一种利用高速射流产生高速液滴的试验件结构的制作方法

技术领域：

本发明属于工业设备技术领域，具体涉及一种利用高速射流产生高速液滴的试验件结构。

背景技术：
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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。根据国家能源局发布的消息，2015年全社会用电量55500亿千瓦时，同比增长0.5％。汽轮发电机组是我国发电主力，因此汽轮机热经济性必须尽可能提高，进一步节省能源，减少发电成本。随着汽轮机单机功率的增加，尤其是超超临界与核电大功率汽轮机的发展，增加末级叶片的长度是提高汽轮机效率的必然手段。

近年来，一些更长的汽轮机末级叶片被研发出来：日立研发的火电汽轮机末级长叶片已经超过1500mm；法国阿尔斯通在其现有的1752mm叶片基础上研发了用于核电汽轮机的1905mm超长末级叶片；三菱重工开发了1880mm核电汽轮机末级长叶片；东方汽轮机有限公司为国核示范电站开发了cap1400汽轮机使用的1828mm末级长叶片；上海汽轮机厂针对“2代+”以及第三代核电汽轮机开发了全新的1905mm半转速超长末级叶片，可满足cap1400/cap1700等不同背压要求和机组等级的核电汽轮机应用需求。这些末级长叶片的采用，对叶片防水蚀性能提出了更高的要求。

叶片材料防水蚀试验研究是叶片设计与研发过程中必不可少的重要环节，之前的试验研究均表明水蚀是液滴高速撞击循环过程，随着近年来汽轮机叶片防水蚀材料性能的提升，需要更高的液滴撞击速度来满足水蚀测试要求，这就要求试验系统一方面要产生持续的高速液滴，另一方面要在安全的前提下尽可能模拟汽轮机叶片实际的旋转撞击工作状况。现有的一些水蚀试验装置采用雾化装置以产生离散液滴，但无法保证雾化后的液滴具备足够的撞击速度，还有一些试验系统采用高压发生装置以产生高速射流撞击效果，但与叶片实际工作状况差距较大。

技术实现要素：
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本发明的目的在于提供一种利用高速射流产生高速液滴的试验件结构，在保持试验系统主体不变动的条件下，通过方形试验件的结构调整将高速射流撞击转化为高速液滴撞击，能够在单次试验过程中同时研究高速液滴撞击与高速射流撞击对材料抗水蚀性能影响作用，更好地模拟汽轮机叶片真实的运行工况，在保证试验系统安全稳定运行的同时，进行更贴近实际情况的汽轮机叶片材料防水蚀性能试验，为叶片的设计研发提供必要的理论基础。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种利用高速射流产生高速液滴的试验件结构，包括射流喷嘴、圆形的轮盘以及均匀设置在轮盘周向上的若干个阶梯型挡块；其中，

相邻两个阶梯型挡块之间形成劈缝，以及与劈缝相连通的方形槽，试验时，方形试验件设置在方形槽内，射流喷嘴正对劈缝，用于对方形试验件喷射高速液滴，在方形试验件表面产生离散高速液滴。

本发明进一步的改进在于，每个阶梯型挡块均包括一体化成型的扇形基础以及设置在扇形基础外侧的凸台。

本发明进一步的改进在于，阶梯型挡块的数量为24个。

本发明进一步的改进在于，劈缝的宽度大于射流喷嘴的直径。

本发明具有如下的有益效果：

相邻阶梯型挡块在中间的方形试验件上方构成了一条冲蚀劈缝，其宽度略大于射流喷嘴直径，倾斜角度根据轮盘转速及射流速度矢量计算得到。试验过程中，轮盘带动方形试验件持续高速转动，射流喷嘴射出的高速射流以一定角度撞击方形试验件及阶梯型挡块，当劈缝旋转至冲蚀点相应位置的瞬间，仅有少量高速射流会延劈缝撞击方形试验件表面，随着轮盘转速提高，穿过劈缝的水量越来越少，这时可近似认为是高速液滴穿过劈缝对试验件表面进行打击，之后射流随即又对阶梯型挡块表面进行冲蚀，由此实现高速液滴对方形试验件表面撞击的试验模拟。

进一步，采用阶梯型挡块结构设计，在扇形基础上半部分加工两侧突出的凸台，整体结构采用一体化设计加工，其尺寸与水蚀试验系统轮盘安装槽相配合。单次试验整圈共有二十四个阶梯型挡块，最后一个挡块后侧面加工有螺纹孔，通过螺钉与轮盘相连以固定整圈试验件周向位置。

需要说明的是，阶梯型挡块的凸台需要具有一定的厚度，因为随着试验的进行，高速射流会持续对凸台表面进行打击，从而在材料表面产生冲蚀痕迹，若凸台厚度不足，由于冲痕的产生极易破坏相邻挡块间的劈缝结构，使劈缝宽度增加甚至穿透凸台，无法满足产生高速液滴撞击的效果，因此挡块凸台需要具备足够的厚度。

