规律，揭示冲蚀机理及其影响因素，可通过提高石油化工、煤化工、燃气输送、航空航天、国防等领域设备零件的质量来提高安全水平。

本发明设计合理，使用方便，安全可靠。

附图说明

图1表示本发明所述高温高速气体射流多功能冲蚀试验装置的结构示意图。

图2表示高温高湿气体射流直冲试验流程图。

图3表示贮水导流槽在高温高速气体射流冲击下气液耦合界面和气液固耦合界面流场特性与冲蚀机理试验的流程图。

图4表示高温高速气体射流与注水流场的气液耦合试验的流程图。

图5表示高温高速气体射流作用下的热疲劳试验的流程图。

图6表示主射流喷嘴部位结构示意图。

图中：1-底座，2-水槽，3-立柱，4-喷嘴平台，5-气体混合腔，6-主射流喷嘴，7-注水环管，8-连接臂，9-注水喷头，10-热电偶，11-高压乙炔储罐，12-高压氧气储罐，13-输气软管，14-压力表，15-气体流量计，16-止回阀，17-导流槽，18-冷凝器，19-输水软管，20-水泵，21-球阀，22-扇形底板，23-高压乙炔进口，24-高压氧气进口，25-氧气接口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。

实施例1

一种高温高速气体射流多功能冲蚀试验装置，在高温高速气体射流直冲试验中，该试验装置包括主射流喷嘴、喷嘴平台、试验台架、水槽、压力表、球阀、气体流量计、热电偶、止回阀、输气软管、储气罐等，具体如图1所示，包括底座1，底座1上四周固定有耐高温钢化玻璃围成的水槽2，底座1上四角分别通过轴承安装四根立柱3，该四根立柱3的底部通过齿轮及链条传动机构由电机驱动实现同步转动（属于现有设计，不在赘述），该四根立柱3上安装有能够上下运动的喷嘴平台4，即喷嘴平台4四周分别通过螺母安装于四根立柱3上，喷嘴平台4四角分别固定一个螺母，四根立柱3在同步转动过程中，螺母沿螺杆立柱上下运动，进而使得喷嘴平台4能够上下运动；喷嘴平台4上安装气体混合腔5，气体混合腔5端面安装有多个主射流喷嘴6，如图6所示，主射流喷嘴6一侧设有氧气接口25（通过管路连接外部氧气源，通过氧气输入量控制火焰温度），气体混合腔6的高压乙炔进口23和高压氧气进口24分别通过输气软管13连接高压乙炔储罐11和高压氧气储罐12（用于增压），输气软管13上安装有压力表14、气体流量计15及止回阀16；底座1内表面的射流冲击场测点位置安装热电偶10。

试验时，如图2所示，将试件放入底座1的测量点位置，喷嘴平台4初始时位置在最高点，通过驱动四根螺杆立柱3同步转动，根据试验调节喷嘴平台4高度，开启主射流喷嘴6开关并拧开高压乙炔（高压氧气）和氧气开关，通过人工手动方式点燃气体，并通过氧气供应量调节阀来控制火焰温度，到达指定温度后进行高温高速自由射流热冲击试验，试验完成后关闭高压乙炔（高压氧气）和氧气开关，结束试验。

实施例2

一种高温高速气体射流多功能冲蚀试验装置，在贮水导流槽在高温高速气体射流冲击下气液耦合界面和气液固耦合界面流场特性与冲蚀机理试验中，该试验装置包括主射流喷嘴、喷嘴平台、试验台架、水槽、导流槽、冷凝器、压力表、球阀、气体流量计、热电偶、止回阀、输气软管、储气罐等，具体如图1所示，包括底座1，底座1上四周固定有耐高温钢化玻璃围成的水槽2，水槽2侧壁设置有多个导流槽17，导流槽17端部设有冷凝器18。底座1上四角分别通过轴承安装四根立柱3，该四根立柱3的底部通过齿轮及链条传动机构由电机驱动实现同步转动，该四根立柱3上安装有能够上下运动的喷嘴平台4，即喷嘴平台4四周分别通过螺母安装于四根立柱3上，喷嘴平台4四角分别固定一个螺母，四根立柱3在同步转动过程中，螺母沿螺杆立柱上下运动，进而使得喷嘴平台4能够上下运动；喷嘴平台4上安装气体混合腔5，气体混合腔5端面安装有多个主射流喷嘴6，如图6所示，主射流喷嘴6一侧设有氧气接口25（通过管路连接外部氧气源，通过氧气输入量控制火焰温度），气体混合腔6的高压乙炔进口23和高压氧气进口24分别通过输气软管13连接高压乙炔储罐11和高压氧气储罐12（用于增压），输气软管13上安装有压力表14、气体流量计15及止回阀16；底座1内表面的射流冲击场测点位置安装热电偶10。

