CN102808784A

CN102808784A - 水泵水力模型试验装置

Info

Publication number: CN102808784A
Application number: CN2012103060842A
Authority: CN
Inventors: 蔡龙; 李梦启; 贾岩巍; 张丽平; 杨立峰
Original assignee: Harbin Electric Power Equipment Co Ltd
Current assignee: Harbin Electric Power Equipment Co Ltd
Priority date: 2012-08-27
Filing date: 2012-08-27
Publication date: 2012-12-05
Anticipated expiration: 2032-08-27
Also published as: CN102808784B

Abstract

本发明涉及一种水泵水力模型试验装置，该测试装置由进水段、泵体、叶轮、叶轮螺母、球轴承、导叶、叶轮罩、泵轴、机械密封、双列向心推力球轴承、轴承悬架、轴承支架、径向悬臂测力装置和轴向测力环组成，该装置能够完成效率试验、汽蚀试验、飞逸转速试验、压力脉动试验、全特性试验、轴向力测量试验以及径向力测量试验，其中水力机械的全特性曲线是进行水力过渡过程分析、安全保护措施研究和系统优化设计的重要技术依据。

Description

水泵水力模型试验装置

技术领域：本发明涉及水泵水力模型试验装置结构。

背景技术：水力模型试验为在模型中重演（或预演）与原型相似的水流现象以观测分析研究水流运动规律的手段，当原型水流由于各种原因不能直接进行量测，普遍的理论模式和简单概化的实验又不能反映复杂的水流情况时，就须制作专门的模型，进行试验，19世纪末开始了近代的有科学依据的模型试验，20世纪得到长足的发展和广泛的应用。水力模型试验所有试验项目须在同一个试验台上和同一个模型装置上进行，目前水泵装置试验一般要求为效率试验、汽蚀试验、飞逸特性试验、压力脉动试验和力特性试验。水泵的全特性是基于外特性理论计算水泵站过渡过程不可缺少的原始资料之一，水泵全特性曲线是进行泵供水系统水力过渡过程分析、安全保护措施研究和泵供水系统优化设计的重要技术依据，水泵全特性试验条件十分复杂，获取难度大，现有资料非常有限。

发明内容：本发明的目的是提供测试水力模型效率试验、汽蚀试验、压力脉动试验、全特性试验及力特性试验的试验装置，以测试水泵水力模型的各项水力性能。

本发明的技术方案为：

水泵水力模型试验装置：试验装置为卧式，由进水段（1）、泵体（2）、叶轮（3）、叶轮螺母（4）球轴承（5）、导叶（6）、叶轮罩（7）、泵轴（8）、机械密封（9）、双列向心推力球轴承（10）、轴承悬架（11）、轴承支架（12）、径向悬臂测力装置（13）和轴向测力环（14）组成，泵体（2）为环形压水室结构，叶轮罩（7）位于泵体（2）环形压水室入口，叶轮罩（7）被进水段（1）压紧固定，叶轮（3）安装在泵轴（8）的一端并且用叶轮螺母（4）锁紧，叶轮（3）位于叶轮罩内（7），叶轮（3）后部泵轴（8）上依次套装固定球轴承（5）以及径向测力装置（13），导叶（6）紧靠叶轮（3）出口，作为叶轮（3）与泵体（2）环形压水室间的过渡装置，泵轴（8）中段布置机械密封圈（9），轴承悬架（11）与泵体（2）连接，轴承悬架（11）由泵轴（8）另一端的轴承支架（12）支撑，对应轴承支架（12）支撑位置的轴承悬架（11）内设置双列向心推力球轴承（10），轴承两侧布置轴向测力环（14）以测试轴向力。

