一种水泵水轮机可视化试验系统及实验方法

技术领域

本发明涉及流体机械模型试验技术领域，具体而言，涉及一种水泵水轮机可视化试验系统及实验方法。

背景技术

抽水蓄能技术。随着大型火电站和核电站的快速投入，以及风电、太阳能、分布式能源等清洁能源迅猛发展，对电网有更大的调节能力和灵活性的要求越来越高。由于各个电网系统的负荷发展是很不平衡的，为了使电网系统效益更高，需要增加灵活的调节容量。衍生出了抽水蓄能技术，即利用水作为储能介质，通过电能与势能相互转化，实现电能的储存和管理。利用电力负荷低谷时的电能抽水至上水库，在电力负荷高峰期再放水至下水库发电。可将电网负荷低时的多余电能，转变为电网高峰时期的高价值电能。并且抽水蓄能机组从启动到完全稳定时间为3-10分钟，从备用到满负荷运行仅需2分钟，这种快速调节能力是火电等其它机组不可相比的。电力系统中负荷常有瞬间或突然的变化，导致系统的频率瞬间升高或降低，蓄能机组可根据电网的频率变化快速增加或者减小出力，使电网恢复平衡，这种启停迅速，工况转变快的调节能力，可以降低电力系统建设和运行成本，同时也是电网良好的紧急事故备用机组。与火电机组和核电机组配合运行，可以使火电机组运行在高效率区，也可以改善核电机组的运行条件，大大提高了整个电网的运行效益。因此抽水蓄能技术的存在，对电网的经济、安全和稳定具有重要的意义。

模型试验技术。对于流体机械领域而言，由于真机运行巨额的费用，很难进行真机试验，因而水泵水轮机模型试验就成为了高效经济的方法。通过模型试验，然后利用相似准则即可把模型试验结果换算成真机数据。一直以来，国内外都在通过模型试验进行着大量的理论和实际应用研究。通过模型测试获得该水泵水轮机模型驼峰特性以及压力脉动特性，可以验证数值模拟结果的可靠性和精确性。

可视化技术。其中，Particle Image Velocimetry，又称粒子图像测速法，是七十年代末发展起来的一种瞬态、多点、无接触式的流体力学测速方法。近几十年来得到了不断完善与发展，PIV技术的特点在于能在同一瞬态（一般从数百纳秒到几百微秒）记录下大量空间点上的速度分布信息，并可提供丰富的流场空间结构以及流动特性。PIV作为一种非接触式的流场测量技术，基于示踪粒子平面激光散射技术，将一定量的粒子示踪剂添加到待测流体中，利用激光束照射产生粒子图像，CCD相机将对激光照射示踪粒子后激发的荧光进行捕捉，这样相机可以获得每一个激光脉冲同步对应的CCD图像。一对粒子图像在已知时间步长的两个相邻时刻被捕捉，称为一粒子图像对。粒子图像对处理求取速度场时，待测的研究区域会被划分成整齐排列的一个个小区域，称为判问域。最后，通过自相关算法（或互相关算法）求得两幅粒子图像上对应判问域内的所有粒子在此时间步长发生的位移，判问域上所有粒子位移的平均值就表征这个判问域的速度矢量。算出每个判问域的速度，便重构出研究区域的瞬态速度场。

由于闭式可循环水泵水轮机试验台对于试验台硬件控制系统要求较高，所以如何合理的控制阀门启闭，是目前亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种水泵水轮机可视化试验系统实验方法，来解决现有技术中的上述问题。

本发明的实施例通过以下技术方案实现：

一种水泵水轮机可视化试验系统，包括汽蚀罐、真空泵、压力罐、供水泵和用于水泵水轮机实验的实验装置；

所述真空泵通过第一球阀与所述汽蚀罐连接，所述汽蚀罐通过第二球阀和回水管路与所述压力罐连接，所述压力罐一端通过第三球阀与所述实验装置连接，另一端通过第四球阀与所述供水泵连接，所述供水泵通过第五球阀和第六球阀与所述实验装置连接；

