CN201653838U - 一种水蚀试验装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种水蚀试验装置，由高压脉冲水射流装置及工件装夹台组成；高压脉冲水射流装置包括水箱、泵水装置，泵水装置与水箱连接，泵水装置的出水管接有回水管和射流管，射流管上装有压力表和喷嘴，回水管与水箱相连，回水管上设有泄压阀；喷嘴设在工件装夹台的上方；还包括控制板，控制板通过导线与高压脉冲水射流装置的泵水装置、压力表、泄压阀及工件装夹台的电机、升降装置连接。本装置与现有技术相比，具有设备结构简单，同时又能精确模拟水蚀试验过程，大幅度降低了试验成本，易于控制、试验时间短的优点。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种水蚀试验装置，属于流体机械技术领域。
背景技术
汽轮机叶片失效是导致电厂停机的主要原因之一。汽轮机末级叶片水蚀指工作在湿蒸汽区的动叶片与气流中夹带的二次水滴高速撞击，导致末级叶片表面材料损伤并剥离的现象。汽轮机末级叶片出汽边水蚀所形成的锯齿状毛刺会造成应力集中和减小叶型根部截面的面积，影响叶片的振动特性，极大削弱了叶片的强度，使叶栅的气动性能恶化，级效率下降；叶片严重的水蚀增加了断裂的危险性，有时会引起叶片的断裂破坏而导致机组发生强烈振动等恶性事故，对汽轮机的安全运行造成威胁。因此，减少和防止末级叶片失效对于汽轮机的安全运行有着重要意义。
为了了解水蚀破坏机理，建立准确的水蚀计算准则和研究有优良抗水蚀性能的材料或工艺应进行试验研究，但直接在实物上进行试验是不可取的。国内外许多汽轮机厂和实验室都建有水蚀试验装置，大多为转盘式和摇臂式。利用拖动电机来提高水滴或水柱与试验材料的撞击速度，模拟叶片水蚀过程。但速度较低、耗能高、不平衡引起振动等，难以精确模拟水蚀破坏过程和对水蚀破坏状况进行评估。Min Ku Lee等人实用新型了一种能精确控制的脉冲水滴水蚀试验装置，但其设备结构复杂、费用昂贵。中国专利ZL200710018830.7也公开了一种汽轮机叶片水蚀试验装置。该装置采用电机带动增速器带动叶片高速旋转，水滴由喷嘴和振动器产生，通过调节叶片转速来提高叶片和水滴的撞击速度来模拟叶片和水滴的高速撞击过程。由于该装置通过叶片转速来调节撞击速度，同时撞击过程中水滴在空间是无序分布的，不能实现压力和破坏区域的精确控制，导致试验时间较长。为此，有必要寻求结构简单、价格低廉、易于控制的设备来进行水蚀试验。
实用新型内容
本实用新型的目的在于针对上述问题，提供一种结构简单、价格低廉、易于控制、试验时间短的水蚀试验装置。
实现本实用新型的目的技术方案是：水蚀试验装置由高压脉冲水射流装置及工件装夹台组成；高压脉冲水射流装置包括水箱、泵水装置，泵水装置与水箱连接，泵水装置的出水管接有回水管和射流管，射流管上装有压力表和喷嘴，回水管与水箱相连，回水管上设有泄压阀；喷嘴设在工件装夹台的上方；还包括控制板，控制板通过导线与高压脉冲水射流装置的泵水装置、压力表、泄压阀及工件装夹台的电机、升降装置连接。
所述工件装夹台包括设有夹具的转盘，转盘的周边设有带排水孔的挡边，转盘装在电机上，电机装在升降装置上。
所述泵水装置采用三柱塞泵。
本实用新型采用高压脉冲水射流装置来模拟叶片的水蚀过程。在高压脉冲水滴的冲击下，材料的破坏特征与水蚀破坏具有相似之处，并且高压脉冲水射流设备压力可调，可以加快材料破坏的进程，缩短水蚀试验时间。
在实际运行的300MW，600MW汽轮机末级叶片中，其运行温度在100℃以下，动叶片与气流中夹带的水滴的相对撞击速度在300-400m/s。根据国内外所做的汽轮机叶片水蚀试验知道，其水滴速度一般都在500m/s以下。根据射流流速简化的表达式
其中υi为射流流速(m/s)，p为射流压力(MPa)。计算表明，在额定压力为150Mpa时，水射流速度可达500m/s左右，完全可以满足水蚀试验的要求。本装置与现有技术相比，具有设备结构简单，同时又能精确模拟水蚀试验过程，大幅度降低了试验成本，易于控制、试验时间短的优点。
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
附图说明
图1是本实用新型的结构示意图。
图2a、图2b是本实用新型用不同时间采用不同脉冲射流压力对材料水蚀失重的影响曲线图。
图3是采用本实用新型所进行的材料水蚀速率与水蚀时间的关系曲线图。
图4是不锈钢2Cr13、高铬铸铁以及司太立合金的平均水蚀深度与水蚀时间的关系曲线图。
图5是高铬铸铁以及司太立合金的平均水蚀深度与水蚀时间的关系曲线图。
具体实施方式
