CN106370412B - 一种涡轮实验台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种涡轮实验台，包括涡轮测试装置和数据采集系统，所述涡轮测试装置从上至下依次设置有第一驱动机构、涡轮测试机构和第二驱动机构，所述涡轮测试机构通过涡轮安装轴分别与第一驱动机构和第二驱动机构连接。本实验台装配简单，可用于在不同流体介质中测量单涡轮、多级涡轮、对转涡轮性能、涡轮的随动性能及涡轮旋转对流场的影响。

Description

一种涡轮实验台

技术领域

本发明涉及涡轮测试技术领域，具体涉及一种涡轮实验台。

背景技术

目前，涡轮作为一种重要的流体动力学部件，可在空气流、水流、泥浆流等流体介质的能量驱动下发生旋转，进而将流体的能量转换为机械能。常见的涡轮有涡轮发动机、水轮机、风力发电机、涡轮钻具定转子等，在航空航天工程、水力电力工程、船舶汽车工业、石油钻采工业等领域具有广泛的应用。涡轮加工的精度、选用的材质等多种影响因素均会对涡轮的性能产生影响，但对涡轮性能起到决定性作用的影响因素是涡轮的几何形状，包括涡轮的径向尺寸、几何结构参数、叶片的型线、叶片的间隙尺寸等，因此，涡轮的设计是一件十分复杂的事情，往往需要进行反复的性能测试和参数调整才能获得一款性能优异的涡轮。近些年，随着计算机辅助设计技术(CAD)及计算机模拟仿真技术(CFD)的飞速发展，涡轮的设计能力有了飞速的提升，涡轮的设计技术已由圆弧线和双曲螺线组合、抛物线和圆弧线组合、圆弧线或抛物线单一组合造型等传统方法的基础上发展为四阶样条、三次多项式、五次多项式、Bezier曲线等新方法，这类方法设计的涡轮型线具有连续的三阶导数，满足了叶片进、出口角以及叶片流道连续收缩的要求，避免了无连续导数叶型曲线造成的流体速度和压力的突变，提升了涡轮的流体力学特性。尽管涡轮的设计能力大大提升，但也使得涡轮的几何形状也随之更为复杂，所需控制的参数也随之大大增加。因此，如何快速有效地对涡轮的性能进行测试与评定，验证计算机模拟仿真技术对涡轮性能的预测，进而对涡轮设计参数的做出进一步的调整和优化，并有效地减少涡轮设计研发成本和周期，开发一种便捷高效的涡轮性能测试验证试验台便具有重要的现实意义。

目前，国内外拥有各种类型的涡轮试验台，覆盖范围较广，设计水轮机测试、航空发动机测试、汽车涡轮增压器测试等等，均具有较强的专业性和单一性，虽然可以获得详细的具有针对性的测试数据，但不具有互换性，不可对不同类型涡轮零部件的性能进行测试，且使用流体单一，仅可在单一的气体或液体介质条件下对涡轮进行测试。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种涡轮实验台，其可以实现单一涡轮实验台上，利用不同流体介质中对不同类型涡轮的性能进行测试，不仅可获得单或多级涡轮的扭矩、转速等常规性能，而且可以测量出涡轮旋转对其周围流体围压的影响，还可以对涡轮的随动性能进行测量，实现对涡轮部件可用性、设计模型合理性、仿真预测准确性的评测，为涡轮设计与优化提供依据。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种涡轮实验台，包括涡轮测试装置，所述涡轮测试装置包括从上至下依次设置的第一驱动机构、涡轮测试机构和第二驱动机构；

所述涡轮测试机构包括流体进口、上套筒、涡轮套筒、下套筒和流体出口，所述流体进口、上套筒、涡轮套筒、下套筒和流体出口相互连接形成一流体通道，所述涡轮能够通过涡轮安装轴分别与第一驱动机构和第二驱动机构连接；

