(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210433421.8 (22)申请日 2022.04.24 (71)申请人 华北水利水电大 学 地址 450002 河南省郑州市金 水区北环路 36号 (72)发明人 田书建　彭湃　庞永强　 (74)专利代理 机构 北京科迪生专利代理有限责 任公司 1 1251 专利代理师 金怡 (51)Int.Cl. G01N 3/56(2006.01) G01N 3/02(2006.01) G01N 17/00(2006.01) (54)发明名称 一种超高流速叶轮机械冲蚀磨蚀性能实验 装置 (57)摘要 本发明提供一种超高流速叶轮机械冲蚀磨 蚀性能实验装置， 包括实验装置主体与电加热 炉。 实验装置主体包括主罐罐体、 气路系统与升 降旋转系统。 电加热炉内部包括定位设备、 电阻 丝加热系统、 热电偶测温系统。 实验装置主体底 部的主罐罐体放置于电加热炉上， 由炉体内部的 卡箍紧固。 气路系统与外界抽、 供气设备相连， 高 转速电动机与装置主轴一体化设计。 根据相对运 动原理， 经液态金属腐蚀后， 可取出样品固定架 中的样品分析其腐蚀机理。 本发明结构新颖、 造 价低廉， 满足高流速、 高温、 强腐蚀液态金属中的 严苛的标准， 可用于帮助设计商用聚变堆核主 泵， 也适用于开展黄河流域泥沙冲蚀、 磨蚀水轮 机叶片等较低标准的实验， 为 其提供数据基础。 权利要求书1页 说明书5页 附图2页 CN 114910375 A 2022.08.16 CN 114910375 A 1.一种超高流速叶轮机械冲蚀磨蚀性能实验装置， 其特征在于： 包括实验装置主体与 电加热炉； 所述的实验装置主体包括气路系统与升降旋转系统； 其中， 所述的升降旋转系统 由电动机(2)、 电动机底座(3)、 升降装置底座(4)、 不锈钢螺纹管(5)和升降装置螺柱(6)组 成； 所述的 的电加热炉包括电加热炉 炉壁(12)、 电加热炉 炉体(13)和滑轮(14)； 所述升降旋转系统通过电动机(2)连接电动机主轴(15)， 电动机主轴(15)依次穿过所 述电动机底座(3)、 升降装置底座(4)、 主罐罐盖(17)后， 与下方的主罐罐体(8)内的搅拌器 (19)的轴一体化连接； 所述不锈钢螺纹管(5)套装于电动机主轴(15)中部， 与外围的升降装 置螺柱(6)一起承接升降装置底座(4)和底部的主罐罐盖(17)； 不锈钢螺纹管(5)与升降装 置螺柱(6)相互配合 通过改变螺纹旋合深度从而实现实验 装置的升降； 所述的电加热炉炉体(13)内侧安装有加热电阻丝及热电偶， 用于对主罐罐体(8)内的 液态金属加热控温， 主罐罐体(8)由电加热炉炉体(13)内壁的卡箍紧固， 电加热炉下方安装 有滑轮(14)， 便于移动； 主罐罐体(8)与实验装置主体之间设有气路系统接口(11)， 与外部 真空泵相连， 用于实验前抽真空； 氧浓度传感器(10)用于 显示罐内氧气含量。 2.根据权利要求1所述的一种 超高流速叶轮机械冲蚀磨蚀性 能实验装置， 其特征在于： 所述气路系统包括泄压阀(9)、 氧浓度传感器(10)和气路系统接口(1 1)。 3.根据权利要求2所述的一种 超高流速叶轮机械冲蚀磨蚀性 能实验装置， 其特征在于： 所述氧浓度传感器(10)安装于主 罐罐盖(17)上方， 用于探测主罐罐体(8)内的氧浓度含量， 从主罐罐盖(17)上方伸出的气路系统接口(11)管道上设置有压力表(1)和泄压阀(9)用于 测量与改变主罐 罐体(8)内的压力。 4.根据权利要求1所述的一种 超高流速叶轮机械冲蚀磨蚀性 能实验装置， 其特征在于： 样品固定架(18)位于所述电动机主轴(15)的末端将搅拌器(19)包围。 5.根据权利要求1所述的一种 超高流速叶轮机械冲蚀磨蚀性 能实验装置， 其特征在于： 所述实验 装置采用碳 化硅、 金属陶瓷和耐高温合金的一种或组合作为制作材 料。 6.根据权利要求1所述的一种 超高流速叶轮机械冲蚀磨蚀性 能实验装置， 其特征在于： 所述主罐 罐体(8)为 一种有能力容纳高温、 高压、 强腐蚀流体的圆柱形容器。 