液力渦輪性能測(cè)試裝置設(shè)計(jì)及其工程實(shí)現(xiàn)

1、液力渦輪性能測(cè)試裝置設(shè)計(jì)及其工程實(shí)現(xiàn)王軍麗 徐如良 焦磊 王樂勤浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所 杭州 310027摘要：為得到液體作用下渦輪的工作性能，掌握其輸出特性變化規(guī)律及影響因素，以找到最佳工況，針對(duì)系列軸流式管路液力渦輪的特點(diǎn)，進(jìn)行了性能測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)架的設(shè)計(jì)，結(jié)合渦輪在管道中工作的具體情況和需要測(cè)量的工作參數(shù)，給出了試驗(yàn)臺(tái)架的整體設(shè)計(jì)，詳細(xì)說明了試驗(yàn)的測(cè)試內(nèi)容，重點(diǎn)介紹了該試驗(yàn)系統(tǒng)的裝置結(jié)構(gòu)以及為滿足測(cè)試精度和流場(chǎng)穩(wěn)定性而對(duì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化組合，同時(shí)簡(jiǎn)單介紹了數(shù)據(jù)的測(cè)量和采集過程。關(guān)鍵詞：渦輪特性 試驗(yàn)裝置 數(shù)據(jù)采集0 前言渦輪是通過渦輪葉片的旋轉(zhuǎn)工作的，其主要是用在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪增壓器等方面，

2、它們的共同特點(diǎn)是通過高溫高壓的氣體驅(qū)動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)后續(xù)部件運(yùn)轉(zhuǎn)。目前，在一種新型的原油攪拌裝置即旋轉(zhuǎn)射流混合攪拌系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱 RJM）中，渦輪則是在液體原油的沖擊作用下發(fā)生旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng) RJM 中減速裝置運(yùn)動(dòng)，通過減速裝置的調(diào)節(jié)作用，使噴嘴旋轉(zhuǎn)噴射。而且，渦輪在整個(gè)系統(tǒng)中起著提供動(dòng)力的作用，它的運(yùn)轉(zhuǎn)情況關(guān)系著整個(gè)系統(tǒng)的功能能否實(shí)現(xiàn)。這種情況下工作的渦輪除了靠液體沖擊的特點(diǎn)以外，在結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)是：處在管路中，沒有渦殼，前后無導(dǎo)葉。靠渦輪驅(qū)動(dòng)工作一定范圍內(nèi)可以取代靠電的驅(qū)動(dòng)工作的設(shè)備，這對(duì)緩解用電緊張的局面有現(xiàn)實(shí)意義。目前此種驅(qū)動(dòng)渦輪的應(yīng)用并不多見，因此渦輪在流體作用下，其輸出扭矩、轉(zhuǎn)速等性能如

3、何，實(shí)際上并沒有可以參考借鑒的經(jīng)驗(yàn)。鑒于目前的狀況，為了了解渦輪在液體作用下工作的特性，試驗(yàn)是必須的途徑。通過試驗(yàn)試驗(yàn)可以為以后廣泛的應(yīng)用提供依據(jù)。1 試驗(yàn)測(cè)試內(nèi)容及裝置的設(shè)計(jì)為了獲得RJM中渦輪的性能特性，通過對(duì)模型渦輪測(cè)試水力性能，進(jìn)而通過相似理論轉(zhuǎn)換得到。模型試驗(yàn)即：首先根據(jù)幾何相似設(shè)計(jì)出模型渦輪，通過試驗(yàn)測(cè)得模型渦輪的各參變量，繪制模型渦輪的性能曲線，。對(duì)于在液力作用下來提供動(dòng)力的渦輪，性能試驗(yàn)要得到的主要物理量是在穩(wěn)態(tài)下轉(zhuǎn)速n、流量Q、輸出扭矩M、功率N 和效率，試驗(yàn)測(cè)試的結(jié)果即是要得到n-Q、n-M、n-N 和n-等性能曲線。通過轉(zhuǎn)速隨不同量變化的關(guān)系曲線找出各個(gè)量組合的最佳效果。