所述涡轮实验台还包括用于采集涡轮工作状态数据的数据采集系统。

进一步，所述涡轮安装轴包括上涡轮安装轴和下涡轮安装轴，所述涡轮的一端通过上涡轮安装轴与第一驱动机构连接，所述涡轮的另一端通过下涡轮安装轴与第二驱动机构连接。

进一步，所述涡轮测试装置还设置有机架，所述机架上设置有第一横支撑板和第二横支撑板，所述第一横支撑板上设置有上端面座，所述第二横支撑板上设置有下端面座，所述上套筒与上端面座固定连接，所述下套筒与下端面座固定连接。

进一步，所述上套筒内设置有整流板，以利于在涡轮测试时获得均匀稳定的内部流场。

进一步，所述上端面座与下端面座上均设置有机床中心架，用于调整流体通道的轴向位置，保证涡轮安装轴与电机轴的轴向同心度，以便于涡轮测试装置的组装和调试，避免了轴向位置偏差导致测试数据不可靠的情况发生。

进一步，所述流体进口处设置有进口压力传感器，所述流体出口处设置有出口压力传感器和控制阀，用于测量进口和出口的流体压力差值，进而可利用流体力学计算出涡轮旋转所消耗的流体能量，对涡轮的效率进行评价。

进一步，所述涡轮处设置有环形排布压力传感器，所述环形排布压力传感器安装在与涡轮对应的涡轮套筒上，可用于测量涡轮旋转对周围流场的压力影响。

进一步，所述第一驱动结构包括上部电机和第一联轴器，所述上部电机通过第一联轴器与上涡轮安装轴连接，所述上涡轮安装轴穿过上端面座并与其轴承连接；

所述第一联轴器设置有上部转扭传感器，用于测试涡轮转动的扭矩和转速。

进一步，所述第二驱动结构包括下部电机和第二联轴器，所述下部电机通过第二联轴器与下涡轮安装轴连接，所述下涡轮安装轴穿过下端面座并与其轴承连接；

所述第二联轴器设置有下部转扭传感器，用于测试涡轮转动的扭矩和转速。

进一步，所述上涡轮安装轴与上端面座连接处设置有密封盖，所述下涡轮安装轴与下端面座连接处设置有密封盖。

进一步，上涡轮安装轴上设置有盘阀或喷嘴，可用于测试涡轮的随动性。

进一步，所述流体进口与上套筒之间、所述上套筒与涡轮套筒之间、所述涡轮套筒与下套筒之间、以及所述下套筒与流体出口之间均设置有密封圈，用于保证流体通道与外界隔离，形成密闭空间。

本发明的有益效果如下：

1、本发明提供了一种涡轮实验台，设计简单，安装方便，测试方式灵活多样，可测试不同流场中单涡轮、多级涡轮、对转涡轮、涡轮随动性等性能，还可用于评价涡轮转动对周边流场的影响。该测试装置可实现数据动态采集和记录，便于后续对涡轮力学理论的分析及涡轮设计模型的优化，还可为计算机仿真模拟对涡轮性能的预测进行实验验证，进而对仿真模拟的参数及算法进行调整，缩短涡轮研发和设计的周期，降低成本。

2、本发明的涡轮安装轴与涡轮键连接或过盈方式配合，在驱动机构的带动下，对涡轮性能进行测试，其操作方便，结构简单，通过涡轮安装轴实现对单涡轮、多级涡轮和对转涡轮的性能测试。

3、本发明的上涡轮安装轴设置有盘阀或喷嘴，可以改变流体在涡轮上的流动状态，进而对涡轮的随动性能进行测试。

附图说明

图1为本发明实施例提供的涡轮实验台的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的涡轮实验台电控部分的结构示意图；

