专利名称：材料抗水蚀性能测试方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及测试方法及装置，特别是材料抗水蚀性能测试方法及装置。
背景技术：
汽轮机低压级湿蒸汽里含有的微米级水珠会对叶片表面产生冲蚀磨损，生产中常叫做水蚀。叶片的水蚀会导致叶片表面出现蜂窝状凹坑，严重时会使叶片边缘呈现锯齿状，形成很多细小的裂纹。这些部位很容易产生应力集中，抗疲劳强度降低，水蚀发展到一定程度还会改变叶片的振动特性，尤其是末级叶片的根部承受着转子高速旋转所产生的巨大离心力，故叶片根部的水蚀更具有危害性。另一方面，锅炉过热器管受热冲击，会在管内侧发生氧化剥落，剥落的微颗粒不可避免的混入到湿蒸汽中，它对叶片表面产生的冲击危害也将直接关系到汽轮机的效率和可用性。叶片越长，叶片顶端线速度越大，水蚀或者硬质颗粒造成的危害就越大。随着大功率汽轮机以及大功率核电机的进一步发展，将开发出越来越长的末级叶片，导致叶片顶端的线速度越来越大，叶片与水滴冲击导致的水蚀问题将日趋严重。因此，研究水蚀问题，也就是水滴冲击问题，有着十分重要的意义。由于很难直接在汽轮机上开展材料的抗水蚀性能测试，因此现有技术都采用近似模拟汽轮机末级叶片工作环境和受破坏途径的方式来做研究。国内外已有很多关于汽轮机叶片受水蚀或硬质颗粒冲击的研究，但都没能给出具体的定量关系。为了预防水蚀及硬质颗粒冲击的危害，减少损失，有必要找到一套切实可行的方法，研究水滴或硬质颗粒高速冲击叶片表面的机理。

发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种材料抗水蚀性能测试方法及装置，以便于研究水滴或硬质颗粒高速冲击叶片表面的机理，并进一步为汽轮机叶片水蚀防护提供
定量数据。本发明提供的材料抗水蚀性能测试装置，包括水箱、水泵、高温高压锅炉、测试台水槽以及测试台；所述水泵通过低压水管与所述水箱相连接，所述高温高压锅炉内部设有高压水盘管，所述高压水盘管的入口端通过高压水管与所述水泵相连接，所述高压水盘管的出口端与高温高压喷水管相连接；所述测试台通过转轴可转动地安装于所述测试台水槽内，所述测试台在周缘上具有至少一对在径向上对称设置的平台，用于固定测试样品；高温高压喷水管朝向所述测试台，用于向所述平台上的所述测试样品喷射高温高压的水或蒸汽。进一步地，所述材料抗水蚀性能测试装置还包括工作台，所述测试台水槽固定于所述工作台，所述转轴通过轴承可转动地垂直安装于所述工作台及所述测试台水槽。进一步地，所述材料抗水蚀性能测试装置还包括驱动装置，所述驱动装置连接所述转轴，用于驱动所述测试台转动，其中所述测试台的转动方向与所述高温高压的水或蒸汽的喷射方向相反。在高压喷头喷出的水或蒸汽的速度可能低于实际汽轮机叶片水滴冲击速度的情况下，以及为了研究在更大的冲击速度下叶片材料的磨损、变形行为，驱动装置使测试台朝着与所述高温高压的水或蒸汽的喷射方向相反的方向高速旋转。
进一步地，供水装置还包括输水管、水位控制器及水位传感器；所述输水管安装于所述水箱的上方，用于向水箱输水，所述水位传感器与所述水位控制器电气连接，并安装于所述水箱内，所述水位控制器安装于所述输水管上，用于根据所述水位传感器的信号控制所述输水管的开关。进一步地，所述材料抗水蚀性能测试装置还包括喷砂装置，安装在所述高温高压喷水管上，所述喷砂装置包括喷砂盒以及阀门，所述喷砂盒中盛放硬质颗粒或泥沙，所述阀门安装在所述喷砂盒与高温高压喷水管之间，以选择性地将所述硬质颗粒或泥沙释放至所述高温高压喷水管中。