专利名称：水下高围压后混合磨料射流模拟实验装置系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种水下高围压后混合磨料射流模拟实验装置系统，，属于水射流
背景技术：
国际上，淹没磨料射流技术的研究已经有过一些成功的例子，80年代末，德国汉诺威大学利用淹没磨料射流对钢材进行了切割试验，以寻找淹没射流的有效参数。90年代初，德法两国研究者用远程控制技术将磨料切割头放置于水下15米处进行实验，用于验证切割的控制技术、磨损的状态及切割的效果。2000年11月，在俄罗斯“库尔斯克”号核潜艇打捞救援中，事先需要在核潜艇的不同船舱体外壁上钻或切割一个孔口，以探测核潜艇内有无核泄漏。由于工作环境在水下100多米，不允许采用任何热切割的方式，这成了技术上的难题。最后，英国Oil States MCS有限公司成功运用了淹没磨料射流的切割技术，现场成功地在舱体外切割出几个孔口，满足了这一高难度的现场操作要求，为该项技术的进一步完善和推广提供了典范。这一事件也证明了淹没磨料射流在水下应用的可能性与重要性，水下的特殊环境决定了水下工程技术的困难性和复杂性，也使得陆上的一些加工技术不适宜在水下应用。在国内，1997年，重庆大学设计了前混合磨料射流水下切割试验系统并进行了水下切割钢板的试验研究，探讨了射流压力、靶距、喷嘴横移速度与切割深度之间的关系。1998年，宁波高等专科学校研究了前混合淹没磨料射流的冲蚀特性，对影响淹没磨料射流性能的诸因素，如靶距、系统工程压力、磨料浓度和喷嘴横移速度进行了分析，为进一步研究淹没磨料射流提供了实验依据。2001年，石油大学利用PTV测速技术对淹没条件下磨料浆体射流中，对流体及磨料的速度与PAM浓度关系进行了系统的测量研究以及在淹没和非淹没的条件下旋转磨料射流冲蚀套管的试验研究。国内的这些研究，充分展现了磨料射流在水下的冲蚀性能，极大地丰富了磨料射流的发展，同时也为新型的加工工艺和增加环境效应提供了新的思路。随着人类开发海洋的日益兴起，水下切割技术在水下工程中有着广泛的应用前景，是21世纪的关键核心技术之一。然而水下压力的变化、水下高压影响以及水下工作环境的不同，使得传统的加工方法在水下工况应用时变得越来越困难以至于不能适应了，因此，研究水下切割机理、寻找新型的水下成型加工工具是许多研究人员目前所面临的重要课题。然而，目前，尚无可以实现任意水深的水下后混合磨料射流切割环境模拟的实验装置。
发明内容
本发明的目的是为了提高射流在水下的切割效果，实现任意水深的水下切割环境模拟，提供一套水下高围压后混合磨料射流实验装置系统，可以实现任意水深的水下切割环境模拟，并且能解决水下高围压条件下磨料的供给及回水两大难题。在此基础上可进行冲蚀实验，系统地探索磨料射流在水下的切割性能，为其在大水深、高围压背景下的应用提供依据。
本发明的理论依据是根据加拿大M.M.Vijay及Vicker等人创立的人工淹没射流状态，经过多年的研究与实验，逐步完善成为人工淹没条件射流技术理论，当淹没水深H与喷嘴直径D之比H/D大于100时，就可以认为此时的淹没状态为完全淹没状态，即此时的射流可以被认为是水下射流。本发明就是据此理论建立水下磨料射流模拟实验装置，通过这个装置在实验室条件下模拟几十米或更深的水下环境。根据流体力学的基本原理，由于水深的变化所产生的最直接的因素就是环境压力的变化。水平面下任意深度h处的压力可以表示为P＝P0+ρgh(1)这里ρ为液体的密度，P0为自由液面处的压力值。对于海平面处的压力值P0为一个标准大气压，这样就可以算出海平面下任意深度h处的压力值。在常压下，即P0为一个标准大气压时，如果模拟水下100米的深度，仅仅通过改变h的大小来达到要求，这在实验室条件下显然是不切实际的。所以我们考虑可以通过改变自由液面处的压力值来模拟水下环境。首先我们设想建立一个密闭容器，取喷嘴淹没水深为100D(D为喷嘴直径)，根据M.M.Vijay等人创立了人工淹没射流理论，此工况已经属于完全淹没状态，不会影响射流的冲蚀性能。然后用空压机将密闭容器的上半部分自由液面处的压力增至10个或20个大气压，由公式(1)可知此时h不变，P0改变，相当于喷嘴出口液面的水深增加了100m或200m，此时就可以较好地实现模拟高水深条件下的水下环境，为水下射流模拟实验装置的建立提供了理论依据。
