液力涡轮性能测试装置设计及其工程实现

液力涡轮性能测试装置设计及其工程实现王军丽徐如良焦磊王乐勤浙江大学化工机械研究所杭州310027摘要：为得到液体作用下涡轮的工作性能，掌握其输出特性变化规律及影响因素，以找到最佳工况，针对系列轴流式管路液力涡轮的特点，进行了性能测试试验台架的设计，结合涡轮在管道中工作的具体情况和需要测量的工作参数，给出了试验台架的整体设计，详细说明了试验的测试内容，重点介绍了该试验系统的装置结构以及为满足测试精度和流场稳定性而对结构的优化组合，同时简单介绍了数据的测量和采集过程。关键词：涡轮特性试验装置数据采集0前言涡轮是通过涡轮叶片的旋转工作的，其主要是用在燃气涡轮发动机、涡轮增压器等方面，它们的共同特点是通过高温高压的气体驱动涡轮转动，进而带动后续部件运转。目前，在一种新型的原油搅拌装置即旋转射流混合搅拌系统（简称RJM）中，涡轮则是在液体原油的冲击作用下发生旋转，带动RJM中减速装置运动，通过减速装置的调节作用，使喷嘴旋转喷射。而且，涡轮在整个系统中起着提供动力的作用，它的运转情况关系着整个系统的功能能否实现。这种情况下工作的涡轮除了靠液体冲击的特点以外，在结构上的特点是：处在管路中，没有涡壳，前后无导叶。靠涡轮驱动工作一定范围内可以取代靠电的驱动工作的设备，这对缓解用电紧张的局面有现实意义。目前此种驱动涡轮的应用并不多见，因此涡轮在流体作用下，其输出扭矩、转速等性能如何，实际上并没有可以参考借鉴的经验。鉴于目前的状况，为了了解涡轮在液体作用下工作的特性，试验是必须的途径。通过试验试验可以为以后广泛的应用提供依据。1试验测试内容及装置的设计为了获得RJM中涡轮的性能特性，通过对模型涡轮测试水力性能，进而通过相似理论转换得到。模型试验即：首先根据几何相似设计出模型涡轮，通过试验测得模型涡轮的各参变量，绘制模型涡轮的性能曲线，。对于在液力作用下来提供动力的涡轮，性能试验要得到的主要物理量是在稳态下转速n、流量Q、输出扭矩M、功率N和效率，试验测试的结果即是要得到n-Q、n-M、n-N和n-等性能曲线。通过转速随不同量变化的关系曲线找出各个量组合的最佳效果。其次，试验要获得一些附加因素对转速n等的影响，这就需要对涡轮的叶片选用不同的直径和不同的安装角度进行试验。通常工作流体为液体的设备因为一定量气体的混入而导致气蚀现象，对液力涡轮来讲，气泡对涡轮性能的影响也是应该关注的一个因素。另外，开、停机过程瞬态的特性和涡轮前后流场的能量损失也是测试的内容。根据需要测试的内容，也为了保证测试系统流场的稳定性、测量精确性和系统的可靠性，测试系统除了在装置的设计上要尽量结构简单合理、操作方便和抗扰动外，在测量用的仪器仪表，变送器和板卡等的选择上均需充分考虑信号的输出和通信功能，变送器尽量选用输出为标准模拟量信号的。下图1为测试系统的装置部分，主要有循环水箱、软管、电机、离心泵、不同直径的钢管、有机玻璃管、轴、闸阀、涡轮、飞轮、测试仪器等组成。2试验系统的实现本试验系统总的来分，包括装置结构部分和数据的测量、采集两个部分。试验装置结构部分需根据设计满足要求加工组装而成，数据测量、采集主要则是依据测量变量、工作状况和精度要求对仪器仪表和板卡的选择。2.1装置结构上图所示主要为装置结构，对这个装置结构又可以将它分为两个部分：供液系统部分和机械传动部分。供液系统包括水箱、管路、电机和水泵，电机带动水泵将水箱里的水送入管路，水在流出管路以后再次进入水箱，对于这部分主要是给涡轮提供稳定的流场，使涡轮可以平稳的运转。机械传动部分主要包括涡轮，旋转轴和飞轮，涡轮在水流的冲击下带动轴以及轴上的飞轮发生平稳旋转。图1涡轮性能测试试验装置图1.循环水箱2、11.软连接3.飞轮4.扭拒计5.联轴器6.有机玻璃管7.主轴8.涡轮9.流量计10.压力传感器12.闸阀13.离心泵14.电机15.进口软管2.1.1供液系统在供液系统中，管路的直径主要采用和65两种，不同直径之间通过大小头过渡，电机和水泵均结合所要满足的条件选择，水箱的尺寸能够提供足量的水即可，闸阀为普通的手动阀。供液系统除了这些基本结构以外，为了流场稳定和轴的运转减少干扰，还采取了一些优化组合结构。水箱在整个管路结构中处于中间地位，从管路出来回流之水箱时，射流的卷吸作用导致一定量的空气进入水中，在正常的工作情况下，水再次流入管路经过涡轮，水中气泡的存在不仅会对涡轮的性能产生影响，也会对过流部件涡轮造成冲蚀，因此在水箱内部一定的高度上安装隔沫板和喷注头，两者的组合不仅阻止气泡进入管路同时也有整流的作用。为了防止泵工作的过程中带来的振动影响测试台架，在泵的出口与管路之间和水箱的入口与管路之间，采用弹性连接，不仅阻断了这一影响，也将低了连接的难度。在RJM中液体在经过涡轮以后由喷嘴射出，因此流体在涡轮前后能量的损失和流场的分布情况也是要关心的一个问题，为了方便PIV试验以和理论模拟作比较，在过涡轮的管路采用一段有机玻璃管，同时用拉杆来增强强度，用可拆卸的法兰连接以方便更换不同直径的涡轮。2.1.2机械传动部分涡轮的设计借鉴水轮机叶片的设计方法设计而成，然后通过模具铸造而成，轴的加工满足特定的精度和强度刚度要求即可，亦无特殊的要求。