本发明提供的材料抗水蚀性能测试方法，包括将至少一对测试样品固定于测试台的至少一对平台上，所述平台位于所述测试台的周缘且在径向上对称；通过水泵对来自水箱的水进行加压并通过高温高压锅炉对加压后的水进行加热以获得高温高压的水或蒸汽；以及向所述测试台上的所述测试样品喷射所述高温高压的水或蒸汽。进一步地，所述材料抗水蚀性能测试方法还包括在向所述测试台上的测试样品喷射所述高温高压的水或蒸汽的同时，驱动所述测试台以使所述测试台转动。进一步地，所述材料抗水蚀性能测试方法还包括使所述测试台的转动方向与所述高温高压的水或蒸汽的喷射方向相反。进一步地，所述材料抗水蚀性能测试方法还包括将硬质颗粒释放到所述高温高压的水或蒸汽中，同时向所述测试台上的测试样品喷射所述高温高压的水或蒸汽及所述硬质颗粒。进一步地，所述材料抗水蚀性能测试方法还包括通过调节所述高温高压锅炉的温度、所述水泵的压力、所述测试台的转速、所述硬质颗粒的尺寸及释放速度、喷射速度及角度来获得在不同蒸汽湿度、不同硬质颗粒含量、不同冲击速度、不同温度、不同冲击速度及角度下的冲蚀数据。本发明所述提供的材料抗水蚀性能测试方法和装置通过高温高压的水或湿蒸汽与叶片材料高速碰撞来模拟汽轮机末级带水蒸汽与叶片高速撞击所造成的叶片水蚀，而在较佳实施例中附带的喷砂装置还可以用以模拟叶片受锅炉内掉下的硬质氧化膜颗粒造成的颗粒磨损，因此本发明可以近似模拟汽轮机叶片运行过程中受湿蒸汽或硬质颗粒高速冲击的实际工况。另外，还可以通过调节锅炉温度、水泵压力、电动机转速、硬质颗粒尺寸及释放速度、喷头喷射速度及角度等方法可以测试在不同蒸汽湿度、不同硬质颗粒含量、不同冲击速度、不同温度、不同冲击角度等条件下，叶片表面磨损腐蚀数据，建立起叶片表面水蚀与水蚀条件的定量关系。


图I为本发明的较佳实施例中的一种汽轮机叶片材料抗水蚀性能测试装置的结构示意图。图2为图I中的高温高压锅炉的结构示意图。
图3为图I中的i部分的放大图。图4为图I中的测试台水槽的左视图。图5为图4中的测试台水槽的A-A剖面示意图。图6为图4中的测试台水槽的B-B剖面示意图。图7为图I中的测试台的前视图。图8为图I中的测试台的俯视图。图9为图8中的测试台的A-A剖面示意图。 具体较佳实施例参见图1，本发明的较佳实施例中的汽轮机叶片材料抗水蚀性能测试装置的主要部件为输水管I、水位控制器2、水箱3、水位传感器4、第一滤网5、低压水管6、水泵7、高压水管8、高温高压锅炉9、高温高压水管10、喷砂装置11、喷头12、测试台13、第一轴承14、第二轴承15、测试样品16、测试台水槽17、钢管支架18、皮带19、皮带轮20、变速电动机21、从动轮22、转轴23及工作台24。水箱3、水泵7及高温高压锅炉9主要用于提供测试所需的高温高压的水或蒸汽。高温高压水管10、测试台水槽17的高温高压软管17a (图5中所示)及喷头12组成了高温高压喷水管，用于喷射所述高温高压的水或蒸汽。喷砂装置11用于在所述高温高压的水或蒸汽中混入硬质颗粒，以达到不同的测试效果。测试台13及测试台水槽17为测试的主要场所，而皮带19、皮带轮20、变速电动机21、从动轮22组成了驱动装置，用以驱动测试台13转动，以满足不同的测试效果。以下将详细介绍各部件及各部件的连接关系。输水管I位于水箱3之上，用于将自来水放入水箱3。水位传感器4安装在水箱3的内壁上，以收集水箱3的水位信息，水位控制器2安装在输水管I上并与水位传感器4电气连接，从而根据水位传感器4所发出的信号来控制自来水管I的开与关。水泵7通过低压水管6与水箱3相连接，以吸收水箱3中的自来水，并对自来水进行加压。较佳地，在水箱3与低压水管6的连接处安装了第一滤网5，以过滤将要流入水泵7中的自来水。低压水管6可以为普通的水管。