根据上述理论，本发明的技术方案是整个系统主要由水下环境模拟系统和水下磨料射流切割系统组成，水下磨料射流切割系统包括高压水发生系统、水射流管路系统、磨料射流喷嘴系统、水下磨料供给系统、流量测试系统组成。
水下环境模拟系统置有密闭容器；置有用来对密闭容器内的空气进行压缩，模拟任意深度的水下环境的空气压缩机及精确检测密闭容器内部压力的精密压力表；系统置有通过水位检测用于对淹没水深控制的水位计；系统还置有用于对密闭容器密封、排气及维护系统安全的针形阀、安全阀、止回阀、视镜孔、消声器。
高压水发生系统主要由高压泵源组成，水射流管路系统是是连接高压水发生系统与水下环境模拟系统的管路部分，它还包括注水管路、泄水管路以及管路中的枪阀、闸阀，枪阀位于喷枪和高压泵源之间，用来控制高压水的开启和关闭，枪阀处装有高压精密压力表，用于测量高压泵源所提供的压力。
磨料射流喷嘴系统主要包括磨料喷头、喷嘴座、靶距调节系统，磨料喷头由水喷嘴和磨料喷嘴及喷头体组成，通过一段不锈钢管与高压管路连接，靶距调节系统位于压力容器内部靠近操作口处，由试样下面置于工作台上的一系列调整垫片组成。
水下磨料供给系统采用由高压水射流的引射来供给磨料的后混合干式输料的方式供料，通过阀门控制磨料供给量，在输送管路上设置一个气阀，用压缩空气来吹干输砂管；在磨料管的上方增加了一路压缩空气，与密闭容器内高围压相平衡。
流量测试系统由涡轮流量变送器、频率计和稳压电源组成，涡轮流量变送器直接连在高压管路中。
本发明的基本原理是自来水通过高压泵源增压，高压水经过高压管路送至磨料喷头，射流未进行时枪阀是关闭的，此时高压水从卸荷阀回流。射流进行时枪阀开启，高压水经枪阀流过高压软管到达磨料喷头，水流通过喷嘴后形成高速射流，从而对试件材料产生冲蚀作用。它可以实现任意水深的水下切割环境模拟，很好解决了水下高围压条件下磨料的供给及回水两大难题。在此基础上进行了冲蚀实验，系统地探索磨料射流在水下的切割性能，为其在大水深、高围压背景下的应用提供依据，这对于水下加工乃至未来的海洋开发工程都将意义深远。实践表明，该实验系统设计合理，功能完善，可以用来模拟任意水深下的磨料射流冲蚀性能的研究。
图1为一种水下高围压后混合磨料射流模拟实验装置系统框图；图2为一种水下高围压后混合磨料射流模拟实验装置系统结构示意图；图3为靶距调节装置示意图；图4为组合式磨料喷头结构示意图具体实施方式
由图1所示，主要由水下环境模拟系统和水下磨料射流切割系统组成，水下磨料射流切割系统包括高压水发生系统、水射流管路系统、水下环境模拟系统、磨料射流喷嘴系统、水下磨料供给系统、流量测试系统组成。
1、水下环境模拟系统，如图2所示，它由密闭容器15；置有用来对密闭容器内的空气的空气压缩机4、精密压力表8、18、水位计5、针形阀和消声器14、安全阀6、止回阀3、视镜孔20组成。密闭容器15是整个系统的主体，其设计压力为1.6Mpa，属中压容器。最大压力为2.5Mpa，外形尺寸为Φ1224mm×1800mm，制造材料为20号容器用钢。空气压缩机4是用来对密闭容器15内的空气进行压缩，使得该处自由液面的压力P0增大，从而来模拟任意深度的水下环境。该空压机的型号为PU-1型，额定压力为8kgf/cm2，即最大模拟水深可达80米。水位计5是用来对淹没水深进行控制，使得淹没条件满足H＞100D，符合完全淹没状态。视镜孔20是用来对实验过程进行观测，也可以使用高速摄影仪从视镜孔处对整个实验过程进行拍摄，以便更好地观察空化现象的产生和发展，以及对物料的冲蚀作用。精密压力表是用来控制密闭容器内的压力，精确地模拟任意深度的水下环境，同时观测在实验过程中密闭容器内部的压力变化，并分析其影响。针形阀和消声器14、安全阀6、止回阀3等组件是用来对密闭容器进行密封和排气的，维护系统的安全性和可靠性。热电偶19和温度测量系统26用来测量密闭容器15内温度。
