基于水蚀试验系统的试样固定及布置结构的制作方法

技术领域：

本发明属于工业设备技术领域，具体涉及一种应用于汽轮机叶片材料抗冲蚀试验的基于水蚀试验系统的试样固定及布置结构。

背景技术：
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汽轮机能发出的最大功率主要受进汽量的影响，而蒸汽流量又取决于末级叶片的几何尺寸。大型汽轮机末级所占功率至少为汽轮机输出的10％，随着汽轮机单机功率的飞速增加，尤其是超超临界与核电大功率汽轮机的发展，汽轮机末级叶片的长度越来越长。上世纪70年代到80年代，通用公司和西屋公司有50多台机组末级长叶片发生裂纹和断裂事故。在这些叶片事故中，末级叶片遭受水刷和水蚀产生损伤的事故占到了很大的比例。在我国，大型汽轮机的末级叶片(包括次末级)都工作在湿蒸汽环境中，水蚀问题越来越严重。

从19世纪二十年代起，研究者们就开始了对材料遭受水蚀的实验研究，试图搭建准确和稳定的实验分析系统，建立标准化测试流程。大家一致认为，水蚀实验评估是汽轮机叶片设计和材料选择中一项必须的流程。使用真实汽轮机进行叶片抗水蚀测试是一项昂贵和缓慢的过程，因此选择其关键参数简化实验系统，建立实验室即可完成的实验分析系统是十分有必要的。为了模拟汽轮机叶片的真实运行状态，材料试样的旋转速度及冲蚀液滴的撞击速度都需要尽可能达到汽轮机实际运行中相应的数值，这就对材料试样的固定及布置方式带来了更高的要求，既要保证在高速旋转的过程中试样不因离心力作用飞出，又要保证在持续高速液滴冲击作用下保持稳定，因此设计并加工更加高效稳定的材料试样固定装置是水蚀试验系统的关键。

同时，汽轮机末级叶片大多采用变截面叶片或弯扭叶片设计技术，蒸汽液化所产生的小尺寸高速液滴会以不同角度撞击叶片表面，由此会对叶片不同位置产生不同的受力效果，从而对叶片整体的力学性能产生影响，因此采用方便拆装并且行之有效试样布置方式能够有效地缩短试验周期，同时获得侧向射流与材料损伤之间的相互作用，从而评估汽轮机叶片材料的整体抗水蚀性能。

技术实现要素：
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本发明的目的是为了保证水蚀试验过程中叶片材料试样始终保持稳定，同时在单次试验过程中能够实现对多角度冲击情况的模拟，提供了一种应用于汽轮机叶片材料抗冲蚀试验的基于水蚀试验系统的试样固定及布置结构，在保证试验系统安全稳定运行的同时能够有效地缩短试验周期，提高水蚀试验效率。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

基于水蚀试验系统的试样固定及布置结构，包括轮盘，该轮盘的外缘开设有安装槽，靠近安装槽的一个端面上开设有与射流喷头出口位置相对应的滑动槽，滑动槽用于安装材料试样及扇形挡块，且滑动槽内开设有定位螺纹孔；

轮盘的内圈加工有凸台，该凸台端面上周向均匀开设有若干轮盘螺纹孔，轮盘冲击面覆盖有环形的压板，压板直径大于轮盘试样滑动槽内侧壁，且压板内圈直径与轮盘中心凸台尺寸相匹配，压板端面上周向均匀开设有若干与轮盘螺纹孔相对应的压板螺纹孔；

与轮盘和压板相配套的是交错设置在滑动槽内的若干个扇形挡块与若干个材料试样，其中，扇形挡块的数量与材料试样的数量相同，一个扇形挡块为定位挡块，定位挡块上开设有定位螺纹孔相配合的螺纹孔。

本发明进一步的改进在于，材料试样包括试样基座以及设置在试样基座上的冲击靶体。

本发明进一步的改进在于，轮盘上开设有若干轮盘定位孔，用于将轮盘固定在转子上。

本发明进一步的改进在于，扇形挡块的数量与材料试样的数量均为24个。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明提供的基于水蚀试验系统的试样固定及布置结构，具体包括轮盘、压板及材料试样与扇形挡块相互压紧的整圈布置结构，单次实验能够同时对24个材料试样进行抗水蚀性能测试，安全性高同时方便拆卸。轮盘上开设材料试样的安装槽与滑动槽，滑动槽尺寸与射流喷头出口位置相对应，轮盘通过螺栓固定在转子上并随转子高速转动；压板通过螺栓覆盖在轮盘表面，其直径大于轮盘试样滑动槽内侧壁，用于压紧并固定材料试样及扇形挡块的轴向位置；安装时，相同数量的材料试样与扇形挡块依次通过安装槽滑入滑动槽内，材料试样与扇形挡块间隔排布并相互压紧整圈布置以固定试样的周向位置；最后滑入定位挡块，其上开设两个螺纹孔，通过螺栓固定于轮盘上，定位挡块最终位置偏离轮盘安装槽，其边缘抵住滑动槽侧壁以承受高速转动下的离心力。