高温高压锅炉9通过耐高压的高压水管8与水泵7相连接，高压水管8将加压后的自来水送入高温高压锅炉9。高温高压锅炉9加热流经其中的自来水，以获得高温高压的水或蒸汽。高温高压锅炉9的出口上连接了高温高压水管10。高温高压水管10与测试台水槽17的高温高压软管17a (图5中所示)及喷头12依次连接。较佳地，高温高压水管10为便于调整冲蚀角度和距离可以选为耐高温高压的软管。在本实施例中，高温高压锅炉9为柴油加热锅炉，水泵7为三柱泵，水泵7的水压和高温高压锅炉9的水温都可以调节。水泵7的水压在3 ISMPa之间，水流量为可调的600-1200L/H。高温高压锅炉9的加热温度在80 155°C之间。由于高温高压锅炉9功率一定，所以加热温度与流量有关。当高温高压锅炉9的加热温度小于100°C时，喷头12喷出的为热水，流量较大；当加热温度大于100°C时，喷头12喷出的为湿蒸汽，湿蒸汽温度最高为155 °C，流量较小。请同时参考图I与图2，高温高压锅炉9具有烟囱9a、高压水盘管％、柴油喷嘴9c以及点火器9d。烟囱9a设置于柴油加热锅炉9的顶部。高压水盘管9b以螺旋状设置于高温高压锅炉9内部，高压水盘管9b的入口端连接高压水管8，而出口端连接高温高压水管10。柴油喷嘴9c设置于高温高压锅炉9的底部，而点火器9d设置于柴油加热锅炉9的顶部，靠近烟囱9a。柴油喷嘴9c喷出的柴油气雾经点火器9d点燃后在锅炉内燃烧,在锅炉9内的高压水盘管9b受热后温度升高，从而加热流过高压水盘管9b的自来水，加热的温度由高压水盘管9b的长度及柴油的进油量决定。柴油燃烧的废气由烟囱9a排出。高温高压水管10上还加装有喷砂装置11。请同时参考图I及图3。喷砂装置11包括硬质颗粒11a、喷砂盒Ilb及阀门11c。硬质颗粒Ila可以根据需要自制或购买，装硬 质颗粒的喷砂盒Ilb为敞口盒，阀门Ilc安装在喷砂盒Ilb和高温高压水管10之间，硬质颗粒流量由阀门Ilc根据需要调节。喷砂装置11利用虹吸原理，模拟汽轮机运行过程中混入水滴的金属颗粒撞击叶片表面的工况。测试台水槽17被设计为密闭的方体箱型，从而防止在测试中水到处飞溅。请同时参考图I及图4至图6。高温高压软管17a固定在测试台水槽17上，入口端接高温高压水管10，出口端接喷头12。测试台水槽17还具有第一通孔17b。如图I所示，测试台水槽17通过焊接在其底部的四根对称放置的钢管支架18固定在工作台24上。测试台13设置在测试台水槽17内并固定于转轴23，通过转轴23可转动地与测试台水槽17相连接。如图I及图5所示，转轴23穿过测试台水槽17的第一通孔17b并穿过工作台24上的通孔，从而垂直地设置于测试台17及工作台上。较佳地，测试台水槽的第一通孔17b中设置了第一轴承14，在工作台14上的通孔中设置了第二轴承15，以固定转轴23的两端。工作台24可以用水泥制作，以降低整个装置的成本。如图I所示，测试样品16固定在测试台13上，测试台13固定在转轴23上。请同时参考图I及图7至图9。在本实施例中，测试台13呈转盘状，测试台13的周缘上设置有在径向上两两对称的四个平台13a，平台13a所在的平面垂直于测试台13的径向方向，每个平台13a上布置有六个螺孔13c，以稳固地固定测试样品16，测试台13上可以对称地安装一对或两对测试样品16。测试台13的中间还具有六个固定孔13b，用于将测试台13固定于转轴23上。如图I所示，转轴23上装了从动轮22，变速电动机21上的皮带轮20通过皮带19带动从动轮22转动，从而驱动测试台13转动。测试台13转动的方向可以与喷头12喷射的方向相反，从而使得喷在样品16表面的水或湿蒸汽的速度等于喷头12喷射的速度加上测试样品16在测试台13上的线速度。