CN107631952A - 一种旋转圆盘空化空蚀实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋转圆盘空化空蚀实验装置及方法，包括水泵系统、测量装置系统、转盘室、电动机系统和供水系统，其中，水泵系统由供水泵以及循环水泵组成，为整个实验装置进行供水；测量装置系统由电磁流量计、转速测量仪、压力表和温度计组成，用来测量整个装置的流量、转速、压力、温度数据；转盘室由进水管，排水装置，前盖，空蚀试盘，阻流栅和电机轴组成，是空蚀现象发生的场所；电动机系统由电动机以及包含变频器的控制柜组成，为实验装置提供动力；供水系统由集水池和地下水库组成，保证实验装置的水系统的正常运行。本发明方便在实验室内对水力机械金属材料进行空化空蚀现象进行理论研究。

Description

一种旋转圆盘空化空蚀实验装置及方法

技术领域

本发明涉及一种旋转圆盘空化空蚀实验装置及方法，属于水力机械内的空化磨损技术领域。

背景技术

空化与空蚀是自然界中客观存在的一种物理现象，广泛存在于水力机械中。由于压力变化而导致的液流内空泡的产生、发展和溃灭过程以及由此产生的一系列物理和化学变化被称之为空化，当空化发生在固体表面，破坏固体材料就形成空蚀。空化在水轮机中发生的部位不同，有翼型空化、空腔空化和间隙空化等3种。水轮机的空化现象，导致水轮机一方面工作机件表面受到侵蚀和剥落，使水轮机过流部件形成麻点或蜂窝孔洞，严重时将使叶片破坏，以致转轮不能使用；另一方面引起机组振动，降低水轮机的效率和出力。随着现代水力机械向着大型化、高速化方向发展，空化空蚀越来越引起人们的关注，为预防水轮机等水力机械由于空化空蚀现象而发生重大事故，研究水力机械的空化空蚀并采取相关的防护措施十分必要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种旋转圆盘空化空蚀实验装置及方法，可以在不同压力、转速环境下，模拟旋转圆盘内部发生空化空蚀的具体位置以及发生空化的强度，为避免水力机械内部金属部件严重事故发生提供理论基础。

为解决上述技术问题，本发明提供一种旋转圆盘空化空蚀实验装置，包括水泵系统、测量装置系统、转盘室、电动机系统和供水系统；

所述水泵系统由供水泵和循环水泵组成；所述供水泵与地下水库连接，供水泵从地下水库吸水供给整个实验装置；供水泵与循环水泵通过阀门k1、k2连接，循环水泵用于水系统的循环，当供水泵关闭时，关闭阀门k1，打开阀门k2，由循环水泵为整个实验装置供水；

所述测量装置系统由电磁流量计、转速测量仪、压力表和温度计组成；所述电磁流量计位于转盘室前方管路，用于测量进入转盘室的流量；所述转速测量仪用来测量转盘室内空蚀试盘的转速；所述压力表安置于转盘室前端，用来测量转盘室的压力；所述温度计位于转盘室前方，用来测量进入转盘室的水的温度；

所述转盘室为一密封金属外壳，由进水管，排水装置，前盖，空蚀试盘，阻流栅和电机轴组成；在外壳前面为前盖，在前盖中心引入进水管，转盘室内通过螺栓固定放置空蚀试盘，空蚀试盘通过电机轴与电机相连，电机轴穿过转盘室背面；在空蚀试盘内前后各设计一个阻流栅；所述排水装置为，在转盘室背面边缘设四孔出水管，将这四孔出水管通过转盘排水管连接在一起进入汇流管进行排水，排进集水池；所述空蚀试盘直径为360mm，在空蚀试盘的圆周方向上均匀分布若干个空化源，所述空化源的圆心均匀分布在直径在300mm的圆周上，紧邻空化源放置圆形空蚀试件；

所述电动机系统由电动机以及包含变频器的控制柜组成；所述电动机通电后连接转盘室，通过电机轴带动空蚀试盘组转动，所述控制柜用于调节电动机，以此来改变空蚀试盘的转速；

所述供水系统由集水池和地下水库组成；所述集水池和转盘室内空蚀试盘通过阀门k4连接，用于收集转盘室内的水；所述集水池和地下水库通过阀门k5连接；所述转盘室排水装置的汇流管与地下水库通过阀门k6连接。

前述的前盖为透明有机玻璃。

前述的阻流栅由24片径向板组成。

前述的空化源为4~8个。

前述的空化源为直径为15mm的通孔；所述空蚀试件的直径为30mm。

前述的转盘室内的压力为一个大气压，由供水泵和转盘室之间的阀门 k3以及转盘室和集水池之间的阀门k4调节。

前述的电动机应在转盘室充满水后运转。

旋转圆盘空化空蚀实验装置的空化空蚀实验方法，包括以下步骤：

（1）确定需要空化空蚀的类型，确定供水泵出水压力p，确定空蚀试盘转速n；

（2）阀门开闭状态：打开阀门k1、k2、k3、k4；关闭阀门k5、k6；

（3）将空蚀试盘装入转盘室中，在相应位置安装好圆形空蚀试件，同时布置和安装用于信号的采集和处理的传感器；

（4）启动供水泵与变频器，通过供水泵为空蚀试盘所在转盘室供水；

（5）开启电动机，通过控制柜调整空蚀试盘转速，初始时，没有发生空化空蚀，为无空化试验工况，采集数据；当转速增加，转盘室内逐步开始发生空化，通过转盘室前盖观察或者借助闪频仪观察转盘室内空化源的发生和发展，记录下刚刚开始出现气泡时的转速以及相关测量参数；