概括来说，本发明具有如下的优点：

1、冲击试样设计安装于轮盘内侧并覆盖压板，能够有效控制材料试样在旋转过程中的轴向及径向位移，保证冲击位置不发生变化；采用螺钉对定位挡块进行固定从而固定保证整圈试样及挡块的周向位置不发生变化，固定方式简便易操作。

2、材料试样表面根据试验要求加工成带角度的冲击靶体，采用不同冲击角度试样设计，能够在喷头位置不变的条件下同时对多角度靶面进行液滴冲蚀，以实现单一角度变量影响下的材料抗冲蚀性能对比试验研究；

3、拆装简单，便于试验间隔的试样观察及称重，从而绘制准确的质量损失曲线；

4、安全稳定，能够避免试样在高速旋转过程中因离心力作用飞出的安全隐患及过大不平衡量所引起的剧烈振动。

附图说明：

图1是本发明一种基于水蚀试验系统的试样固定结构整体示意图；

图2是本发明轮盘主视图；

图3是本发明压板主视图；

图4是本发明整圈材料试样及扇形挡块分布示意图；

图5是本发明带冲击角度的材料试样示意图；

图6是本发明扇形挡块示意图。

图中：1-轮盘；2-压板；3-滑动槽；4-轮盘螺纹孔；5-定位螺纹孔；6-安装槽；7-轮盘定位孔；8-压板螺纹孔；9-扇形挡块；10-材料试样；11-定位挡块；12-试样基座；13-冲击靶体。

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6，本发明提供的基于水蚀试验系统的试样固定及布置结构，包括轮盘1，轮盘1外缘开设有安装槽6，靠近安装槽6的一个端面上开设有滑动槽3，滑动槽3用于安放材料试样10及扇形挡块9，其宽度与材料试样10及扇形挡块8尺寸相匹配，在安装槽6开口处开设定位螺纹孔5，轮盘1内圈加工有凸台，其周围均布设有12个轮盘螺纹孔4，轮盘1冲击面覆盖有环形的压板2，用于固定试验过程中材料试样10轴向位置，压板2内圈直径与轮盘1中心凸台尺寸相匹配，压板2表面均布12个压板螺纹孔8，其尺寸与轮盘螺纹孔4尺寸一致，与轮盘1和压板2相配套的是交错设置在滑动槽3内的24个扇形挡块9与24个材料试样10，其中最后一个扇形挡块9为定位挡块11，定位挡块11中心位置加工定位螺纹孔，用于固定个材料试样的周向位置，材料试样10具体包括试样基座12与带角度的冲击靶体13，冲击靶体13上的冲击面角度按试验要求设计加工。

为了对本发明进一步了解，现对其工作过程做一说明。

试验过程中，首先将轮盘1通过轮盘定位孔7固定在转子上，将压板2通过螺纹孔覆盖在轮盘1上但不上紧螺钉并留出相应间隙以安装材料试样10及扇形挡块9，之后将材料试样10及扇形挡块9依次从安装槽6滑入滑动槽3，材料试样10与扇形挡块9间隔排列，整圈共计24个材料试样10与24个扇形挡块9，具体分布方式参见图4，最后滑入定位挡块11，同时带动整圈材料试样10及扇形挡块9转动直至定位挡块11上螺纹孔与轮盘1上的两个定位螺纹孔5其中之一位置对齐，从轮盘1后侧旋入螺钉固定材料试样10及扇形挡块9的周向位置，螺钉末端与材料试样10及扇形挡块9平面齐平即可，之后上紧压板螺纹孔8内螺钉至完全压紧材料试样10及扇形挡块9以固定其轴向位置。需要注意的是，定位挡块11最后的固定位置需要偏离安装槽6一定角度，及定位挡块11外缘需要有部分贴紧滑动槽3外壁，以承受其高速转动过程中产生的巨大离心力，否则定位挡块11中的定位螺钉很容易被剪断而造成整圈试样错位，从而导致试验失败。

参见图5，材料试样10具体分为试样基座12与冲击靶体13，采用慢走丝整体切割加工，其中试样基座12用于压板2压紧以固定试样轴向位置，冲击靶体13用于高速射流冲击，其设计角度根据试验要求的撞击相对角度确定，具体通过撞击点的旋转线速度与高速射流速度的矢量差计算得到。需要注意的是，高速射流在冲击材料试样10的同时会同时对扇形挡块9造成侵蚀，因此需要根据具体试验情况对扇形挡块9进行定期更换。

试验结束或期间需要拆卸试样时，首先松开压板螺钉留出适当间隙，使得材料试样10与扇形挡块9既能滑动，又不会因间隙太大而掉落，之后从轮盘1后侧旋下定位挡块11螺钉，从安装槽6内依次滑出所有材料试样10及扇形挡块9。

待观察称重结束后，按照上述步骤继续进行试验，直至水蚀试验全部结束。