图中：1—上部电机，2—第一联轴器，3—上部转扭传感器，4—密封盖，5—上端面座，6—上涡轮安装轴，7—上套筒，8—涡轮套筒，9—下套筒，10—下端面座，11下部转扭传感器，12—下部电机，13—第四支架，14—第二联轴器，15—第三支架，16—机床中心架，17—流体出口，18—控制阀，19—出口压力传感器，20—环形排布压力传感器，21—涡轮，22—进口压力传感器，23—流体进口，24—整流板，25—机架，26—下涡轮安装轴，27—第一支架，28—第二支架。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。

如图1和图2所示，一种涡轮实验台，包括涡轮测试装置、数据采集系统。所述数据采集系统用于采集涡轮测试装置的数据，所述涡轮测试装置从上至下依次设置有第一驱动机构、涡轮测试机构和第二驱动机构；所述涡轮测试机构包括涡轮21、流体进口23、上套筒7、涡轮套筒8、下套筒9和流体出口17，所述流体进口23、上套筒7、涡轮套筒8、下套筒9和流体出口17相互连接形成一流体通道，所述流体进口23与上套筒7之间、所述上套筒7与涡轮套筒8之间、所述涡轮套筒8与下套筒9之间、以及所述下套筒9与流体出口17之间均设置有密封圈，用于保证流体通道与外界隔离，形成密闭空间；所述涡轮21位于涡轮套筒8内，所述涡轮8通过涡轮安装轴分别与第一驱动机构和第二驱动机构连接，而涡轮安装轴与涡轮键连接或过盈方式配合，所述涡轮安装轴包括上涡轮安装轴6和下涡轮安装轴26，所述涡轮21的一端通过上涡轮安装轴6与第一驱动机构连接，所述涡轮21的另一端通过下涡轮安装轴26与第二驱动机构连接。

所述涡轮测试装置还设置有机架25，所述机架25上设置有第一横支撑板和第二横支撑板，所述第一横支撑板上设置有上端面座5，所述第二横支撑板上设置有下端面座10，所述上套筒7与上端面座5固定连接，所述下套筒9与下端面座10固定连接。所述上端面座5与下端面座10上均设置有机床中心架16，用于调整流体通道的轴向位置，保证涡轮安装轴与电机轴的轴向同心度，以便于涡轮测试装置的组装和调试，避免了轴向位置偏差导致测试数据不可靠的情况发生。

所述上套筒7内设置有整流板24，以利于在涡轮测试时获得均匀稳定的内部流场。作为数据采集系统的一部分，所述流体进口23处设置有进口压力传感器22，所述流体出口17处设置有出口压力传感器19和控制阀18，用于测量进口和出口的流体压力差值，进而可利用流体力学计算出涡轮旋转所消耗的流体能量，对涡轮的效率进行评价。进一步地，数据采集系统还包括位于所述涡轮21处设置的环形排布压力传感器20，所述环形排布压力传感器20安装在与涡轮21对应的涡轮套筒8上，可用于测量涡轮旋转对周围流场的压力影响。

所述第一驱动结构包括上部电机1和第一联轴器2，所述上部电机1通过第一联轴器2与上涡轮安装轴6连接，所述上涡轮安装轴6穿过上端面座5并依靠角接触球与上端面座5轴承连接，保证涡轮安装轴可自由转动，用以传递转速和扭矩，所述上涡轮安装轴6与上端面座5连接处设置有密封盖。所述第一联轴器2设置有上部转扭传感器3，用于测试涡轮转动的扭矩和转速。所述上部电机1通过第一支架27固定安装在机架25上，所述第一联轴器2通过第二支架28固定安装在机架25上。

所述第二驱动结构包括下部电机12和第二联轴器14，所述下部电机12通过第二联轴器14与下涡轮安装轴26连接，所述下涡轮安装轴26穿过下端面座10并依靠角接触球与下端面座10轴承连接，保证涡轮安装轴可自由转动，用以传递转速和扭矩，所述下涡轮安装轴26与下端面座10连接处设置有密封盖。所述第二联轴器14设置有下部转扭传感器11，用于测试涡轮转动的扭矩和转速，所述下部电机12通过第四支架13固定安装在机架25上，所述第二联轴器14通过第三支架15固定安装在机架25上。本发明的涡轮实验台的上部电机1和下部电机12、转扭传感器利用支架与实验台机架固定，实验部分的重量由横支撑板承担，不会对电机的旋转造成影响。

