水轮机磨蚀试验设备及方法
阅读说明：本技术 水轮机磨蚀试验设备及方法 (Water turbine abrasion test equipment and method ) 是由 李浩平 关远 于 2021-07-15 设计创作，主要内容包括：本发明公开了水轮机磨蚀试验设备及方法,它包括用于对整个试验设备进行支撑的箱体支撑结构；所述箱体支撑结构的内部设置有用于提供高速含沙射流水的喷射装置；所述喷射装置同时与用于供应高压气体的气体供应装置相连,并用于模拟水轮机叶片的气蚀过程；所述喷射装置和气体供应装置都同时与用于驱动其工作的动力装置相连；所述动力装置的输出端同时与用于驱动叶片旋转的试件旋转装置相连；所述试件旋转装置上安装有用于固定叶片的叶片装夹装置。此设备冲刷速度高,试验速度范围大,可无极调速,冲刷角度任意可调等效果,试验效率高,具有较高的应用价值。(The invention discloses a hydraulic turbine abrasion test device and a method, comprising a box body supporting structure for supporting the whole test device; the inside of the box body supporting structure is provided with a spraying device for providing high-speed sand-containing jet water; the injection device is simultaneously connected with a gas supply device for supplying high-pressure gas and is used for simulating the cavitation process of the blades of the water turbine; the spraying device and the gas supply device are simultaneously connected with a power device for driving the spraying device and the gas supply device to work; the output end of the power device is simultaneously connected with a test piece rotating device for driving the blades to rotate; and the test piece rotating device is provided with a blade clamping device for fixing the blade. The device has the advantages of high scouring speed, large testing speed range, stepless speed regulation, arbitrary adjustable scouring angle and the like, and has high testing efficiency and higher application value.)
技术领域
本发明属于水轮机叶片磨蚀设备领域，具体涉及水轮机磨蚀试验设备及方法。
背景技术
在水轮机的运行期间会发生不可避免的磨蚀现象，而从磨蚀原理不同可大致分为两种即泥沙磨损和气蚀磨损。
我国的水流流域贯通东西、遍布南北较为突出的特点之一是含沙量比较大，而含沙水对水轮机叶片的冲刷和磨蚀特别厉害，当损害达到一定程度后就会对叶片构成威胁。这对我国当今水利建设大规模、高速度的开发趋势极其不利。因而掌握含沙水流对水轮机叶片的冲蚀原理和研究方法，无论对于已建水电站，还是今后即将兴建新的水电站，都起到了指导水轮机改良方向，优化水轮机叶片防护的作用。
