专利名称：水工混凝土冲磨空蚀混合作用试验装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种试验装置，具体说是一种水工混凝土冲磨和空蚀混合作用试验装置，属于水利工程材料试验领域。
背景技术：
冲刷磨损和空蚀破坏是水工泄水建筑物普遍存在的工程问题。统计资料显示，我国70%以上的大型水利工程泄水设施存在冲磨和空蚀破坏，尤其近年来随着工程规模的不断扩大，高坝下泄水流已达到50m/s级的超高流速，泄水建筑物的冲磨空蚀问题日益突出。 因此，为解决这一工程技术难题，关于水工高性能混凝土抗蚀材料的研究始终没有停止过， 优异的抗蚀材料不断涌现，对于新型材料需要进行抗冲磨防空蚀性能的考察和评价。目前，研究水工混凝土的抗冲磨防空蚀性能主要采用对比试验的方法，抗冲磨试验如最常见的水下钢球法、高速水砂法等，抗空蚀试验如缩放型空蚀发生装置等，通过对比试验可以得出不同材料的相对抗冲磨或抗空蚀强度，以便对材料进行评价和优选。然而，已有的方法和装置只能进行单一破坏作用下的试验，而实际工程中，水工建筑物过流表面会受到挟砂水流冲磨和空蚀的共同作用，两种破坏作用相互促进、相互影响，较为复杂，非一般单一破坏作用所能表征。因此，为能准确反映水工混凝土的抗冲磨和防空蚀性能，需要开发一种新的装置和试验方法，能够模拟冲磨和空蚀的混合作用。
发明内容本实用新型的目的是提供一种能够模拟高速水流冲磨和空蚀混合作用的试验装置。本实用新型达到上述目的的技术方案是水工混凝土冲磨空蚀混合作用试验装置，包括动力系统、稳压箱、自动加砂装置、 试验段和沉砂池。动力系统采用三相电机驱动多级增压离心泵为整个装置供水，水流经进水管系进入稳压箱，稳压箱一端接试验段，顶部通过连通管与加砂桶相连，加砂桶与试验段喉口前的收缩段相接，试验段后接沉砂池，最后水流回水库形成循环。水工混凝土冲磨空蚀混合作用试验装置，在缩放型空蚀发生器的基础上，根据流速越高压力越小原理设计试验装置，在加砂桶内砂体的顶部和底部形成压力差，实现高压系统内压差作用下的自动加砂，形成高速挟砂水流，在装置收缩段喉口部位，挟砂水流流速达到最大值，出现负压，发生强空化，固定在喉口后扩散段的试件将受到挟砂水流空蚀和冲磨的双重作用。所述试验装置的动力系统，采用额定功率为120kw的三相电机驱动额定流量为 60L/s的多级增压离心泵为整个装置供水。所述试验装置的自动加砂装置，主要由砂桶、盖板、排气管、观察窗、输砂管和控制阀门组成，砂桶顶部与稳压箱相连，输砂管与试验段喉口前的收缩段相连，由于稳压箱断面尺寸较大，箱内水流流速较低，静压较大，待水流到达试验段，断面尺寸迅速减小，水流流
3速显著增大，静压较小，因此，砂桶顶部压力将明显大于输砂管出口压力，在上下压差的作用下，砂粒被自动吸入水中，形成挟砂水流。所述试验装置的试验段，包括收缩段、试件槽和扩散段，试验段前后采用压力表监测系统内压力，喉口后压力对空蚀状态影响较大，因此采用阀门进行调节，以达到强空蚀状态，试件固定于试件槽内，表面将受到挟砂强空化水流的冲磨空蚀作用。所述试验装置的沉砂池，采用较大断面尺寸以降低断面流速，使砂粒沉淀，以防砂粒进入水库，同时可以测量水流的含砂量，以便控制试验工况。所述试验装置属于高压系统，所有管系均采用高压无缝钢管，所有阀门均采用可承压25kg的高压阀门。所述试验装置试验段水流流速最大可达60m/s，能够满足各级流速的试验要求。本实用新型具有如下优点(1)利用装置内的压力分布特征，在高压系统内压差的作用下实现自动加砂，形成挟砂水流，不需要额外动力；(2)本装置在冲磨空蚀发生位置之前形成挟砂水流，之后砂粒迅速沉淀，有效避免了对装置其他部位的磨损。