所述第五球阀与第六球阀之间设置有用于与所述汽蚀罐连接的第一支路，所述第六球阀与实验装置之间设置有用于与所述汽蚀罐连接的第二支路，所述第二支路上设置有第七球阀。

在本发明的一实施例中，所述实验装置包括发电电动机、电机主轴、电机支撑架、蜗壳组件、上导叶组件、下导叶组件、转轮组件和尾水管组件；

所述电机支撑架与尾水管组件分别设置于所述蜗壳组件上下两侧，所述发电电动机设置于所述电机支撑架上，并与所述电机主轴连接；

还包括设置于所述蜗壳组件的腔体内的上导叶组件、下导叶组件和转轮组件；

所述蜗壳组件、上导叶组件、下导叶组件、转轮组件和尾水管组件均采用有机玻璃材质。

在本发明的一实施例中，所述蜗壳组件包括上蜗壳和下蜗壳，所述上蜗壳和下蜗壳通过第一预留孔连接；

所述上蜗壳设置有用于电机支撑架连接的第二预留孔和用于机械密封压盖连接的第三预留孔，所述电机主轴通过机械密封压盖与上蜗壳连接；

所述下蜗壳设置有导叶放置槽和设置于导叶放置槽边缘的密封圈预留槽。

在本发明的一实施例中，所述蜗壳组件内设置有上导叶组件和下导叶组件，所述上导叶组件和下导叶组件嵌合连接；

所述上导叶组件包括上活动导叶和上固定导叶，所述下导叶组件包括下活动导叶和下固定导叶，所述上固定导叶套设于上活动导叶外部，所述下固定导叶设于下活动导叶外部。

在本发明的一实施例中，还包括转轮组件，所述转轮组件包括转轮上冠、转轮叶片和转轮下环，所述转轮叶片设置于所述转轮上冠与转轮下环之间。

在本发明的一实施例中，所述电机主轴的一侧设置有高速相机和激光发射器。

在本发明的一实施例中，所述尾水管组件包括尾水管前部和尾水管后部，所述尾水管前部和尾水管后部均开设有用于连接管道法兰的第四预留孔，所述尾水管前部和尾水管后部通过有机玻璃胶结剂连接。

本发明还提供了一种水泵水轮机可视化试验系统实验方法，包括上述的一种水泵水轮机可视化试验系统，还包括泵工况下的各项试验步骤为：

S1：打开供水管的阀门，使水进入汽蚀罐内，此时，处于全关状态的阀门有第七球阀、第五球阀、第四球阀；处于全开状态的阀门有第二球阀、第三球阀；第一球阀的启闭根据空化实验的需要确定；

S2：当汽蚀罐内的水位与实验装置的转轮水位齐平时，关闭供水管路的阀门，启动电机以传递力矩驱动转轮旋转；

S3：水流由地下储水库进入汽蚀罐内，在转轮的作用下经过实验装置到达压力罐，再经回水管路回到汽蚀罐，以此循环；

S4：当水流稳定循环时，流量大小由电磁流量计记录，并通过调节第六球阀以改变流量大小满足包括PIV试验在内的各项试验需要。

在本发明的一实施例中，还包括水轮机工况下的实验步骤；

S1：打开供水管路的阀门，使水进入汽蚀罐内。此时，处于全关状态的阀门有第二球阀、第六球阀；处于全开状态的阀门有第七球阀、第五球阀、第四球阀；

S2：水流由地下储水库进入汽蚀罐内，在供水泵的作用下进入压力罐内，此时，打开压力罐侧的排气阀以平衡多余气压；

S3：水流从压力罐开始，流经实验装置回到汽蚀罐内，以此循环；

S4：当水流稳定后，流量大小由电磁流量计记录，并通过调节第三球阀以改变流量大小满足包括PIV试验在内的各项试验需要。

本发明实施例的技术方案至少具有如下优点和有益效果：

1.采用本发明的上述结构和方法，主要包括了汽蚀罐、真空泵、压力罐、供水泵和用于水泵水轮机实验的实验装置，其次在实验装置中创新性的提出了包括蜗壳组件、固定导叶、活动导叶、转轮组件、尾水管组件几部分组件各自及连接方式及其之间的连接方式，并采用全流道有机玻璃作为材料在五轴加工机床进行加工，通过上述结构结合对应的阀门开闭顺序，相比现有技术更加的合理，所得到的实验数据更加准确。