在机械传动部分中，流道内轴的支承，轴在管内外过渡处的密封，都是关键部分。在流道内部，支承的体积不能太大，否则不但会缩小流场的范围，同时也会带来流场的不稳定，因此这里的支承采用滑动水轴承，不仅自身体积小，而且采用水来润滑，也避免了油润滑时用轴封带来体积的额外加大；在轴承外缘用翼型支承筋来固定轴承，翼型支承筋还具有整流的作用。由于在轴上要安装转速，扭矩计，为了使测量误差小，在静止的状态下要避免轴受预应力。因此在轴的密封材料选择上，要选用密封效果好，同时阻力小的聚四氟乙烯填料，而在轴的底部则设有支承台保证外部的轴段和处在流道内部的轴段之间有较高的同轴度。在试验内容中，我们要获得转速随扭矩的变化，因此在轴上应该加有负载，而且可以人为的调节负载的大小。因此在轴的末端，设计了一飞轮，通过刹车轴瓦来调整轴的受力，可施加试验需要的负载扭矩系列。2.2数据测试与采集2.2.1数据测试涡轮的流量Q、转速n可以直接通过测量而得到，而涡轮的工作水头可以通过上下游压力差获得，输入功率可以通过流量、工作水头由公式（1）计算得到，输出功率可以通过转速、扭矩由公式（2）计算得到，效率则可以由公式（3）得到。输入功率：0NQH（1）涡轮的输出功率：260nNM（2）效率：030NMnNQH（3）式中，——工作介质的密度因此从试验中我们需要测试的物理量有涡轮上下游压力P1，P2、流量Q、输出扭矩M和转速n。压力的测量选用型号为BP8100扩散硅压力变送器，分别要测出涡轮上下游的压力差，通过修正得到工作水头H；流量的测量选用IFS4000F的电磁流量计，精度到0.1，电磁流量计测量原理是基于流场的平均流速，与流速的实际分布无关，因此测量结果可靠准确；转速、扭矩的测量选用Jn338智能数字型转矩转速传感器，另外通过转速扭矩来计算的功率不受电机效率的影响，比选用功率变送器测量的结果准确。2.2.2数据采集由变送器测量得到的信号经过相应的测量板卡，A/D或D/A转换器连接到pc机，通过控制pc机中数据采集界面的操作按钮来完成整个数据采集过程。数据采集的板卡选用PCI-1711和Jn338两种，前者用来接收来自测量涡轮上下游压力的变送器的模拟电压信号，并且与组态王软件兼容，后者和Jn338智能数字式转矩转速传感器配套使用，接收其输出的脉冲方波。数据采集的界面为根据组态王软件自行开发，通过控制操作按钮，可以对数据进行单步采集，也可进行连续采集。通过采集界面，可以动态的观察被测量的数据的变化情况，为了方便后续的数据查询和数据处理，采集的数据自动导入Acess数据库中。3小结通过对试验测试系统的设计和实现，并初步的进行试验，得知：1.操作性强，适应范围广可以测量多个物理量和多种结构的涡轮；2.数据采集方便、快捷，精度高测量选用的仪器仪表和板卡都比较先进，通过pc机控制，简单方便；3.安装方便可靠，灵活性大测试系统的装置结构采用可拆卸连接，便于对不同涡轮直径和叶片安装角度的涡轮进行试验；4.通过本试验系统做了初步的试验，结果与数值理论分析的结果相符。参考文献1机械设计手册3.北京：机械工业出版社，2000.2机械设计手册2.北京：机械工业出版社，2000.3林宗虎.工程测量技术手册.北京业出版社，1997.DESIGNANDENGINEERINGACCOMPLISHMENTOFTHETESTINGDEVICEONTURBINEPERFORMANCEDRIVEDBYLIQUIDAbstract:Tofindtheworkingperformanceofturbinesdrivenbyliquid,acquiretheiralterationrulesandinfluencefactorsonoutput,thengettheoptimalconditions.Accordingtothecharacteristicsoftheseriesofaxis-flowturbinesdrivenbyliquidinpipes,theredesignedthetest-bedtotesttheperformance.Combinetheparticularsituationsoftheturbineinthepipeandtheparametersneedtoknow,presentthewholedesignofthetest-bed.Thetestingcontentsareintroduceddetailedinthepaper.there,emphasizedthedevicestructureofthetestingsystemandtheoptimizedcombinationsofthedevicetofulfillthetestingprecisionandstabilityoftheflowfield.Lastly,theprocessofthedatameasureandcollectionisshowed.Keywords:TurbineperformanceTestingdeviceDatacollection作者简介：王军丽，男，1977年出生，博士研究生。主要研究方向为汽车动力学与控制，发表论文近20篇。E-mail:：[e-mail]