在现今进行磨蚀特性的试验中的设备主要有三种：磁致伸缩仪、转盘气蚀仪和水洞。磁致伸缩仪设备通过电磁高频振动模拟高速水冲刷而现如今这种实验设备较为少见。转盘气蚀仪设备中的水射流不能掺气，从而忽略了空蚀的重要性并且在装置旋转过程中射流角度会发生变化从而影响试验严谨性。水洞与水站常见的泄水建筑的水流环境最为接近，但水洞设备由于顾及到高速水流对喷嘴的损坏，必然造成了射流速度不能过大的局限性。通过以上几种常见方式可知，研究出一种更加完善的试验方式迫在眉睫。
发明内容
本发明的目的是提供水轮机磨蚀试验设备及方法，此试验设备针对旋转喷射式试验原理，对旋转喷射式水轮机叶片磨蚀试验装置的功能和结构进行了规划设计，根据试验要求的试件冲刷速度和角度等参数，分析设计了试验装置的总体结构及三大组成部分：试件旋转装置、液气压力喷射装置、箱体支撑结构的功能及结构，并对各部分零部件进行了设计计算和选型，完成了旋转喷射式水轮机叶片磨蚀试验装置的设计；本试验装置可实现：冲刷速度高，试验速度范围大，可无极调速，冲刷角度任意可调等效果，试验效率高，具有较高的应用价值。
为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：水轮机磨蚀试验设备，它包括用于对整个试验设备进行支撑的箱体支撑结构；
所述箱体支撑结构的内部设置有用于提供高速含沙射流水的喷射装置；
所述喷射装置同时与用于供应高压气体的气体供应装置相连，并用于模拟水轮机叶片的气蚀过程；
所述喷射装置和气体供应装置都同时与用于驱动其工作的动力装置相连；
所述动力装置的输出端同时与用于驱动叶片旋转的试件旋转装置相连；
所述试件旋转装置上安装有用于固定叶片的叶片装夹装置。
所述箱体支撑结构包括主箱体，所述主箱体的内部一侧设置有用于盛水的水箱，所述水箱的内部设置有第一支撑板，所述第一支撑板的顶部设置有斜过流板，所述水箱的下部侧面设置有冷却箱体，所述冷却箱体的顶部设置有第二支撑板，所述第二支撑板的顶部设置有空气压缩机箱；所述水箱的顶部通过隔板形成变速器箱体；所述喷射装置设置在水箱内部；所述气体供应装置设置在空气压缩机箱的内部；所述试件旋转装置设置在变速器箱体内部。
所述动力装置包括电机，所述电机固定安装在箱体支撑结构的外顶部；所述电机的电机主轴通过第一联轴器与第一立轴的顶端固定相连，所述第一立轴上安装有主动锥齿轮。
所述喷射装置包括水泵，所述水泵通过泵体底座固定安装在箱体支撑结构的水箱内部；所述水泵的出水口连接有主出水管，所述主出水管上安装有水流控制阀，所述主出水管的末端通过斜水管与总喷射管相连，所述总喷射管上安装有流量计；所述总喷射管的末端安装有射流喷头；所述总喷射管同时与气体供应装置的输出端相连；所述水泵与动力装置的第一立轴相连，并驱动其泵水。
所述气体供应装置包括空气压缩机，所述空气压缩机的空压机主轴通过第一从动齿轮与动力装置的主动锥齿轮啮合传动，所述空气压缩机的出气口与储气罐相连，所述储气罐的出口通过节流阀与喷射装置的总喷射管相连；所述储气罐通过气罐底座固定安装在箱体支撑结构的第二支撑板顶部。
所述试件旋转装置包括减速器，所述减速器的减速器主轴通过第二从动锥齿轮与与动力装置的主动锥齿轮啮合传动，所述减速器的减速器输出轴通过第二联轴器与第二立轴啮合传动，所述第二立轴通过第一主轴座和第二主轴座支撑在箱体支撑结构的内部；所述叶片装夹装置固定安装在第二立轴上。
所述叶片装夹装置包括连接套筒，所述连接套筒的外部设置有多个外伸轴，所述外伸轴上转动配合安装有叶片安装座，所述叶片安装座上设置有叶片安装槽；所述叶片安装座上安装有用于调节其角度的角度调节机构。
所述角度调节机构包括安装在叶片安装座尾部的第一调节锥齿轮，所述第一调节锥齿轮同时与用于驱动其转动的第二调节锥齿轮和第三调节锥齿轮啮合传动，所述第二调节锥齿轮和第三调节锥齿轮套装在连接套筒的外部。
所述第一主轴座固定安装在箱体支撑结构的顶部隔板上；所述第二主轴座固定安装在箱体支撑结构的第一支撑板上。
水轮机磨蚀试验设备对水轮机叶片进行试验的方法，包括以下步骤：
步骤一：将待试验的叶片固定安装在叶片装夹装置上；
步骤二：根据叶片的安装角度要求，操作角度调节机构，进而改变叶片的安装角度；
步骤三：待叶片安装完成之后，启动动力装置；
步骤四：通过动力装置同步驱动喷射装置，通过喷射装置提供模拟高速射流的含沙射流水，并将其高速的冲向叶片；
步骤五：通过动力装置同步驱动气体供应装置，通过气体供应装置提供高压气体，高压气体进入到含沙射流水，一起冲蚀叶片；
步骤六：通过动力装置同步驱动试件旋转装置，通过试件旋转装置驱动叶片装夹装置，再由叶片装夹装置带动叶片转动，进而模拟叶片正常工作过程中的磨蚀。