2、压水发生系统与水射流管路系统，由图2所示，高压水发生系统主要由高压泵源1组成，高压水发生系统是整个实验装置的关键部分之一，它直接决定了射流能量的大小，这将影响水下磨料射流的切割性能。为了达到实验的要求，本系统的高压泵源由QL-615型高压清洗机改装而成，采用BZ-615型高速精密陶瓷柱塞泵，驱动电机是功率为4千瓦的Y112-4(T)型三相异步电动机，同时还配有FH-165型泄荷阀。BZ-615型高速精密陶瓷柱塞泵采用精密陶瓷作柱塞，因其硬度特别高，表面又极其光滑，在使用中几乎不磨损，所以柱塞寿命大大延长。FH-165型泄荷阀在喷嘴堵塞或枪阀关闭时可以实现自动卸荷，从而保证了整个系统的安全性。高压泵的相关工作参数为额定转速1450r/min，理论流量15.7L/min，额定工作压力为13Mpa，最高压力为15Mpa，配套功率为4KW。整个系统的特点是高压、高速、结构紧凑。
3、水射流管路系统是是连接高压水发生系统与水下环境模拟系统的管路部分，它还包括注水管路23、泄水管路21以及管路中的枪阀2、闸阀22等部分，其性能的好坏直接关系到整个实验能否顺利进行。枪阀属于一种用扳手来开关的单向控制阀，枪阀位于喷枪和高压泵源之间，用来控制高压水的开启和关闭，枪阀处装有高压精密压力表，用于测量高压泵源所提供的压力，其精度达到1kgf/cm2，量程为200kgf/cm2，足以满足实验的精度。除泄水管路和注水管路由铁管连接外，其余的管路系统由高压软管连接，并配有快速接头，大大方便了整个系统的组装和维护。
4、磨料射流喷嘴系统，由图2、图3所示，它主要包括磨料喷头25、靶距调节系统，磨料喷头由水喷嘴和磨料喷嘴及喷头体组成，通过一段不锈钢管与高压管路连接，图2中，17为磨料输送管。靶距调节系统位于压力容器内部靠近操作口16处，由试样24下面置于工作台30上的一系列调整垫片29组成，最上一块用于固定靶物即工件24。其余各块分成两组，一组的厚度分别为5mm和10mm，用于基本靶距的调节，另一组的厚度分别为1mm和2mm，用于靶距的微调。试验时先使磨料喷头25的喷嘴与靶物24接触，然后按照所要求的靶距抽去相应厚度的调整垫块即可达到靶距调整的目的。工作台30的总体高度为130mm可实现的靶距调节范围为0～100mm，这对于小直径喷嘴的淹没水射流试验而言，已经足够了。
磨料喷头25为组合式磨料喷头，由图4所示，它包括联接管31、水喷嘴32、喷头体33、混合腔34、磨料喷嘴收缩段35、磨料喷嘴直线段36、锁紧螺母37、快速磨料接头38，磨料喷头的磨料喷嘴为一种由各种不同收缩角α的收缩段35与各种不同长度的直线段36组合而成组合式磨料喷嘴。即是把磨料喷嘴的收缩段与直线段分开；加工出不同收缩角α的收缩段及各种不同长度的直线段，再利用数学上的组合概念形成不同的组合式磨料喷嘴；喷嘴内部用WC，因在水下作业，所以外套用不锈刚加工，这样既节省成本，又易于对中。该组合喷嘴的设计既节省了成本，减少了加工周期，又易于在试验中实现参数的优化。例如假设有同一直径的收缩角分别为α1，α2的2个收缩段，以及长度分别为L1、L2、L3的3个直线段的磨料喷嘴，按照组合的思路，我们可以得到组合喷嘴的总数为N＝C21(C31+C32+C33)＝2(3+3+1)＝14但是按传统的设计，就要加工14个磨料喷嘴。按照我们的设计思想，只需加工5个小件就可以得到14个磨料喷嘴。这就大大节省了成本及加工周期，由此可见，该设计的意义是十分重要的。