试验时，如图3所示，将试件放入底座1的测量点位置，根据试验要求于水槽2中注入一定高度蒸馏水并开启冷凝器18，喷嘴平台4初始时位置在最高点，通过驱动四根螺杆3立柱同步转动，根据试验调节喷嘴平台4高度，开启射流喷嘴开关并拧开高压乙炔（高压氧气）和氧气开关，通过人工手动方式点燃气体，并通过氧气供应量调节阀来控制火焰温度，到达指定温度后进行高温高速气体射流冲击下气液耦合界面和气液固耦合界面流场特性与冲蚀机理试验，产生的蒸汽通过导流槽后进入冷凝器，保持内外压强基本一致，试验完成后关闭高压乙炔（高压氧气）和氧气开关，结束试验。

实施例3

一种高温高速气体射流多功能冲蚀试验装置，在高温高速气体射流与注水流场的气液耦合试验中，该试验装置包括气体主射流喷嘴、喷嘴平台、试验台架、水槽、注水系统、输水软管、水泵、导流槽、冷凝器、压力表、球阀、气体流量计、热电偶、止回阀、输气软管、储气罐等，具体如图1所示，包括底座1，底座1上四周固定有耐高温钢化玻璃围成的水槽2，水槽2侧壁设置有多个导流槽17，导流槽17端部设有冷凝器18。底座1上四角分别通过轴承安装四根立柱3，该四根立柱3的底部通过齿轮及链条传动机构由电机驱动实现同步转动，该四根立柱3上安装有能够上下运动的喷嘴平台4，即喷嘴平台4四周分别通过螺母安装于四根立柱3上，喷嘴平台4四角分别固定一个螺母，四根立柱3在同步转动过程中，螺母沿螺杆立柱上下运动，进而使得喷嘴平台4能够上下运动；喷嘴平台4上安装气体混合腔5，气体混合腔5端面安装有多个主射流喷嘴6，如图6所示，主射流喷嘴6一侧设有氧气接口25（通过管路连接外部氧气源，通过氧气输入量控制火焰温度），气体混合腔6的高压乙炔进口23和高压氧气进口24分别通过输气软管13连接高压乙炔储罐11和高压氧气储罐12（用于增压），输气软管13上安装有压力表14、气体流量计15及止回阀16；底座1内表面的射流冲击场测点位置安装热电偶10。主射流喷嘴6四周设有注水环管7，注水环管7通过四根连接臂8及轴承支撑于四根立柱3上，注水环管7内侧安装有多个注水喷头9，注水环管7的进水口通过输水软管19与位于水槽2外的水泵20连接，输水软管19上安装球阀21。

试验时，如图4所示，调整冷却系统的注水射流角度，或者直接将注水喷嘴安装至合适的角度（省去调整环节），喷嘴平台初始时位置在最高点，开启射流喷嘴开关并拧开高压乙炔（高压氧气）和氧气开关，通过人工手动方式点燃气体，通过驱动四根螺杆立柱同步转动，根据试验调节喷嘴平台高度，开启冷凝器和高压水泵，调整注水喷嘴角度使射流交汇点位于指定火焰波节，关闭氧气乙炔开关和高压水泵，将喷嘴平台升至初始位置；将试件放入底座的测量点位置，根据试验要求于水槽中注入一定高度蒸馏水，将喷嘴平台下降至调整好的合适位置，开启射流喷嘴开关并拧开高压乙炔（高压氧气）和氧气开关，通过人工手动方式点燃气体，并通过氧气供应量调节阀来控制火焰温度，到达指定温度后进行高温高速气体射流与注水流场的气液耦合试验，产生的蒸汽通过导流槽后进入冷凝器，保持内外压强基本一致，试验完成后关闭高压乙炔（高压氧气）和氧气开关，关闭冷凝器和高压水泵，结束试验。