本发明有如下有益效果：
1、本发明的冲刷模拟速度大大超过了一般实验所达不到的大的冲刷速度，能更好的模拟自然水流冲刷叶面的情况，本课题具体研究成果总结如下几点：
2、本装置调速范并且可以实现速度范围调节。该装置喷射系统射流含沙水速度在15～60m/s内调节，试件的旋转速度在10～40m/s，两者可以实现试件最大受冲刷速度可以达到100m/s，速度调节范围非常广，理论速度调节范围在：25～100m/s，实际常用调节范围在：45～100m/s。
3、本试验设备不仅可以模拟水流磨蚀叶片的过程，还能伴随模拟叶片被水流中空气气蚀的过程，提高了冲蚀模拟的真实性。
4、本试验设备可以同时对四组试样进行冲刷，大大提高了试验效率
5、本实验设备占地不大，为设备的安装、搬运、放置和操作提供不小便利。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是本发明主剖视图。
图2是本发明左剖视图。
图3是本发明箱体支撑结构主视图。
图4是本发明箱体支撑结构左视图。
图5是本发明水箱结构主视图。
图6是本发明水箱结构左视图。
图7是本发明冷却箱体主视图。
图8是本发明空气压缩机箱主视图。
图中：箱体支撑结构1、喷射装置2、动力装置3、试件旋转装置4、叶片装夹装置5、气体供应装置6；
水箱101、第一支撑板102、斜过流板103、冷却箱体104、第二支撑板105、空气压缩机箱106、主箱体107、变速器箱体108；
水泵201、泵体底座202、主出水管203、水流控制阀204、斜水管205、流量计206、射流喷头207、总喷射管208；
电机301、电机主轴302、第一联轴器303、第一立轴304、主动锥齿轮305；
第二从动锥齿轮401、减速器主轴402、减速器403、减速器输出轴404、第二联轴器405、第二立轴406、第一主轴座407、第二主轴座408；
连接套筒501、第二调节锥齿轮502、叶片安装座503、叶片安装槽504、外伸轴505、第一调节锥齿轮506、第三调节锥齿轮507。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。
实施例1：
如图1-8所示，水轮机磨蚀试验设备，它包括用于对整个试验设备进行支撑的箱体支撑结构1；所述箱体支撑结构1的内部设置有用于提供高速含沙射流水的喷射装置2；所述喷射装置2同时与用于供应高压气体的气体供应装置6相连，并用于模拟水轮机叶片的气蚀过程；所述喷射装置2和气体供应装置6都同时与用于驱动其工作的动力装置3相连；所述动力装置3的输出端同时与用于驱动叶片旋转的试件旋转装置4相连；所述试件旋转装置4上安装有用于固定叶片的叶片装夹装置5。通过采用本发明的磨蚀试验设备，通过控制含沙水喷射速度来控制速度的变化，以获得不同的含沙水冲刷速度。从而可以模拟在不同冲刷条件下，进行叶片试样的抗冲磨性能试验；既而对不同的叶片材料的抗冲刷性能进行进一步的研究，以获得较高耐冲刷能力的叶片材料或者新型的抗磨损材料，减少冲磨对水轮机叶片正常工作的影响。
进一步的，所述箱体支撑结构1包括主箱体107，所述主箱体107的内部一侧设置有用于盛水的水箱101，所述水箱101的内部设置有第一支撑板102，所述第一支撑板102的顶部设置有斜过流板103，所述水箱101的下部侧面设置有冷却箱体104，所述冷却箱体104的顶部设置有第二支撑板105，所述第二支撑板105的顶部设置有空气压缩机箱106；所述水箱101的顶部通过隔板形成变速器箱体108；所述喷射装置2设置在水箱101内部；所述气体供应装置6设置在空气压缩机箱106的内部；所述试件旋转装置4设置在变速器箱体108内部。通过上述的箱体支撑结构1能够用于对整个设备零部件进行有效的支撑和集成。
其中，箱体支撑结构1作为本设备的支撑部分，为连接零件和机械及支撑起着重要作用，从而确保了设备运行的刚度和稳定性。水箱101受内部结构和试件传动轴装配影响，不能做成整体的密闭结构，为了方便试件传动轴的安装，容器罐上端组成开口状，用顶端盖密封，右侧开一试件安装口。实际设计中，考虑到轴的悬空垂直放置，因而上端要有固定轴的端盖。冷却箱体104参考市面常用水泵及散热器尺寸进行制作；考虑到容器盖的结构设计比较简单，主要从减少其重量方面入手以及上端开设观察口。