如图2所示，涡轮实验台的上部电机1和下部电机12分别与上变频器和下变频器相连，用于控制电机转速和方向，进而驱动涡轮安装轴及涡轮按照既定要求运转，可实现涡轮同向转动、相对转动、相对静止等运动状态。涡轮安装轴可安装单个涡轮、多级涡轮、对转涡轮等形式，还可在上涡轮安装轴的涡轮安装位安装喷嘴或盘阀等部件，用于改变流体运动方式，测量局部受到流体冲击时单涡轮或多级涡轮的性能，并可在上部电机1的辅助下，对涡轮的随动性能进行评测。涡轮转动的扭矩和转速可通过上部、下部两个转扭传感器获得，两个传感器信号的相位差可用来反应涡轮的随动性。流体进口可与气泵、水泵、泥浆泵等连接，按照要求选取不同的实验流体介质，用以测量涡轮在空气流、水流、泥浆流等流场中的性能表现。流体进口23、流体出口17均安装有压力传感器，用以测量流体进口及出口处的流体压力，加之流体进出口直径、泵压及泵量、涡轮扭矩、涡轮转速等参数，即可通过计算对涡轮的转换效率和实际表现进行评估。涡轮安装位置处可按照实验要求安装单层或多层环形排布压力传感器20，其压力信号可以反映出单级或多级涡轮旋转对流场产生的影响。涡轮实验台的所有传感器均通过由数据采集卡、数据记录仪等组成的数据采集系统进行实时采集，并存储于数据存储分析系统，以便于后续理论分析及论证。

实施例一：

单涡轮在不同流场下的性能：选择合适的流体泵作为流体源，保持上部电机1处于不工作状态，以下部电机12作为负载电机，在下涡轮安装轴26上安装单涡轮，选择不同泵压、泵流量、规定量程的传感器，即可对单个涡轮在流场中的性能进行测试，该测试模式适用于随钻测量用井下发电涡轮、汽车发动机用增压涡轮等涡轮零部件性能的测试。

实施例二：

多级涡轮在不同流场下的性能：保持上部电机1处于不工作状态，一下部电机12作为负载电机，在下涡轮安装轴26上安装多级涡轮，通过不同实验参数和规定量程传感器的的选择，即可测量多级涡轮在流体中的性能测试，该测试模式适用于测试单级配套涡轮钻具定转子及多级涡轮定转子性能的测试。事实上，多级涡轮定转子性能并非是单级涡轮定转子性能的简单叠加，各级涡轮之间存在相互影响，其对流场的影响也与单级涡轮存在差别，使用该涡轮实验台可方便地对上述影响进行研究。

实施例三：

对转涡轮：以上部电机1、下部电机12均作为负载电机使用，对转涡轮的两部分分别安装于上涡轮安装轴6和下涡轮安装轴26上，选择不同流体介质、试验参数，配合适宜量程的传感器，即可测试对转涡轮的流体力学性能。

实施例四：

涡轮随动性：以下部电机12作为负载电机，并在下涡轮安装轴26上安装待测试涡轮，以上部电机1作为控制电机，调整上变频器以控制上部涡轮安装轴6的转速，在上涡轮安装轴6上盘阀或喷嘴，以改变流体在涡轮上部的流动状态。盘阀或喷嘴可随上部电机同步转动，流体通过盘阀或喷嘴中流出，驱动涡轮旋转。该测试模式中涡轮仅局部位置受到流体冲击，其上部盘阀或喷嘴中的流体流出位置随旋转而改变，涡轮随着上部盘阀或喷嘴的位置改变而随之运动，但存在一定的滞后，其随动性能可通过上下转扭传感器输出信号的相位差反应。