在本实施例中，喷头12可根据需要，选用热水喷头或蒸汽喷头。当喷头12选用蒸汽喷头时，水泵7的流量必须调到最小，高温水气化后流速急剧减小，为了得到大的水滴冲击速度，可以使测试台反转来增大冲击速度。当喷头12选用水喷头时，喷头喷口直径为1mm，最大流量为 1200L/H，则最大冲击速度为(1200X 1000/3600)/(3. 14X0. 5X0. 5)=849m/s。测试台转速可根据需要考虑水流或蒸汽压力选择适当转速及功率的电动机。以上介绍了本发明的较佳实施例中的汽轮机叶片抗水蚀性能的测试装置。对应地，本发明还提供了一种使用上述测试装置的汽轮机叶片抗水蚀性能的测试方法。首先，在水位控制器2上设定一个控制水位，通过输水管I向水箱3输水，将水箱3的水加到控制水位。水泵7抽取水箱3中的水，并进行加压，继而将加压后的水送入高温高压高炉9进行加热，从而产生高温高压的水或蒸汽。当需要进行水喷射到测试样品的测试时，高温高压高炉9的加热温度小于100°C，喷头12选用热水喷头。当需要进行蒸汽喷射到测试样品的测试时，高温高压高炉9的加热温度大于100°C，喷头12选用蒸汽喷头。利用喷头12向测试台13上的测试样品喷射所述高温高压的水或蒸汽。如果需要进行汽轮机叶片受硬质颗粒冲击的研究，可以在向所述测试台上的测试样品喷射所述高温高压的水或蒸汽的同时，打开喷砂装置的阀门11的阀门11c，以将硬质颗粒释放到所述高温高压的水或蒸汽中，一同向所述测试台上的测试样品喷射。为了研究在更大的冲击速度下叶片材料的磨损和变形行为，可以启动变速发动机21，以使得测试台13以一定的速度向喷头12的喷射方向的相反方向转动，喷射速度与样品的转动线速度相加即为液滴与样品相撞的速度。为了测量高温高压水滴冲击样品的速度，去掉皮带19，使测试台13处于自由旋转状态，让高压水或蒸汽冲击固定在测试台13上的样品，测试台13会转动，通过手持测速仪测试测试台13的转动速度就能测得喷头12的喷水速度。通过调节所述高温高压锅炉的温度、所述水泵的压力、所述测试台的转速、所述硬质颗粒的尺寸及释放速度、喷射速度及角度可以获得在不同蒸汽湿度、不同硬质颗粒含量、不同冲击速度、不同温度、不同冲击速度及角度下的冲蚀数据。本发明中的材料抗水蚀性能测试装置还能够用于测试水轮机叶片材料的抗磨蚀性能。水轮机叶片的磨蚀是指在气蚀与泥沙磨损的联合作用下对水轮机部件的破坏作用。水轮机叶片往往会受到泥沙的磨蚀而导致表面的金属流失，使设备在运行中产生振动和噪音，造成设备运行效率低下、大修频繁、使用寿命缩短，严重影响机组的稳定和安全。在使用本装置进行抗磨蚀性能测试时，无需启用高温高压锅炉9，高压水仅流过高温高压锅炉9中的高压水盘管9b。喷砂盒Ilb中的硬质颗粒Ila被替换为泥沙，从而使得喷头12同时向测试样品喷射出常温高压的水和泥沙，以模拟水轮机叶片运行过程中受磨蚀的实际工况，从而为水轮机优化设计及修复提供定量数据。请同时参考图I及图5，在该应用中，测试台水槽17可以设计为具有第二通孔17c，第二通孔17c与废水回收水管25相连接，废水回收水管25与水箱3相连通，测试台水槽17的槽底略高于水箱3顶部，以使得测试中产生的废水流回水箱3。在测试台水槽17与废水回收水管25的连接处还安装了第二滤网26，以过滤流回的废水。在测试过程中，用水量通常比较大，该结构设计能够有效地避免浪费。以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
权利要求