进一步的，所述动力装置3包括电机301，所述电机301固定安装在箱体支撑结构1的外顶部；所述电机301的电机主轴302通过第一联轴器303与第一立轴304的顶端固定相连，所述第一立轴304上安装有主动锥齿轮305。通过采用上述的动力装置3能够同时给喷射装置2、气体供应装置6和试件旋转装置4提供动力，进而大大的降低了系统的传动动力，节约了设备成本。工作过程中，通过电机301同步驱动电机主轴302，通过电机主轴302驱动第一立轴304，进而通过第一立轴304驱动主动锥齿轮305，再由主动锥齿轮305同步驱动喷射装置2、试件旋转装置4和气体供应装置6。
进一步的，所述喷射装置2包括水泵201，所述水泵201通过泵体底座202固定安装在箱体支撑结构1的水箱101内部；所述水泵201的出水口连接有主出水管203，所述主出水管203上安装有水流控制阀204，所述主出水管203的末端通过斜水管205与总喷射管208相连，所述总喷射管208上安装有流量计206；所述总喷射管208的末端安装有射流喷头207；所述总喷射管208同时与气体供应装置6的输出端相连；所述水泵201与动力装置3的第一立轴304相连，并驱动其泵水。喷射装置2通过混水泵抽取含沙水经空气压缩二次加速最后由喷嘴喷出，对叶片试件进行喷射冲刷，在叶片表面形成冲磨，达到测试叶片试件抗冲耐磨能力的目的，通过对水泵流量及压缩空气流量的控制，实现喷射速度的无极调速。
进一步的，所述气体供应装置6包括空气压缩机603，所述空气压缩机603的空压机主轴602通过第一从动齿轮601与动力装置3的主动锥齿轮305啮合传动，所述空气压缩机603的出气口与储气罐604相连，所述储气罐604的出口通过节流阀605与喷射装置2的总喷射管208相连；所述储气罐604通过气罐底座606固定安装在箱体支撑结构1的第二支撑板105顶部。通过气体供应装置6主要用于提供气体，进而保证了磨蚀过程中，提供气源。对叶片试件进行喷射冲刷。
进一步的，所述试件旋转装置4包括减速器403，所述减速器403的减速器主轴402通过第二从动锥齿轮401与与动力装置3的主动锥齿轮305啮合传动，所述减速器403的减速器输出轴404通过第二联轴器405与第二立轴406啮合传动，所述第二立轴406通过第一主轴座407和第二主轴座408支撑在箱体支撑结构1的内部；所述叶片装夹装置5固定安装在第二立轴406上。试件旋转装置4主要用于叶片等试件安装及旋转传动，实现试件喷射角度的调整，要求与喷射系统协同工作。通过减速器403能够实现旋转速度的调节。
进一步的，所述叶片装夹装置5包括连接套筒501，所述连接套筒501的外部设置有多个外伸轴505，所述外伸轴505上转动配合安装有叶片安装座503，所述叶片安装座503上设置有叶片安装槽504；所述叶片安装座503上安装有用于调节其角度的角度调节机构。通过上述的叶片装夹装置5能够对待试验的叶片进行可靠的固定和安装。
进一步的，所述角度调节机构包括安装在叶片安装座503尾部的第一调节锥齿轮506，所述第一调节锥齿轮506同时与用于驱动其转动的第二调节锥齿轮502和第三调节锥齿轮507啮合传动，所述第二调节锥齿轮502和第三调节锥齿轮507套装在连接套筒501的外部。通过调整角度调节机构角度到达刻度盘对应的角度，以改变调动锥齿轮的角度从而改变试件卡槽的角度，从而实现调节冲刷角度的目的。
进一步的，所述第一主轴座407固定安装在箱体支撑结构1的顶部隔板上；所述第二主轴座408固定安装在箱体支撑结构1的第一支撑板102上。通过上述的结构能够对第一主轴座407进行有效的转动支撑。
实施例2：
水轮机磨蚀试验设备对水轮机叶片进行试验的方法，包括以下步骤：
步骤一：将待试验的叶片固定安装在叶片装夹装置5上；
步骤二：根据叶片的安装角度要求，操作角度调节机构，进而改变叶片的安装角度；
步骤三：待叶片安装完成之后，启动动力装置3；
步骤四：通过动力装置3同步驱动喷射装置2，通过喷射装置2提供模拟高速射流的含沙射流水，并将其高速的冲向叶片；
步骤五：通过动力装置3同步驱动气体供应装置6，通过气体供应装置6提供高压气体，高压气体进入到含沙射流水，一起冲蚀叶片；
步骤六：通过动力装置3同步驱动试件旋转装置4，通过试件旋转装置4驱动叶片装夹装置5，再由叶片装夹装置5带动叶片转动，进而模拟叶片正常工作过程中的磨蚀。
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