配合3D打印技术使用，涡轮性能的影响因素包括涡轮材质、涡轮几何模型等，其中涡轮几何模型对涡轮性能的影响作用最为重要。随着3D打印技术的发展，现在已经可以制备具有复杂几何模型的塑料涡轮模型，可用于涡轮几何模型的测试，以减少传统铸造金属涡轮高昂的一次性模具开模费用的浪费。该涡轮实验台配合3D打印涡轮模型，可快捷方便地获取涡轮的实验数据，方便对涡轮几何模型进行调整和优化，并验证计算机模拟仿真技术对涡轮性能的预测，以便对模拟仿真的参数进行调整。故而，该涡轮实验台可有效地辅助涡轮的设计研发，缩短研发周期，有效降低涡轮的开发成本。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (8)

1.一种涡轮实验台，其特征在于，包括涡轮测试装置，所述涡轮测试装置包括从上至下依次设置的第一驱动机构、涡轮测试机构和第二驱动机构；

所述涡轮测试机构包括流体进口、上套筒、涡轮套筒、下套筒和流体出口，所述流体进口、上套筒、涡轮套筒、下套筒和流体出口相互连接形成一流体通道，所述涡轮能够通过涡轮安装轴分别与第一驱动机构和第二驱动机构连接；

所述涡轮实验台还包括用于采集涡轮工作状态数据的数据采集系统；

所述涡轮安装轴包括上涡轮安装轴和下涡轮安装轴，所述涡轮的一端通过上涡轮安装轴与第一驱动机构连接，所述涡轮的另一端通过下涡轮安装轴与第二驱动机构连接；

所述第一驱动机构用于驱动所述上涡轮安装轴转动，所述第二驱动机构用于驱动所述下涡轮安装轴转动。

2.如权利要求1所述的一种涡轮实验台，其特征在于，所述涡轮测试装置还设置有机架，所述机架上设置有第一横支撑板和第二横支撑板，所述第一横支撑板上设置有上端面座，所述第二横支撑板上设置有下端面座，所述上套筒与上端面座固定连接，所述下套筒与下端面座固定连接。

3.如权利要求2所述的一种涡轮实验台，其特征在于，所述上套筒内设置有整流板。

4.如权利要求2所述的一种涡轮实验台，其特征在于，所述上端面座与下端面座上均设置有机床中心架，用于调整流体通道的轴向位置。

5.如权利要求1所述的一种涡轮实验台，其特征在于，所述数据采集系统包括在流体进口处设置的进口压力传感器和所述流体出口处设置的出口压力传感器以及控制阀，用于测量进口和出口的流体压力。

6.如权利要求1所述的一种涡轮实验台，其特征在于，所述数据采集系统包括在所述涡轮处设置的环形排布压力传感器，所述环形排布压力传感器安装在与涡轮对应的涡轮套筒上。

7.如权利要求2所述的一种涡轮实验台，其特征在于，所述第一驱动结构包括上部电机和第一联轴器，所述上部电机通过第一联轴器与上涡轮安装轴连接，所述上涡轮安装轴穿过上端面座并与其轴承连接；

所述数据采集系统包括设置在上涡轮安装轴和上部电机之间的上部转扭传感器，用于测试涡轮转动的扭矩和转速；

所述第二驱动结构包括下部电机和第二联轴器，所述下部电机通过第二联轴器与下涡轮安装轴连接，所述下涡轮安装轴穿过下端面座并与其轴承连接；

所述数据采集系统包括设置在下涡轮安装轴和下部电机之间的下部转扭传感器，用于测试涡轮转动的扭矩和转速。

8.如权利要求7所述的一种涡轮实验台，其特征在于，所述上涡轮安装轴与上端面座连接处设置有密封盖，所述下涡轮安装轴与下端面座连接处设置有密封盖。