2.发明基于传统水泵水轮机全特性实验的试验台要求，在关键的试验段采用了高透明的有机玻璃制作，可以在满足全工况范围性能试验的要求下进行PIV试验。

3.PIV试验可对包括蜗壳等五大组件的全流道进行拍摄，而传统的流体机械仅有部分区域为高透明区；如此一来，有助于在实验层面研究不同组件流道之间的耦合作用，突破传统研究中无法对全流场进行实验观测的瓶颈。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明中水泵水轮机闭式循环可视化试验装置整体的结构示意图。

图2为本发明中水泵水轮机可视化模型蜗壳装置的结构示意图。

图3为本发明中水泵水轮机可视化模型固定导叶、活动导叶装置的结构示意图。

图4为本发明中水泵水轮机可视化模型转轮组件装置的结构示意图。

图5为本发明中水泵水轮机可视化模型尾水管组件装置的结构示意图。

图6为本发明中水泵水轮机可视化模型试验段装置的正三轴测图。

图标：1-汽蚀罐，2-第一球阀，3-真空泵，4-供水管，5-实验装置，6-第二球阀，7-第七球阀，8-第六球阀，9-第五球阀，11-电磁流量计，12-回水管路，13-供水泵，14-压力罐，15-第三球阀，16-第四球阀，17-上蜗壳，18-下蜗壳，19-密封圈预留槽，20-导叶放置槽，22-机械密封压盖，23-第三预留孔，24-第二预留孔，25-第一预留孔，26-上活动导叶，27-上固定导叶，28-下活动导叶，29-下固定导叶，30-转轮上冠，31-转轮叶片，32-转轮下环，36-尾水管前部，37-尾水管后部，39-电机主轴，40-电机支撑架，41-蜗壳组件，42-尾水管组件。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

请参照图1-图6，一种水泵水轮机可视化试验系统，包括汽蚀罐1、真空泵3、压力罐14、供水泵13和用于水泵水轮机实验的实验装置5；真空泵3通过第一球阀2与汽蚀罐1连接，汽蚀罐1通过第二球阀6和回水管路12与压力罐14连接，压力罐14一端通过第三球阀15与实验装置5连接，另一端通过第四球阀16与供水泵13连接，供水泵13通过第五球阀9和第六球阀8与实验装置5连接；第五球阀9与第六球阀8之间设置有用于与汽蚀罐1连接的第一支路，第六球阀8与实验装置5之间设置有用于与汽蚀罐1连接的第二支路，第二支路上设置有第七球阀7。

其中，实验装置5为满足PIV试验的需要，均采用有机玻璃，在汽蚀罐1处设置了真空泵3，提高汽蚀罐1的真空度以逐渐降低水泵工况进口的压力至某一选定压力点。第一球阀2、第二球阀6、第四球阀16和第七球阀7为手动球阀，第三球阀15、第五球阀9和第六球阀8为电磁球阀。

本发明的一个实例性实施方式，所述实验装置包括发电电动机、电机主轴39、电机支撑架40、蜗壳组件41、上导叶组件、下导叶组件、转轮组件和尾水管组件42；

所述电机支撑架40与尾水管组件42分别设置于所述蜗壳组件41上下两侧，所述发电电动机设置于所述电机支撑架40上，并与所述电机主轴39连接；还包括设置于所述蜗壳组件41的腔体内的上导叶组件、下导叶组件和转轮组件。

其中，蜗壳组件41、上导叶组件、下导叶组件、转轮组件和尾水管组件42均采用有机玻璃材质。

在本发明的一实施例中，蜗壳组件41包括上蜗壳17和下蜗壳18，上蜗壳17和下蜗壳18通过第一预留孔25连接；上蜗壳17设置有用于电机支撑架连接的第二预留孔24和用于机械密封压盖22连接的第三预留孔23，电机主轴通过机械密封压盖22与上蜗壳17连接；下蜗壳18设置有导叶放置槽20和设置于导叶放置槽20边缘的密封圈预留槽19。