1.一种材料抗水蚀性能测试装置，其特征在于，包括水箱、水泵、高温高压锅炉、测试台水槽以及测试台；所述水泵通过低压水管与所述水箱相连接，所述高温高压锅炉内部设有高压水盘管，所述高压水盘管的入口端通过高压水管与所述水泵相连接，所述高压水盘管的出口端与高温高压喷水管相连接；所述测试台通过转轴可转动地安装于所述测试台水槽内，所述测试台在周缘上具有至少一对在径向上对称设置的平台，用于固定测试样品；所述高温高压喷水管朝向所述测试台，用于向所述平台上的所述测试样品喷射高温高压的水或蒸汽。
2.根据权利要求I所述的材料抗水蚀性能测试装置，其特征在于，还包括工作台，所述测试台水槽固定于所述工作台，所述转轴通过轴承可转动地垂直安装于所述工作台及所述测试台水槽。
3.根据权利要求2所述的材料抗水蚀性能测试装置，其特征在于，还包括驱动装置，所述驱动装置连接所述转轴，用于驱动所述测试台转动，其中所述测试台的转动方向与所述高温高压的水或蒸汽的喷射方向相反。
4.根据权利要求I所述的材料抗水蚀性能测试装置，其特征在于，还包括输水管、水位控制器及水位传感器；所述输水管安装于所述水箱的上方，用于向水箱输水，所述水位传感器与所述水位控制器电气连接，并安装于所述水箱内，所述水位控制器安装于所述输水管上，用于根据所述水位传感器的信号控制所述输水管的开关。
5.根据权利要求I所述的材料抗水蚀性能测试装置，其特征在于，还包括喷砂装置，安装在所述高温高压喷水管上，所述喷砂装置包括喷砂盒以及阀门，所述喷砂盒中盛放硬质颗粒或泥沙，所述阀门安装在所述喷砂盒与高温高压喷水管之间，以选择性地将所述硬质颗粒或泥沙释放至所述高温高压喷水管中。
6.一种材料抗水蚀性能测试方法，其特征在于，包括将至少一对测试样品固定于测试台的至少一对平台上，所述平台位于所述测试台的周缘且在径向上对称；通过水泵对来自水箱的水进行加压并通过高温高压锅炉对加压后的水进行加热以获得高温高压的水或蒸汽；以及向所述测试台上的所述测试样品喷射所述高温高压的水或蒸汽。
7.根据权利要求6所述的材料抗水蚀性能测试方法，其特征在于，还包括在向所述测试台上的测试样品喷射所述高温高压的水或蒸汽的同时，驱动所述测试台以使所述测试台转动。
8.根据权利要求7所述的材料抗水蚀性能测试方法，其特征在于，还包括使所述测试台的转动方向与所述高温高压的水或蒸汽的喷射方向相反。
9.根据权利要求8所述的材料抗水蚀性能测试方法，其特征在于，还包括将硬质颗粒释放到所述高温高压的水或蒸汽中，同时向所述测试台上的所述测试样品喷射所述高温高压的水或蒸汽及所述硬质颗粒。
10.根据权利要求9所述的材料抗水蚀性能测试方法，其特征在于，还包括通过调节所述高温高压锅炉的温度、所述水泵的压力、所述测试台的转速、所述硬质颗粒的尺寸及释放速度、喷射速度及角度来获得在不同蒸汽湿度、不同硬质颗粒含量、不同冲击速度、不同温度、不同冲击速度及角度下的冲蚀数据。
全文摘要
本发明提供了一种材料抗水蚀性能测试方法及装置，所述装置包括水箱、水泵、高温高压锅炉、测试台水槽以及测试台；水泵通过低压水管与水箱相连接，高温高压锅炉内部设有高压水盘管，其入口端通过高压水管与水泵相连接，出口端与高温高压喷水管相连接；测试台通过转轴可转动地安装于测试台水槽内，测试台在周缘上具有至少一对在径向上对称设置的平台，用于固定测试样品；高温高压喷水管朝向测试台，用于向平台上的测试样品喷射高温高压的水或蒸汽。本发明可以近似模拟汽轮机叶片运行过程中高温高压的水或蒸汽高速冲击的实际工况，用于研究水滴或硬质颗粒高速冲击叶片表面的机理。
文档编号G01N17/00GK102621057SQ20121008939
公开日2012年8月1日 申请日期2012年3月30日 优先权日2012年3月30日
发明者刘霞, 姚成武, 李铸国, 杨世银, 黄坚 申请人:上海交通大学, 上海电气电站设备有限公司上海汽轮机厂