进一步，采用方形试验件结构设计，其厚度与挡块扇形基础厚度相同，试验表面可加工涂层用以测试涂层材料抗水蚀特性。安装时，试验件与挡块依次滑入轮盘安装槽，整圈24个试验件与24个挡块相互夹紧，之后加盖轮盘以固定试验件轴向与周向位移。便可以即对凸台表面材料进行持续高速射流冲击，又可同时对方形试验件表面实现高速液滴冲蚀，大大提高了试验效率。

综上所示，本发明在综合考虑实际各项因素及已有的试验条件的基础上，能够在保持试验系统主体不变动的条件下，通过试验件的结构调整将高速射流撞击转化为高速液滴撞击，更加贴近实际地模拟了汽轮机叶片真实的工作状况，可用于评判和改进叶片材料防水蚀技术，提高叶片防水蚀能力，为汽轮机湿蒸汽级的安全运行提供有力的技术支撑。

附图说明：

图1是本发明一种利用高速射流产生高速液滴的试验件结构构的局部示意图；

图2是本发明是整圈方形试验件及阶梯型挡块分布示意图；

图3是本发明阶梯型挡块结构示意图；

图4是本发明方形试验件结构示意图；

图5是本发明射流喷嘴相对位置示意图。

图中：1-阶梯型挡块；2-方形试验件；3-劈缝；4-扇形基础；5-凸台；6-射流喷嘴；7-轮盘。

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5，本发明提供的一种利用高速射流产生高速液滴的试验件结构，包括射流喷嘴6、圆形的轮盘7以及均匀设置在轮盘7周向上的若干个阶梯型挡块1；其中，采用阶梯型挡块1设计，利用相邻阶梯型挡块1之间形成的劈缝3将高速射流转化为高速液滴，从而在方形试验件2表面产生离散高速液滴撞击工况模拟。试验时，阶梯型挡块1与方形试验件2相邻排布，整圈共有24个阶梯型挡块1与24个方形试验件2，相互压紧避免周向滑移，之后加盖轮盘7压紧阶梯型挡块1与方形试验件2下半部分，以固定其周向位移。整圈阶梯型挡块1与方形试验件2随轮盘高速转动，高速射流自射流喷嘴6中射出，撞击在阶梯型挡块1及方形试验件2上半部分。阶梯型挡块1由扇形基础4与两侧凸出的凸台5组成，采用一体化加工成型，凸台侧面带有一定倾斜角，其角度根据射流撞击点旋转线速度与射流速度矢量计算得到，扇形基础4厚度与方形试验件2厚度一致，相邻阶梯型挡块1会在中间方形试验件表面形成一条劈缝3，其宽度略大于射流喷嘴6直径。

为了对本发明进一步了解，现对其动作过程做一说明。

试验过程中，将24个阶梯型挡块1与24个方形试验件2依次滑入轮盘安装槽内，整圈压紧后盖上轮盘7压住阶梯型挡块1与方形试验件2下半部分，用螺钉上紧轮盘7以固定其周向和轴向位置，之后启动电机，阶梯型挡块1与方形试验件2会随轮盘一起高速转动。开启高速射流发生器，高速射流会从射流喷嘴6中射出，撞击阶梯型挡块1与方形试验件2上半部分，相邻阶梯型挡块1组成的劈缝宽3度略大于射流喷嘴6直径，当劈缝3旋转至射流撞击点对应位置时，高速射流能够延劈缝3撞击到方形试验件2表面。这一瞬间，因为劈缝3宽度小且轮盘转速高，劈缝3在撞击点持续时间非常短，仅有极少射流穿过劈缝3到达方形试验件2表面，可以近似认为是高速液滴对试验件2表面产生了撞击，由此将高速射流冲蚀转化为了高速液滴冲蚀，之后当劈缝3离开撞击点后，高速射流继续对阶梯型挡块上半部分凸台表面进行撞击，待下一条劈缝3旋转至冲击点位置时，少部分射流又会穿过劈缝3对方形试验件2表面进行撞击，从而对整圈24个试样表面均会产生相同的高速液滴撞击作用，进而对汽轮机末级叶片的水蚀状况进行试验模拟。

阶梯型挡块1上凸台5结构需要具备一定厚度，以防止高速射流破坏劈缝3结构扩大劈缝3宽度，甚至穿透凸台5对试验件表面对方形试验件2表面进行直接撞击；凸台5侧面需要具有一定的倾斜角度，其具体角度由撞击点旋转线速度与射流速度矢量计算得到，以保证射流在瞬间能够穿过劈缝3对方形试验件2表面进行撞击；方形试验件2可以采用不同防水蚀材料加工，从而对不同种材料进行高速液滴撞击对比试验以获取相应抗水蚀性能数据及抗水蚀能力排序；凸台5可以同时采用待测抗水蚀材料加工或在其表面加工抗水蚀涂层，在试验过程中同时研究材料抗高速射流冲蚀性能状况，提高实验效率；实验结束后，阶梯型挡块1与方形试验件2可以分别进行称重与表面形貌观察，获取相应材料抗水蚀性能参数，相比于在试验件2表面加装遮挡结构的设计，本发明很好的利用挡块1的作用，在不影响水蚀表面结构的前提下，实现了将高速射流转化为高速液滴的目的，同时避免了遮挡结构在旋转过程中飞出的安全隐患并且简化了拆装步骤，提高了实验效率。