本装置的工作原理为：

水泵水力模型试验装置，泵轴（8）的一侧通过扭矩仪与电机轴相连，测量电机传递到泵轴上的扭矩和轴的转速。叶轮（3）安装在泵轴的另一侧，随着泵轴（8）旋转。水经进水段（1）进入泵体，经由叶轮（3）旋转后加速升压，并流经导叶、泵体的环形压水室后流出。在叶轮和导叶之间，考虑由于液体的动静干涉作用，压力的脉动较大，故设置压力脉动测点；另外一个压力脉动测点设置在泵体的环形压水室上，提供测量压力脉动的连接接口。叶轮（3）后侧泵轴上安装球轴承（5），其采用悬臂梁金属弹性材料结构元件的径向悬臂测力装置（13）支撑，其弯曲微变形与径向力成正比，测量水流过叶轮对转子产生的径向力。泵轴（8）中段布置机械密封（9），主要由动环（随泵轴一起旋转）、静环（固定在导叶上）、压紧弹簧和密封胶圈等组成。动环光洁的端面靠弹簧和水的压力紧密贴合在静环光洁端面上而形成径向密封，同时由密封胶圈完成轴向密封。轴承悬架（11）与泵体（2）连接，并靠泵轴（8）另一端的轴承支架（12）支撑，对应轴承支架（12）支撑位置的轴承悬架（11）内设置双列向心推力球轴承(10)，在轴承两侧布置轴向测力环(14),叶轮（2）工作时产生的轴向力通过泵轴（8）传递给轴向测力环(14)，根据轴向测力环(14)受力后的变形测轴向力。

本发明的技术优点是：

1.试验表明通常采用两个背对背推力轴承载荷太大，对心效果差，轴承温升过高，不利于测力环系统工作。本发明采用了双列向心推力球轴承承载转子的轴向力，轴系运转较为平稳。

2.在双列向心推力球轴承两侧布置测力环，在测力环外表面180度方向粘贴并封装T形应变片，组成测力桥，以测试因叶轮升压作用而产生的轴向水推力，如图2所示。

3.为了轴系的可靠运转，本发明叶轮后侧泵轴上安装球轴承，其采用悬臂梁金属弹性材料结构元件径向悬臂测力装置支撑，在悬臂梁内、外壁面，各粘贴两只平行应变片，形成全桥测量电路，分别测量互相垂直两个方向力，如图3所示。

4.进口段采用有机玻璃材料，便于观察叶轮内水的流态，采用频闪仪等设备即可观察液体的流动状态及初生汽蚀时的现象。

附图说明：

图1为本发明测试装置结构示意图

图2轴向力测试装置示意图

图3为径向力测试装置示意图

图4为表1

具体实施方式：

如图1所示的本发明为一种水泵水力模型试验装置，试验装置为卧式，由进水段1、泵体2、叶轮3、叶轮螺母4球轴承5、导叶6、叶轮罩7、泵轴8、机械密封9、双列向心推力球轴承10、轴承悬架11、轴承支架12、径向悬臂测力装置13和轴向测力环14组成，泵体2为环形压水室结构，叶轮罩7位于泵体2环形压水室入口，叶轮罩7被进水段1压紧固定，叶轮3安装在泵轴8的一端并且用叶轮螺母4锁紧，叶轮3位于叶轮罩内7，叶轮3后部泵轴8上依次套装固定球轴承5以及径向测力装置13，导叶6紧靠叶轮3出口，作为叶轮3与泵体2环形压水室间的过渡装置，泵轴8中段布置机械密封圈9，轴承悬架11与泵体2连接，轴承悬架11由泵轴8另一端的轴承支架12支撑，对应轴承支架12支撑位置的轴承悬架11内设置双列向心推力球轴承10，轴承两侧布置轴向测力环14以测试轴向力。

本发明应用的补充说明：

本使用新型结合水力模型试验台，完成性能测试及数据分析工作。

1)效率试验：

（1）在效率试验前，模型泵在额定工况点运转30分钟以上，排除循环系统中游离气体，其间应检查泵的轴承、密封、噪声和振动状况，性能试验应在无空化条件下进行，

（2）试验工况稳定后试验系统在无任何人为干扰条件下连续进行三次测试，每次测试时间为30秒，三次测试效率最大值与最小值之差应小于0.3％，否则需重新进行测试，取三次测量的中间值作为最后测试结果，试验流量由大到小顺序进行，试验从大流量点开始，一直进行至零流量结束，水泵空载机械损失转矩在带转轮、泵轴系在空气中旋转条件下进行测试，

（3）效率计算公式：η＝P_水/P_轴＝r×Q_M×H_M/（M×ω）

＝30×r×Q_M×H_M/π×M×n

式中：

P_水：模型泵的水力功率 kW

P_轴：模型泵轴的输入功率 kW

Q_M：通过模型泵的流量 m³/s

H_M：模型泵的扬程 m

R：水的重度 N/m³

M：模型泵轴传递的力矩 N·m

ω：模型泵轴旋转角速度 rad/s

n：模型泵的试验转速 r/min

2)汽蚀试验：

（1）系统封闭后，在进口水箱真空度低于4m条件下运行20min，开始汽蚀试验，从进水段可观察水流在叶轮叶片处流动状态，

（2）第一个试验点在无汽蚀情况下进行，完成第一个点测试后抽真空逐渐加大真空度，试验过程中保持试验转速恒定，辅助泵转速或截止阀开度恒定，逐渐降低试验系统的汽蚀余量，在汽蚀试验曲线发生转折的区域应有较密集的试验点，效率下降足够后完成该工况点测试，在模型泵的工作范围内，至少应对包括小流量点、规定流量点及大流量点在内的每个水泵模型作5条汽蚀曲线，

