一种水轮机瞬态流动实验装置的制作方法

本发明涉及水轮机内部流动分析领域，特指一种水轮机在瞬态过程中的流动实验装置。

背景技术：

水轮机是一种利用水的势能转化成机械能并带动电机进行发电的设备，在能源系统中起着重要作用。水力发电发出的电能已并入电网，而水流情况是在不断变化的，因此，需要不断的对水轮机进行调节，实现电网的稳定输出。因为水轮机的瞬态研究逐渐成为热点。

在水轮机瞬态运行过程中，产生了比稳态过程中强度更高的压力脉动，内部流动更加复杂，譬如二次流、旋转失速等。除此之外，其性能也会发生较大的改变。因此，对水轮机瞬态的研究更具有学术价值。

目前，关于水轮机的瞬态研究主要集中在数值计算研究，数值模拟可实现水轮机内部可视化的研究，但是其计算结果与实验还是有一定的误差。虽然目前一些实验也对水轮机开展了相关的瞬态研究，但其瞬态调节过程大都由人调节叶片，因此会产生相应的误差。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于程序化控制的水轮机瞬态流动实验装置，能够实现水轮机在工作过程中瞬态介质流动过程的实验参数精确调节。

为实现上述发明目的，本发明采取的技术方案为：一种水轮机瞬态流动实验装置，包括水轮机蜗壳，所述水轮机蜗壳内设有转轮，所述转轮通过转轮轴与电机连接，所述转轮上安装有固定叶片，所述电机与变频器连接，所述蜗壳内壁上设有动态压力传感器，所述动态压力传感器通过数据采集卡与计算机连接，所述转轮和转轮蜗壳之间还设有活动叶片罩，所述活动叶片罩上安装有若干片活动叶片，所述活动叶片罩上每相邻两片叶片之间的开度可调整。

上述方案中，所述活动叶片罩包括两个对称分布的控制环，两个控制环之间设有活动叶片，每片所述活动叶片的两端均通过调节连杆对应连接在所述控制环上，所述控制环上固定连接有连接杆，所述连接杆上固定安装有齿条，所述齿条与齿轮啮合在一起。

上述方案中，所述电机和所述水轮机轴之间安装有联轴器。

上述方案中，所述数据采集卡为美国国家仪器公司生产的nationalinstrument型号数据采集卡。

上述方案中，所述计算机上安装有labview软件，所述美国国家仪器公司生产的nationalinstrument型号数据采集卡将信号输送到所述labview软件中。

本发明的有益效果：（1）水轮机的叶片调节采用齿条齿轮之间的啮合控制能够实现对水轮机活动叶片罩上不同叶片开度下开阀闭阀瞬态过程的研究；水轮机的运行转速采用变频器进行控制，实现水轮机截荷变化瞬态研究；通过蜗壳内安装的动态压力传感器，可以实现水轮机瞬态过程中内部压力测量，这些都为开展水泵水轮机的瞬态流动实验提供了基础和条件保障。（2）本发明对水轮机进行改进，实现瞬态流动测试，有利于掌握水轮机在瞬态过程中内部流动规律，解决了目前人工调节叶片过程中产生一定误差的问题。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图。

图2是本发明装置活动叶片罩结构俯视图。

图3是本发明装置活动叶片罩立体结构示意图。

图4是水轮机瞬态流动实验原理图。

图5是本发明装置进行实验时的活动叶片的角度变化规律图。

图6是本发明装置进行实验时对应的流量与功率变化图。

图中：1.转轮；2.转轮轴；3.电机；4.活动叶片罩；4-1.控制环；4-2.活动叶片；4-3.调节连杆；4-4.连接杆；4-5.齿条；4-6.齿轮；5.联轴器。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行更详细的说明。

如图1所示，本实施例提供的一种水轮机瞬态流动实验装置，包括水轮机蜗壳，所述水轮机蜗壳内设有转轮1，所述转轮1通过转轮轴2与电机3连接，所述电机3和所述转轮轴2之间安装有联轴器5，所述转轮1上安装有固定叶片，所述电机3与变频器连接，所述蜗壳内壁上设有动态压力传感器，所述动态压力传感器通过数据采集卡与计算机连接，所述转轮1和转轮蜗壳之间还设有活动叶片罩4，所述活动叶片罩4上每相邻两片叶片之间的间隙可调整。优选的，所述数据采集卡为美国国家仪器公司生产的nationalinstrument型号数据采集卡，所述计算机上安装有labview软件，所述美国国家仪器公司生产的nationalinstrument型号数据采集卡与所述labview软件信号连接。

如图2和图3所示，本实施例提供的活动叶片罩4上安装有若干片活动叶片4-2，还包括两个对称分布的控制环4-1，两个控制环4-1之间设有活动叶片4-2，每片所述活动叶片4-2的两端均通过调节连杆4-3对应连接在所述控制环4-1上，所述控制环4-1上固定连接有连接杆4-4，所述连接杆4-4上固定安装有齿条4-5，所述齿条4-5与齿轮4-6啮合在一起。采用齿轮齿条传动机构，通过控制环4-1和调节连杆4-3来改变相邻两片活动叶片4-2之间的开度。优选的，本实施例中的水轮机蜗壳为螺旋型结构，固定叶片和活动叶片的叶片数均为28。叶轮是闭式结构。

本实施例的水轮机瞬态流动实验装置原理图如图4所示，水轮机电机与变频器相联，实现水轮机的速度精确调节，在水轮机的蜗壳上安装动态压力传感器，与nationalinstrument数据采集卡相联，并与计算机中的labview软件进行数据存储和处理。另外活动叶片的电机驱动，仍然通过labview软件进行精确控制，实现数据采集与瞬态调时同步完成。实验装置运行过程中，从活动叶片开始变化开始，到调节完成结束的时间里，活动叶片的角度变化规律如图5所示。相应的，在水泵水轮机额定工况下开始运行，改变活动叶片角度，并且将整个变化过程中的时间变化量、流量和功率进行归一化处理，整个瞬态程中归一化流量及功率与归一化时间的变化关系如图6所示。

技术特征：

技术总结
本发明涉及一种水轮机瞬态流动实验装置，包括水轮机蜗壳，所述水轮机蜗壳内设有转轮，所述转轮通过转轮轴与电机连接，所述转轮上安装有固定叶片，所述电机与变频器连接，所述蜗壳内壁上设有动态压力传感器，所述动态压力传感器通过数据采集卡与计算机连接，所述转轮和转轮蜗壳之间还设有活动叶片罩，所述活动叶片罩上安装有若干片活动叶片，所述活动叶片罩上每相邻两片叶片之间的开度可调整。本发明对水轮机进行改进，实现瞬态流动测试，有利于掌握水轮机在瞬态过程中内部流动规律，解决了目前人工调节叶片过程中产生一定误差的问题。

技术研发人员：蒋伟;王文杰;裴吉;袁寿其;甘星城;邓起凡;曹健
受保护的技术使用者：江苏大学
技术研发日：2018.11.12
技术公布日：2019.02.22