实施例4

一种高温高速气体射流多功能冲蚀试验装置，在高温高速气体射流作用下的热疲劳试验中，该试验装置包括喷嘴、喷嘴平台、试验台架、水槽、可旋转底座、压力表、球阀、气体流量计、热电偶、止回阀、输气软管、储气罐等，具体如图1所示，包括底座1，底座1上四周固定有耐高温钢化玻璃围成的水槽2，底座1上四角分别通过轴承安装四根立柱3，该四根立柱3的底部通过齿轮及链条传动机构由电机驱动实现同步转动，该四根立柱3上安装有能够上下运动的喷嘴平台4，即喷嘴平台4四周分别通过螺母安装于四根立柱3上，喷嘴平台4四角分别固定一个螺母，四根立柱3在同步转动过程中，螺母沿螺杆立柱上下运动，进而使得喷嘴平台4能够上下运动；喷嘴平台4上安装气体混合腔5，气体混合腔5端面安装有多个主射流喷嘴6，如图6所示，主射流喷嘴6一侧设有氧气接口25（通过管路连接外部氧气源，通过氧气输入量控制火焰温度），气体混合腔6的高压乙炔进口23和高压氧气进口24分别通过输气软管13连接高压乙炔储罐11和高压氧气储罐12（用于增压），输气软管13上安装有压力表14、气体流量计15及止回阀16；底座1内表面设有活动的扇形底板22，扇形底板的转动中心位于某一根立柱，通过轴座安装于立柱底部，扇形底板22通过旋转电机及传动机构驱动进行往复周期运动（属于常规设计），热电偶10位于扇形底板22的射流冲击场测点位置。

试验时，如图5所示，将试件放入底座上的扇形底板的测量点位置，开启旋转电机驱动扇形底板进行往复运动并调整其旋转速度。喷嘴平台初始时位置在最高点，通过驱动四根螺杆立柱同步转动，根据试验调节喷嘴平台高度，开启射流喷嘴开关并拧开高压乙炔（高压氧气）和氧气开关，通过人工手动方式点燃气体，并通过氧气供应量调节阀来控制火焰温度，到达指定温度后进行高温高速气体射流作用下的热疲劳试验，则试件周期性位于火焰温度范围内和范围外，试验完成后关闭高压乙炔（高压氧气）和氧气开关，结束试验。

应当指出，对于本技术领域的一般技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和应用，这些改进和应用也视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种高温高速气体射流多功能冲蚀试验装置，其特征在于：包括底座（1），所述底座（1）上四周固定有耐高温钢化玻璃围成的水槽（2），所述底座（1）上四角分别通过轴承安装四根立柱（3），该四根立柱（3）的底部通过齿轮及链条传动机构由电机驱动实现同步转动，该四根立柱（3）上安装有能够上下运动的喷嘴平台（4），即喷嘴平台（4）四周分别通过螺母安装于四根立柱（3）上；所述喷嘴平台（4）上安装气体混合腔（5），所述气体混合腔（5）端面安装有多个主射流喷嘴（6），所述主射流喷嘴（6）一侧设有氧气接口（25），所述气体混合腔（6）的高压乙炔进口（23）和高压氧气进口（24）分别通过输气软管（13）连接高压乙炔储罐（11）和高压氧气储罐（12），所述输气软管（13）上安装有压力表（14）、气体流量计（15）及止回阀（16）；所述底座（1）内表面的射流冲击场测点位置安装热电偶（10）。

2.根据权利要求1所述的高温高速气体射流多功能冲蚀试验装置，其特征在于：所述水槽（2）侧壁设置有多个导流槽（17），所述导流槽（17）端部设有冷凝器（18）。

3.根据权利要求2所述的高温高速气体射流多功能冲蚀试验装置，其特征在于：所述主射流喷嘴（6）四周设有注水环管（7），所述注水环管（7）通过四根连接臂（8）及轴承支撑于四根立柱（3）上，所述注水环管（7）内侧安装有多个注水喷头（9），所述注水环管（7）的进水口通过输水软管（19）与位于水槽（2）外的水泵（20）连接，所述输水软管（19）上安装球阀（21）。

4.根据权利要求1或2或3所述的高温高速气体射流多功能冲蚀试验装置，其特征在于：所述底座（1）内表面设有活动的扇形底板（22），所述扇形底板（22）通过旋转电机及传动机构驱动进行往复周期运动，所述热电偶（10）位于扇形底板（22）的射流冲击场测点位置。