7.根据权利要求1所述的一种 超高流速叶轮机械冲蚀磨蚀性 能实验装置， 其特征在于： 所述实验装置主体与主罐罐体(8)之间密封连接， 不锈钢螺纹管(5)与升降装置螺柱(6)支 撑上方升降装置底座(4)与下 方的主罐 罐盖(17)。 8.根据权利要求1所述的一种 超高流速叶轮机械冲蚀磨蚀性 能实验装置， 其特征在于： 在样品固定架(18)的圆周上设置样 品固定槽(23)， 实验时， 将相似尺寸和形状的耐腐 蚀材 料塞入样品固定 槽(23)内加以固定 。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 114910375 A 2一种超高流速叶轮机械冲蚀磨蚀性能实验装 置 技术领域 [0001]本发明属于液态金属等流体中冲蚀、 磨蚀性机理研究领域， 具体涉及一种超高流 速叶轮机 械冲蚀磨蚀性能实验 装置。 背景技术 [0002]随着全球工业的飞速 发展和社会的不断进步， 能源短缺、 全球变暖、 环境严重污染 等现象愈演愈烈， 导致人类生活的环 境开始逐渐恶化， 使全球陷入了环境危机， 这些恐怖的 信号也引发了人类的对于环境保护的重视和反思。 为了缓解越来越严重的环境危机， 除了 注重环境的环保卫生外， 还必须找到可以替代传统石化资源的清洁能源来遏制环境的继续 恶化。 因而开发无污染、 可 再生的清洁能源迫在眉睫。 [0003]我国水利资源丰富， 水电开发前景美好。 但是由于很多河流泥沙含量大， 目前已运 行的一百多座大中型水电站中， 有38％的机组泥沙磨损和空蚀严重。 水少沙多、 水沙异源、 水沙关系不协调是黄河流域水资源的突出特点。 流域多年平均天然径 流量为535亿立方米， 多年平均输沙量12.47亿吨， 是世界上输沙量最大的河流。 兰州以上水量占黄河的62％， 是 黄河主要产流区； 河口镇至龙门区间水量占黄河的9％， 沙量约占黄河的  54％， 是黄河主要 产沙区。 黄河泥沙还具有颗粒细、 有棱角、 硬矿物质含量高等特点。 这导致黄河流域水电站 水轮机的磨蚀十 分严重。 由于空蚀和泥沙磨损严重， 汛期被迫 “弃水保机 ”， 并且因水轮机叶 片等过流部件大修次数和频率增加， 造成极大的经济损失和能源浪费。 以225kW机组为例， 大修期110天， 需拆除全部发电机及水轮机上层结构， 将转轮吊出修补， 拆装工作量很大； 而 且转轮及过流部件的打磨和焊补工作条件艰苦， 需消耗十几吨不锈钢焊条。 按每度电0.2元 计算， 大修期间一台机组因少发电将减少产值11880万元。 除此之外， 泥沙磨损和冲蚀破坏， 泥沙磨蚀水轮机危害很多， 如大幅降低水能效率、 容积效率及机械效率， 造成机组效率下 降， 年发电量锐减； 加剧水轮机组振动， 延长 关机时间， 漏水严重， 直接威胁水轮机组的安全 运行。 [0004]近些年来， 国内外 曾对泥砂磨损的机制、 各种金属与非金属抗磨材料的抗磨稳定 性、 防止水轮机泥沙磨损的各种技术措施等进行了大量的实验室和现场的试验研究， 取得 了很多的成果。 我国黄河上 的一些水电站也积累了诸如转轮的补焊修复， 转轮叶片抗泥砂 磨损的非金属材料复涂等方面的成功经验。 但是， 水轮机泥砂磨损领域存在的问题仍很大， 有待进一步的研究。 [0005]受控核聚变具有清洁安全、 储量丰富、 输出能量高等突出优点， 也是目前能解决当 前社会能源危机的主要途径之一。 以液态金属(如LiPb、 PbBi、 Pb、 Na等)作为反应堆冷却剂 也有一些不可避免的问题， 其中一个就是对结构材料的腐蚀问题， 在流动的情况下， 结构材 料会发生侵 蚀和溶解腐蚀。 原有氧化膜剥落导致基体直接与液态金属接触， 损伤基体材料。 尤其是对一回路的核主泵造成严重的腐蚀伤害， 大大降低了核主泵的使用寿命， 还有可能 引起突发事故造成严重后果和经济损失。 [0006]寻找一种装置能够模拟泥沙对水轮机械 的冲蚀、 磨蚀影响， 液态金属的高速流动说　明　书 1/5 页 3 CN 114910375 A 3