4、其次 ，試驗(yàn)要獲得一些附加因素對(duì)轉(zhuǎn)速等的影響，這就需要對(duì)渦輪的葉片選用不同的直徑和不同n的安裝角度進(jìn)行試驗(yàn)。通常工作流體為液體的設(shè)備因?yàn)橐欢繗怏w的混入而導(dǎo)致氣蝕現(xiàn)象，對(duì)液力渦輪來講，氣泡對(duì)渦輪性能的影響也是應(yīng)該關(guān)注的一個(gè)因素。另外，開、停機(jī)過程瞬態(tài)的特性和渦輪前后流場(chǎng)的能量損失也是測(cè)試的內(nèi)容。根據(jù)需要測(cè)試的內(nèi)容，也為了保證測(cè)試系統(tǒng)流場(chǎng)的穩(wěn)定性、測(cè)量精確性和系統(tǒng)的可靠性，測(cè)試系統(tǒng)除了在裝置的設(shè)計(jì)上要盡量結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理、操作方便和抗擾動(dòng)外，在測(cè)量用的儀器儀表，變送器和板卡等的選擇上均需充分考慮信號(hào)的輸出和通信功能，變送器盡量選用輸出為標(biāo)準(zhǔn)模擬量信號(hào)的。下圖 1 為測(cè)試系統(tǒng)的裝置部分，主要有循環(huán)水箱

5、、軟管、電機(jī)、離心泵、不同直徑的鋼管、有機(jī)玻璃管、軸、閘閥、渦輪、飛輪、測(cè)試儀器等組成。2 試驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)本試驗(yàn)系統(tǒng)總的來分，包括裝置結(jié)構(gòu)部分和數(shù)據(jù)的測(cè)量、采集兩個(gè)部分。試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)部分需根據(jù)設(shè)計(jì)滿足要求加工組裝而成，數(shù)據(jù)測(cè)量、采集主要?jiǎng)t是依據(jù)測(cè)量變量、工作狀況和精度要求對(duì)儀器儀表和板卡的選擇。2.1 裝置結(jié)構(gòu)上圖所示主要為裝置結(jié)構(gòu)，對(duì)這個(gè)裝置結(jié)構(gòu)又可以將它分為兩個(gè)部分：供液系統(tǒng)部分和機(jī)械傳動(dòng)部分。供液系統(tǒng)包括水箱、管路、電機(jī)和水泵，電機(jī)帶動(dòng)水泵將水箱里的水送入管路，水在流出管路以后再次進(jìn)入水箱，對(duì)于這部分主要是給渦輪提供穩(wěn)定的流場(chǎng)，使渦輪可以平穩(wěn)的運(yùn)轉(zhuǎn)。機(jī)械傳動(dòng)部分主要包括渦輪，旋轉(zhuǎn)軸和飛輪

6、，渦輪在水流的沖擊下帶動(dòng)軸以及軸上的飛輪發(fā)生平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)。圖1 渦輪性能測(cè)試試驗(yàn)裝置圖1. 循環(huán)水箱 2、11. 軟連接 3. 飛輪 4. 扭拒計(jì) 5. 聯(lián)軸器6. 有機(jī)玻璃管 7. 主軸 8. 渦輪 9. 流量計(jì) 10. 壓力傳感器12. 閘閥 13. 離心泵 14. 電機(jī) 15. 進(jìn)口軟管2.1.1 供液系統(tǒng)在供液系統(tǒng)中，管路的直徑主要采用和65兩種，不同直徑之間通過大小頭過渡，電機(jī)和水泵均結(jié)合所要滿足的條件選擇，水箱的尺寸能夠提供足量的水即可，閘閥為普通的手動(dòng)閥。供液系統(tǒng)除了這些基本結(jié)構(gòu)以外，為了流場(chǎng)穩(wěn)定和軸的運(yùn)轉(zhuǎn)減少干擾，還采取了一些優(yōu)化組合結(jié)構(gòu) 。 水箱在整個(gè)管路結(jié)構(gòu)中處于中間地位，從管