（3）效率下降值以汽蚀试验的起始点为基准，取水泵效率下降1%时的汽蚀余量作为临界汽蚀余量，

（4）同时测取流量、扬程、转速、轴功率、进口真空度，绘制流量－汽蚀余量曲线，

（5）NPSH值计算公式：NPSH=H_t1+h_atm-h_va

NPSH：汽蚀余量 m

h_t1：进口总水头 m

h_atm：大气压力水头 m

h_va：汽化压力水头 m

3)飞逸转速：

飞逸特性试验是测定模型泵在反转（水轮机旋转方向）且轴扭矩为零时的转速，试验时采取辅助泵反向供水，将电机反转，测量轴扭矩为0时的转速值，

4)压力脉动试验：

测量采样频率2048HZ，记录时间20秒，为进行重复性分析每个稳定工况测量5次，试验结果采用97％置信度双幅值，

5)全特性试验：

通过调节试验回路中的阀门、辅助泵及电机转速，完成了水泵模型全部四个象限八个运行工况测试，分别为(A)正转水泵工况试验、(B)正转水泵逆流工况试验、(C)水轮机工况试验、(D)反转水泵负扬程工况试验、(E)反转水泵工况试验、(F)反转水泵逆流工况试验、(G)反转水轮机工况试验和(H)正转水泵负扬程工况试验。各工况参数特性见图4的表1。

四象限试验中，根据需要需对扬程传感器进行高、低压测点切换，调节辅助泵转速，应避开振动工况运行，每个工况的试验曲线都应包括足够多的试验点，以保证曲线的可靠性，

6)力特性测试：

测试设备采用应变仪、T形应变片、两点平行应变片、计算机数据采集系统，

测力元件上粘贴力测量应变片，采用聚氨酯橡胶进行防水封装，

轴向力测试：

在测力环外表面180度方向粘贴并封装T形应变花，组成测力桥，引线通过d=5mm孔从内部引出，力特性试验系统校正使用高精度称重传感器（精度0.1％)对轴向力测力系统进行原位校准，

轴向水推力（轴向力）试验应覆盖全部运行范围，在最小到最大流量间由足够的试验点来描述，

径向力测试：

在悬臂梁弹性感应元件互相垂直的两个方位，内、外壁面，各粘贴两只平行应变片，形成全桥测量电路，分别测量互相垂直两个方向力，用标准砝码对径向力测力系统进行原位校准，径向力的测量范围应覆盖所有主要的运行范围，在最小到最大流量间由足够的试验点来描述，以为确定真机最大的径向力作为重要参考。

Claims

1.一种水泵水力模型试验装置，其特征是：试验装置为卧式，由进水段（1）、泵体（2）、叶轮（3）、叶轮螺母（4）球轴承（5）、导叶（6）、叶轮罩（7）、泵轴（8）、机械密封（9）、双列向心推力球轴承（10）、轴承悬架（11）、轴承支架（12）、径向悬臂测力装置（13）和轴向测力环（14）组成，泵体（2）为环形压水室结构，叶轮罩（7）位于泵体（2）环形压水室入口，叶轮罩（7）被进水段（1）压紧固定，叶轮（3）安装在泵轴（8）的一端并且用叶轮螺母（4）锁紧，叶轮（3）位于叶轮罩内（7），叶轮（3）后部泵轴（8）上依次套装固定球轴承（5）以及径向测力装置（13），导叶（6）紧靠叶轮（3）出口，作为叶轮（3）与泵体（2）环形压水室间的过渡装置，泵轴（8）中段布置机械密封圈（9），轴承悬架（11）与泵体（2）连接，轴承悬架（11）由泵轴（8）另一端的轴承支架（12）支撑，对应轴承支架（12）支撑位置的轴承悬架（11）内设置双列向心推力球轴承（10），轴承两侧布置轴向测力环（14）以测试轴向力。