图1为水工混凝土冲磨空蚀混合作用试验装置的正视图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。水工混凝土冲磨空蚀混合作用试验装置，采用多级增压离心泵为整个装置供水， 水流进入稳压箱1，稳压箱1 一端渐缩与试验段2相连，稳压箱顶部通过连通管3与加砂桶 4相连，加砂桶顶部设置桶盖5，桶内为试验用砂6，侧壁设置观察窗7，桶盖顶设置排气管8 用于排出系统内的气体，加砂桶通过输砂管9与试验段喉口 10前的收缩段相接，输砂管中间布置阀门11控制加砂量，混凝土试件12固定于试验段喉口后扩散段，试验段后接尾水控制阀门13，然后水流进入沉砂池14，最后水流回水库形成循环，试验段前后采用压力表15 监测系统内压力。试验前打开加砂桶桶盖向桶内加入试验用砂，并通过侧壁观察窗观察加砂量，桶盖与加砂桶之间采用金属垫片和螺栓密封，将称量初始质量后的混凝土试件装入试件槽， 随后进行密封，开启动力装置为系统供水，通过试验段前后的压力表观察系统压力，打开加砂桶顶的排气管排出系统内气体，由于稳压箱和试验段断面流速相差较大，加砂桶顶和输砂管末端存在较大的压力差，打开输砂管控制阀门，砂粒会在压差的作用下自动掺入水流， 形成了挟砂水流，在试验段喉口部位，过流断面最小，挟砂水流流速达到最大值，出现负压， 发生强空化，固定在喉口后扩散段的混凝土试件将受到挟砂水流空蚀和冲磨的双重作用。 调节水流速度至试验要求进行试验，试验达到规定时间后，称量冲磨和空蚀共同作用后试件的质量，根据质量差、作用面积和作用时间计算蚀损率。
权利要求1.水工混凝土冲磨空蚀混合作用试验装置，包括动力系统、稳压箱、自动加砂装置、试验段和沉砂池，其特征在于所述的动力系统采用三相电机驱动多级增压离心泵为整个装置供水，水流经进水管系进入稳压箱，稳压箱一端接试验段，顶部通过连通管与加砂桶相连，加砂桶与试验段喉口前的收缩段相接，试验段后接沉砂池，最后水流回水库形成循环。
2.如权利要求1所述的水工混凝土冲磨空蚀混合作用试验装置，其特征在于动力系统采用额定功率为120kw的三相电机驱动额定流量为60L/s的多级增压离心泵。
3.如权利要求1所述的水工混凝土冲磨空蚀混合作用试验装置，其特征在于自动加砂装置包括砂桶、盖板、排气管、观察窗、输砂管和控制阀门，砂桶顶部与稳压箱相连，输砂管与试验段喉口前的收缩段相连，由于稳压箱断面尺寸较大，箱内水流流速较低，静压较大，待水流到达试验段，断面尺寸迅速减小，水流流速显著增大，静压较小，砂桶顶部压力将明显大于输砂管出口压力，在上下压差的作用下，砂子被自动吸入水中，形成挟砂水流。
4.如权利要求1所述的水工混凝土冲磨空蚀混合作用试验装置，其特征在于试验段水流流速最大可达60m/s。
5.如权利要求1 4任一所述的水工混凝土冲磨空蚀混合作用试验装置，其特征在于 所有管系为高压无缝钢管，所有阀门为高压阀门。
专利摘要本实用新型水工混凝土冲磨空蚀混合作用试验装置，包括动力系统、稳压箱、自动加砂装置、试验段和沉砂池，属于水利工程材料试验领域。利用流速越高压力越小原理设计试验装置，在加砂桶内砂体的顶部和底部形成压力差，实现高压系统内压差作用下的自动加砂，形成高速挟砂水流，在试验段喉口挟砂水流流速达到最大值，出现负压，发生强空化，固定在喉口后的试件将受到挟砂水流空蚀和冲磨的双重作用。本实用新型在高压系统内压差的作用下实现自动加砂，不需要额外动力，且高速挟砂水流仅出现在试验段，避免了对装置其他部位的磨损。
文档编号G01N3/56GK202216882SQ20112031367
公开日2012年5月9日 申请日期2011年8月26日 优先权日2011年8月26日
发明者张陆陈, 王新, 王河生, 胡亚安, 袁强, 骆少泽 申请人:水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院