7、路出來回流之水箱時(shí)，射流的卷吸作用導(dǎo)致一定量的空氣進(jìn)入水中，在正常的工作情況下，水再次流入管路經(jīng)過渦輪，水中氣泡的存在不僅會(huì)對(duì)渦輪的性能產(chǎn)生影響，也會(huì)對(duì)過流部件渦輪造成沖蝕，因此在水箱內(nèi)部一定的高度上安裝隔沫板和噴注頭，兩者的組合不僅阻止氣泡進(jìn)入管路同時(shí)也有整流的作用。為了防止泵工作的過程中帶來的振動(dòng)影響測(cè)試臺(tái)架，在泵的出口與管路之間和水箱的入口與管路之間，采用彈性連接，不僅阻斷了這一影響，也將低了連接的難度。在RJM中液體在經(jīng)過渦輪以后由噴嘴射出，因此流體在渦輪前后能量的損失和流場(chǎng)的分布情況也是要關(guān)心的一個(gè)問題，為了方便PIV試驗(yàn)以和理論模擬作比較，在過渦輪的管路采用一段有機(jī)玻璃管，同時(shí)用拉

8、桿來增強(qiáng)強(qiáng)度，用可拆卸的法蘭連接以方便更換不同直徑的渦輪。2.1.2 機(jī)械傳動(dòng)部分渦輪的設(shè)計(jì)借鑒水輪機(jī)葉片的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)而成，然后通過模具鑄造而成，軸的加工滿足特定的精度和強(qiáng)度剛度要求即可，亦無特殊的要求。在機(jī)械傳動(dòng)部分中，流道內(nèi)軸的支承，軸在管內(nèi)外過渡處的密封，都是關(guān)鍵部分。在流道內(nèi)部，支承的體積不能太大，否則不但會(huì)縮小流場(chǎng)的范圍，同時(shí)也會(huì)帶來流場(chǎng)的不穩(wěn)定，因此這里的支承采用滑動(dòng)水軸承，不僅自身體積小，而且采用水來潤(rùn)滑，也避免了油潤(rùn)滑時(shí)用軸封帶來體積的額外加大；在軸承外緣用翼型支承筋來固定軸承，翼型支承筋還具有整流的作用。由于在軸上要安裝轉(zhuǎn)速，扭矩計(jì)，為了使測(cè)量誤差小，在靜止的狀態(tài)下要避免軸

9、受預(yù)應(yīng)力。因此在軸的密封材料選擇上，要選用密封效果好，同時(shí)阻力小的聚四氟乙烯填料，而在軸的底部則設(shè)有支承臺(tái)保證外部的軸段和處在流道內(nèi)部的軸段之間有較高的同軸度。 在試驗(yàn)內(nèi)容中，我們要獲得轉(zhuǎn)速隨扭矩的變化，因此在軸上應(yīng)該加有負(fù)載，而且可以人為的調(diào)節(jié)負(fù)載的大小。因此在軸的末端，設(shè)計(jì)了一飛輪，通過剎車軸瓦來調(diào)整軸的受力，可施加試驗(yàn)需要的負(fù)載扭矩系列。2.2 數(shù)據(jù)測(cè)試與采集2.2.1 數(shù)據(jù)測(cè)試渦輪的流量Q、轉(zhuǎn)速n可以直接通過測(cè)量而得到，而渦輪的工作水頭可以通過上下游壓力差獲得，輸入功率可以通過流量、工作水頭由公式（1）計(jì)算得到，輸出功率可以通過轉(zhuǎn)速、扭矩由公式（2）計(jì)算得到，效率則可以由公式（3）得到