具体的，蜗壳组件41及尾水管组件42采用中轴面切分方式加工，切分后的两部分采用螺栓连接或专用有机玻璃胶结剂胶结，其中采用螺栓连接方式的蜗壳组件部分预留凹槽采用止水环密封止水。

为便于替换实验装置5内部的导叶组件及转轮组件，其中上蜗壳17与下蜗壳18通过第一以螺栓连接的方式固定；为实现蜗壳交界面的密封，设置了密封圈预留槽19，在固定前，将密封圈嵌入密封圈预留槽19；为实现机械密封装置的合理放置，设置了带台阶的电机主轴及机械密封预留区域、机械密封压盖22和第三预留孔23，可实现机械密封紧固以降低机械损失和容积损失；为实现电机“中对中”方式连接蜗壳，设计了用于电机支撑架连接的第二预留孔24。

在本发明的一实施例中，蜗壳组件内设置有上导叶组件和下导叶组件，上导叶组件和下导叶组件嵌合连接。

上导叶组件包括上活动导叶26和上固定导叶27，下导叶组件包括下活动导叶28和下固定导叶29，上固定导叶27套设于上活动导叶26外部，下固定导叶29设于下活动导叶28外部，其中下固定导叶29上可嵌入上固定导叶27预留的导叶凹槽。

在本发明的一实施例中，还包括转轮组件，转轮组件包括转轮上冠30、转轮叶片31和转轮下环32，转轮叶片31设置于转轮上冠30与转轮下环32之间。

电机主轴的一侧设置有高速相机和激光发射器，目的在于，流场分析：通过PIV实验可以获取流体机械内部的流场信息，包括空化气泡、掺气泡、流速、流动方向、涡旋等。这些信息对于分析流体机械内部流动状态、优化设计极为重要。

流动特性研究：PIV实验可以帮助研究人员深入了解流体机械内部的流动特性，如湍流、空化、叶道涡等。通过对流动特性的研究，可以优化流体机械的设计，提高其性能和效率。

仿真验证：PIV实验可以用于验证数值模拟结果的准确性和可靠性。通过将实验结果与数值模拟结果进行对比，可评估数值模拟的精度，并对模型进行修正和改进。

另外，不仅设置在电机主轴侧，由于全流道都采用了有机玻璃，故可对全流道均可进行可视化实验。

所述尾水管组件42包括尾水管前部36和尾水管后部37，所述尾水管前部36和尾水管后部37均开设有用于连接管道法兰的第四预留孔，所述尾水管前部36和尾水管后部37通过有机玻璃胶结剂连接。

本发明还提供了一种水泵水轮机可视化试验系统实验方法，包括上述的一种水泵水轮机可视化试验系统，还包括泵工况下的各项试验步骤为：

S1：打开供水管4的阀门，使水进入汽蚀罐1内，此时，处于全关状态的阀门有第七球阀7、第五球阀9、第四球阀16；处于全开状态的阀门有第二球阀6、第三球阀15；第一球阀2的启闭根据空化实验的需要确定；

S2：当汽蚀罐1内的水位与实验装置5的转轮水位齐平时，关闭供水管4路的阀门，启动电机以传递力矩驱动转轮旋转；

S3：水流由地下储水库进入汽蚀罐1内，在转轮的作用下经过实验装置5到达压力罐14，再经回水管路12回到汽蚀罐1，以此循环；

S4：当水流稳定循环时，流量大小由电磁流量计11记录，并通过调节第六球阀8以改变流量大小满足包括PIV试验在内的各项试验需要。

在本发明的一实施例中，还包括水轮机工况下的实验步骤；

S1：打开供水管4路的阀门，使水进入汽蚀罐1内。此时，处于全关状态的阀门有第二球阀6、第六球阀8；处于全开状态的阀门有第七球阀7、第五球阀9、第四球阀16；

S2：水流由地下储水库进入汽蚀罐1内，在供水泵13的作用下进入压力罐14内，此时，打开压力罐14侧的排气阀以平衡多余气压；

S3：水流从压力罐14开始，流经实验装置5回到汽蚀罐1内，以此循环；

S4：当水流稳定后，流量大小由电磁流量计11记录，并通过调节第三球阀15以改变流量大小满足包括PIV试验在内的各项试验需要。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。