本实用新型的结构如图1所示，由高压脉冲水射流装置及工件装夹台组成；高压脉冲水射流装置包括水箱3、泵水装置5，泵水装置5与水箱3连接，泵水装置5采用三柱塞泵，泵水装置5的出水管6接有回水管8和射流管21，射流管21上装有压力表9和喷嘴10，回水管8与水箱3相连，回水管8上设有电控泄压阀7；工件装夹台包括设有夹具12的转盘13，转盘13的周边设有玻璃挡边11，玻璃挡边11下半部留有直径为2mm的排水孔22，转盘13装在电机14上，电机14装在升降装置15上，电机14选用直流电机；喷嘴10设在工件装夹台上转盘13的上方；本实用新型还设有控制板16，控制板16通过导线20、19、18、17与高压脉冲水射流装置的泵水装置5、压力表9、电控泄压阀7及工件装夹台的电机14、升降装置15连接，升降装置15通过其旋转定位螺杆23使电机14上升或者下降达到调整试样和喷嘴之间的距离。
工作原理：先将试样用夹具12固定在工件装夹台的转盘13上，泵水装置5的将水由进水管4从水箱3中吸入，经出水管6分两路，一路水流过压力表9进入射流管21，然后进入喷嘴10，高速射出打击转盘13上的试样，进行水蚀试验；另一路水流通过泄压阀7进入由回水管8返回水箱3。通过泄压阀7可以调整进入回水管8的水量，在总流量不变的情况下减少回水管8水量则可增加射流管21中的水的压力，由于水射流速度随喷射压力增加而增加，所以通过泄压阀7可以调节水射流的速度。工件装夹台上的夹具12，能精确地自由调节试样的位置，转盘的四周玻璃挡边11可以防止水溅出，玻璃挡边11下半部的排水孔22方便试验后的水排出；装有转盘的电机14可以通过升降装置15进行高度调节。由于高压水流具有一定的危险性，所以不直接在试验台上进行操作，而是通过控制板16经导线20、18、17控制泵水装置5、电控泄压阀7、电机14和升降装置工作。压力表9的信号可通过导线19输入至控制板16显示，在控制面板上对电控泄压阀7操作以调节所需射流水的压力，避免了近距离调整压力时高压水可能对人体造成的伤害。泵水装置5采用三柱塞泵，柱塞泵往复运动的速度，在每一个往复运动的过程中是不断变化的，变化规律接近于正弦曲线。因此排出的流量也是变化的，在曲轴上三个相互错开120°分布，总流量是三柱塞之和。流量的脉动引起压力管路内压力的脉动，形成脉冲射流。本试验装置的高压设备额定输出压力为150MPa，额定流量为25L/s。
本实用新型试验情况如下：
图2a、图2b是本实用新型用不同时间采用不同脉冲射流压力对材料水蚀失重影响的曲线图，其中图2a的水蚀时间为1min，图2b的水蚀时间为2min。图中x＝30mm，40mm，50mm代表喷嘴和试样的距离。从图中可以看出，随着水射流压力的增大，材料水蚀失重也迅速增加，射流压力与材料水蚀失重基本呈抛物线关系。
图3为采用本实用新型所进行的材料水蚀速率与水蚀时间的关系。在靶距为50mm、水冲蚀压力为75Mpa、水蚀时间间隔为30s的试验条件下，对不锈钢2Cr13进行了水蚀试验。从图中可以看出，不锈钢基体的水蚀速率-时间曲线呈现出典型的三阶段，在开始时失重变化较小，经历一定时间之后，失重急剧增加，后随着水蚀时间的增加呈下降趋势。
图4为不锈钢2Cr13、高铬铸铁以及司太立合金的平均水蚀深度与水蚀时间的关系。从图中可以看出，在水蚀初始阶段，不锈钢2Cr13平均水蚀深度和司太立合金、高铬铸铁差距并不大，但在经历一定时间的水冲蚀后，不锈钢基体水蚀急剧加快，这是由于不锈钢基体在水滴冲蚀开始阶段，材料水蚀破坏为塑性，但一定水蚀时间后，其破坏方式发生改变，存在一个塑脆转变过过程，导致其失效加快。由于不锈钢和司太立合金水蚀深度差别很大，导致图4中不能清晰显示出司太立合金的水蚀深度曲线，为此用图5反映高铬铸铁和司太立合金的平均水蚀深度与水蚀时间的关系，从图中可以看出司太立合金具有比高铬铸铁更好的水蚀性能。
从以上试验结果可看出，将脉冲水射流应用于模拟材料的水蚀破坏时，较传统的摇臂式、旋转式水蚀试验装置，本实用新型装置控制更加简便，安全性高，耗能少，试验过程中振动小。不仅可以用来模拟高速液滴撞击过程，同时由于破坏区域易于控制，大大减少了水蚀破坏评估的复杂性，与别的水蚀试验装置相比，脉冲水蚀试验装置具有较大的优势和广阔的应用前景。
Claims (3)
1.一种水蚀试验装置，其特征是由高压脉冲水射流装置及工件装夹台组成；高压脉冲水射流装置包括水箱、泵水装置，泵水装置与水箱连接，泵水装置的出水管接有回水管和射流管，射流管上装有压力表和喷嘴，回水管与水箱相连，回水管上设有泄压阀；喷嘴设在工件装夹台的上方；还包括控制板，控制板通过导线与高压脉冲水射流装置的泵水装置、压力表、泄压阀及工件装夹台的电机、升降装置连接。
2.根据权利要求1所述的水蚀试验装置，其特征是所述工件装夹台包括设有夹具的转盘，转盘的周边设有带排水孔的挡边，转盘装在电机上，电机装在升降装置上。
3.根据权利要求1或2所述的水蚀试验装置，其特征是所述泵水装置采用三柱塞泵。
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