10、。輸入功率： （1）0NQH渦輪的輸出功率： （2）260nNM效率： （3）030NMnNQH式中，工作介質(zhì)的密度因此從試驗(yàn)中我們需要測(cè)試的物理量有渦輪上下游壓力P1，P2、流量Q、輸出扭矩M和轉(zhuǎn)速n。壓力的測(cè)量選用型號(hào)為BP8100擴(kuò)散硅壓力變送器，分別要測(cè)出渦輪上下游的壓力差，通過修正得到工作水頭H；流量的測(cè)量選用IFS 4000F的電磁流量計(jì)，精度到0.1，電磁流量計(jì)測(cè)量原理是基于流場(chǎng)的平均流速，與流速的實(shí)際分布無關(guān)，因此測(cè)量結(jié)果可靠準(zhǔn)確；轉(zhuǎn)速、扭矩的測(cè)量選用Jn338智能數(shù)字型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器，另外通過轉(zhuǎn)速扭矩來計(jì)算的功率不受電機(jī)效率的影響，比選用功率變送器測(cè)量的結(jié)果準(zhǔn)確。2.2.2

11、數(shù)據(jù)采集由變送器測(cè)量得到的信號(hào)經(jīng)過相應(yīng)的測(cè)量板卡，A/D或D/A轉(zhuǎn)換器連接到pc機(jī)，通過控制pc機(jī)中數(shù)據(jù)采集界面的操作按鈕來完成整個(gè)數(shù)據(jù)采集過程。數(shù)據(jù)采集的板卡選用PCI-1711和Jn338兩種，前者用來接收來自測(cè)量渦輪上下游壓力的變送器的模擬電壓信號(hào)，并且與組態(tài)王軟件兼容，后者和Jn338智能數(shù)字式轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器配套使用，接收其輸出的脈沖方波。數(shù)據(jù)采集的界面為根據(jù)組態(tài)王軟件自行開發(fā)，通過控制操作按鈕，可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單步采集，也可進(jìn)行連續(xù)采集。通過采集界面，可以動(dòng)態(tài)的觀察被測(cè)量的數(shù)據(jù)的變化情況，為了方便后續(xù)的數(shù)據(jù)查詢和數(shù)據(jù)處理，采集的數(shù)據(jù)自動(dòng)導(dǎo)入Acess數(shù)據(jù)庫中。3 小結(jié)通過對(duì)試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)

12、的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，并初步的進(jìn)行試驗(yàn)，得知： 1.操作性強(qiáng)，適應(yīng)范圍廣 可以測(cè)量多個(gè)物理量和多種結(jié)構(gòu)的渦輪；2.數(shù)據(jù)采集方便、快捷，精度高 測(cè)量選用的儀器儀表和板卡都比較先進(jìn)，通過pc機(jī)控制，簡(jiǎn)單方便；3.安裝方便可靠，靈活性大 測(cè)試系統(tǒng)的裝置結(jié)構(gòu)采用可拆卸連接，便于對(duì)不同渦輪直徑和葉片安裝角度的渦輪進(jìn)行試驗(yàn)；4.通過本試驗(yàn)系統(tǒng)做了初步的試驗(yàn)，結(jié)果與數(shù)值理論分析的結(jié)果相符。參 考 文 獻(xiàn)1 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)3. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.2 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)2. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.3 林宗虎.工程測(cè)量技術(shù)手冊(cè). 北京業(yè)出版社，1997.DESIGN AND ENGINEERING ACC

13、OMPLISHMENT OF THE TESTING DEVICE ON TURBINE PERFORMANCE DRIVED BY LIQUIDAbstract: To find the working performance of turbines driven by liquid, acquire their alteration rules and influence factors on output ,then get the optimal conditions. According to the characteristics of the series of axis-flo

14、w turbines driven by liquid in pipes, there designed the test-bed to test the performance. Combine the particular situations of the turbine in the pipe and the parameters need to know , present the whole design of the test-bed .The testing contents are introduced detailed in the paper .there, emphasized the device structure of the testing system and the optimized combinations of the device to fulfill the testing precision