[发明专利]一种利用激光空化提高水泵叶轮强度的装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于水泵技术领域，尤其是涉及一种利用激光空化提高水泵叶轮强度的装置及方法。

背景技术

在高功率激光辐射下，当激光的能量密度超过液体的击穿阈值，液体介质会被“光击穿”，在击穿区域产生高温高压的等离子体。等离子体膨胀，形成以超音速传播的冲击波。同时伴随着空化气泡的产生，即激光空化泡。激光空化泡是研究空泡现象的有力工具，有助于开展水下冲击强化、水下打孔、空化空蚀特性等研究。

早在1753年欧拉(Euler)就注意到当水管中某处的压强降低至蒸汽压甚至负值时，水与管壁分离，并在该处形成一个真空空间，通常人们将这种现象称为空化。随后，人们发现在液体流动和液力机械中，即从液体流动到水泵、水轮机或船舶螺旋桨都可能发生空化现象。，几十年来，空化现象以及对于如何合理利用空化现象来为社会的生产、生活服务一直是科研工作者研究的热点问题之一。

水泵机组在人类的生活中有着广泛的应用，作为通用机械的一种，它还面临着向高速小型化方向的发展，这对水泵的节能减排和安全稳定运行提出了越来越高的要求。水泵在运转的过程中，由于叶轮进口处液体局部压力降低而生成气泡。在稍后压力升高处，气泡又缩小或消失，会出现水力机械所以特有的汽蚀现象。汽蚀(空蚀)使得水泵的扬程下降，效率降低，振动噪声加剧，对系统的安全运行带来严重危害；汽蚀损伤能损坏叶轮，甚至使设备报废，造成重大的损失，严重影响水泵的工作性能，这些都是亟待需要解决的问题。

本次发明就是利用空化现象有利的一面，针对水泵在水中长期服役的过程中受到的汽蚀磨损，而水泵的叶轮又是水泵的关键过流部件，故采用了一种提高其强度的装置及方法。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种利用激光空化提高水泵叶轮强度的装置及方法，通过强化叶轮表面更好地解决了大中型水泵机组中叶轮的汽蚀和磨蚀破坏等问题。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种利用激光空化强化提高水泵叶轮强度的装置，包括激光空化装置和支撑座；所述支撑座上部设有谐振腔；所述谐振腔为中空半球体，所述谐振腔表面中心处开有缺口；所述缺口上方盖有耐高压玻璃，所述耐高压玻璃的尺寸大于缺口的尺寸；所述水泵叶轮位于谐振腔内的缺口正下方；所述谐振腔内部充有水；所述激光空化装置发出的激光束透过耐高压玻璃聚焦于缺口正下方。

进一步的，所述谐振腔的内表面涂有高反射涂层，所述谐振腔的曲率为4～20m^-1。

进一步的，所述耐高压玻璃外围设有与谐振腔表面固定连接的中空挡块，所述中空挡块的内轮廓与耐高压玻璃的外轮廓尺寸、形状相同。

进一步的，所述激光空化装置包括激光器控制器、YAG激光器、45°全反镜、扩束镜和聚焦镜，所述激光器控制器控制YAG激光器发出激光经45°全反镜、扩束镜和聚焦镜，透过耐高压玻璃聚焦于缺口正下方；所述激光器控制器与计算机相连。

进一步的，所述激光空化装置还包括红外距离传感器，所述红外距离传感器位于激光器控制器和YAG激光器之间。

进一步的，所述支撑座放置于五轴联动数控工作台上，所述五轴联动数控工作台与计算机相连。

进一步的，所述谐振腔连接有水循环系统；所述水循环系统包括进水管接头、进水管、微型水泵、水箱、出水管和出水管接头；所述谐振腔通过进水管接头和进水管、出水管接头和出水管分别连接水箱的进出口；所述进水管上设置有微型水泵；所述微型水泵和计算机相连。

进一步的，所述微型水泵和进水管接头之间还设有流量计。

进一步的，所述耐高压玻璃与谐振腔表面之间通过弹垫圈连接；所述谐振腔与支撑座之间通过密封圈连接。

一种利用激光空化强化提高水泵叶轮强度的方法，包括如下步骤：

S1：将水泵叶轮用无水乙醇或丙酮进行清洗，除去其表面的油污和灰尘，使表面光洁；

S2：将清洗后的水泵叶轮进行淬火和回火热处理；

S3：将水泵叶轮放入谐振腔内，用密封圈将谐振腔底部密封；

S4：用计算机控制微型水泵运行，将水箱中的去离子水输入到整个水循环系统中，通过流量计实时查看当前流量；

S5：激光器控制器根据红外距离传感器测得离水泵叶轮的最佳空化距离S，实时控制YAG激光器发射激光，通过45°全反镜、扩束镜和聚焦镜，透过耐高压玻璃射入水中，使激光束的焦点始终位于水泵叶轮上方S距离处；