5、水下磨料供给系统，它采用由高压水射流的引射来供给磨料的后混合干式输料的方式供料，通过阀门控制磨料供给量，为改善磨料的流动性能，采用底部为锥形的磨料罐，并增加一托盘以利引流。在输送管路上设置一个气阀，用压缩空气来吹干输砂管；在磨料管的上方增加了一路压缩空气，与密闭容器内高围压相平衡。水下磨料供给装置如图9上部所示，它包括磨料罐9、压力表10、气阀11、磨料杯12和磨料阀13。
6、流量测试仪由涡轮流量变送器7、频率计27和稳压电源28组成，涡轮流量变送器7直接连在高压管路中。
权利要求
1.一种水下高围压后混合磨料射流模拟实验装置系统，其特征在于，整个系统主要由水下环境模拟系统和水下磨料射流切割系统组成，水下磨料射流切割系统包括高压水发生系统、水射流管路系统、磨料射流喷嘴系统、水下磨料供给系统、流量测试系统。
2.根据权利要求1所述的水下高围压后混合磨料射流模拟实验装置系统，其特征在于，所述的水下环境模拟系统置有密闭容器(15)；置有用来对密闭容器内的空气进行压缩，模拟任意深度的水下环境的空气压缩机(4)及精确检测密闭容器内部压力的精密压力表(8)、(18)；系统置有通过水位检测用于对淹没水深控制的水位计(5)；系统还置有用于对密闭容器密封、排气及维护系统安全的针形阀和消声器(14)、安全阀(6)、止回阀(3)、视镜孔(20)。
3.根据权利要求1所述的水下高围压后混合磨料射流模拟实验装置系统，其特征在于，所述的高压水发生系统主要由高压泵源(1)组成，水射流管路系统是是连接高压水发生系统与水下环境模拟系统的管路部分，它还包括注水管路(23)、泄水管路(21)以及管路中的枪阀(2)、闸阀(22)，枪阀位于喷枪和高压泵源之间，枪阀处装有高压精密压力表。
4.根据权利要求1所述的水下高围压后混合磨料射流模拟实验装置系统，其特征在于，所述的磨料射流喷嘴系统主要包括磨料喷头、喷嘴座、靶距调节系统。
5.根据权利要求1、4所述的水下高围压后混合磨料射流模拟实验装置系统，所述的磨料喷头包括联接管(31)、水喷嘴(32)、喷头体(33)、混合腔(34)、磨料喷嘴收缩段(35)、磨料喷嘴直线段(36)、锁紧螺母(37)、快速磨料接头(38)，其特征在于，磨料喷头的磨料喷嘴为一种由各种不同收缩角α的收缩段(35)与各种不同长度的直线段(36)分体组合而成。
6.根据权利要求1、4所述的水下高围压后混合磨料射流模拟实验装置系统，所述的靶距调节装置位于密闭容器(15)内部靠近操作口(16)处，由试样(24)下面置于工作台(30)上的一系列调整垫片(29)组成。
7.根据权利要求1所述的水下高围压后混合磨料射流模拟实验装置系统，其特征在于，所述的水下磨料供给系统采用由高压水射流的引射来供给磨料的后混合干式输料的方式供料，通过阀门控制磨料供给量，在输送管路上设置一个气阀，用压缩空气来吹干输砂管；在磨料罐的上方增加了一路与密闭容器内高围压相平衡的压缩空气。
8.根据权利要求1所述的水下高围压后混合磨料射流模拟实验装置系统，其特征在于，所述的流量测试系统由涡轮流量变送器(7)、频率计(27)和稳压电源(28)组成，涡轮流量变送器(7)直接连在高压管路中。
全文摘要
本发明涉及一种水下高围压后混合磨料射流模拟实验装置系统，它主要由水下环境模拟系统和水下磨料射流切割系统组成，水下磨料射流切割系统包括高压水发生系统、水射流管路系统、磨料射流喷嘴系统、水下磨料供给系统、流量测试系统组成。它可以实现任意水深的水下切割环境模拟，解决了水下高围压条件下磨料的供给及回水两大难题。实践表明，该实验系统设计合理，功能完善，可以用来模拟任意水深下的磨料射流冲蚀性能的研究。
文档编号G09B23/06GK1526511SQ0311570
公开日2004年9月8日 申请日期2003年3月7日 优先权日2003年3月7日
发明者胡寿根, 宁原林, 丁胜, 蒋旭平 申请人:上海理工大学