步骤（6）实验结束，关闭电动机，关闭控制柜，关供水泵，打开阀门k6，将转盘室内水排至地下水库。

前述的步骤（5）中，空蚀试盘转速从0开始，每次递增200rpm，当开始产生气泡时，每次递增10rpm。

本发明的有益效果为：

本发明方便在实验室内对水力机械的空化空蚀进行理论研究，解决现场试验的困难。

本发明可以实现在不同水压、转速环境下，对水力机械空化空蚀试验，实验室方便观察。

附图说明

图1为本发明的旋转圆盘空化空蚀实验装置结构图；

图2为水泵系统和供水系统示意图；

图3为测量装置系统示意图；

图4为转盘室示意图；

图5为阻流栅示意图；

图6为空蚀试盘示意图；

图7为转盘排水装置示意图；

图8为电动机系统示意图；

图中：

k1、k2、k3、k4、k5、k6为整个旋转圆盘系统的阀门。

具体实施方式

下面对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明的旋转圆盘空化空蚀实验装置，包括有水泵系统1、测量装置系统2、转盘室3、电动机系统4以及供水系统5组成。

水泵系统1如图2所示，由供水泵1-1和循环水泵1-2组成。供水泵1-1与地下水库5-2连接，当供水泵1-1开启时，供水泵从地下水库5-2吸水供给整个试验装置。供水泵1-1与循环水泵1-2通过阀门k1、k2连接，循环水泵1-2用于水系统的循环，当供水泵1-1关闭时，关闭阀门k1，打开阀门k2，此时可由循环水泵1-2为整个系统供水。

如图3所示，测量装置系统2，由电磁流量计2-1、转速测量仪2-2、压力表2-3以及温度计2-4组成。电磁流量计2-1位于转盘室3前方管路，便于测量进入转盘室3的流量，并将其作为试验研究的数据之一；转速测量仪2-2用来测量转盘室3内空蚀试盘的转速，通过调节控制柜4-2改变空蚀试盘3-4的转速来进行相关的空蚀试验研究，即在压力恒定的条件下转速达到何时会发生空蚀现象，并记录此时的转速，进行分析；压力表2-3安置于转盘室3前端，用来测量转盘室3的压力，试验的系统压力为一个大气压，由供水泵和转盘室之间的阀门 k3以及转盘室和集水池之间的阀门k4调节转盘室工作压力；温度计2-4位于转盘室3前方，用来测量进入转盘室3的水的温度，保证试验系统温度在0-40℃，防止其水温过高，当温度过高时需进行冷却，确保试验的正常进行。

如图4所示，转盘室3为一密封金属外壳，由进水管3-1，排水装置3-2，前盖3-3，空蚀试盘3-4、阻流栅3-5和电机轴3-6组成。在外壳前面为一透明有机玻璃前盖3-3，方便实验人员观察或者借助闪频仪观察转盘室内孔穴的发生和发展；在前盖3-3中心引入进水管3-1，外壳后背面边缘有四个出水管出水。转盘室内通过螺栓固定放置空蚀试盘3-4，通过电机轴3-6与电机相连，电机轴3-6穿过转盘室3背面，阻流栅3-5在空蚀试盘3-4前后各布置一个。

如图7所示为转盘室3的排水装置，在转盘室3背面边缘有四孔出水管3-2-1，将这四孔出水管通过转盘排水管3-2-2连接在一起进入汇流管3-2-3进行排水，方便将水排进集水池5-1。

如图5所示为转盘室3内的阻流栅3-5，阻流栅3-5在转盘室3内前后各设计一个，阻流栅由24片径向板组成，可避免流体随空蚀试盘转动。

如图6所示为转盘室3内的空蚀试盘3-4，试盘直径为360mm，在空蚀试盘上均匀分布若干个空化源，空化源的圆心均匀分布在d=300mm的圆周上，空化源3-4-1为d=15mm的通孔，可以根据实验需要布置4~8个通孔，3-4-2为圆形空蚀试件，直径为30mm，圆形空蚀试件紧邻空化源放置，但相互不接触。圆形空蚀试件在试验前装上，试验后取出可以进行金属材料性能分析，3-4-3为圆盘中心孔和电机轴相连。

如图8所示为电动机系统4，由电动机4-1以及包含变频器的控制柜4-2组成；电动机4-1通电后连接转盘室3，电机轴3-6带动空蚀试盘3-4转动，为其提供动力，电动机4-1应在转盘室3充满水后运转，以免机械密封烧损；控制柜4-2里面含有变频器，通过控制柜4-2调节电动机4-1，以此来改变空蚀试盘3-4的转速，便于空化试验的观察。

供水系统5如图2所示，由集水池5-1和地下水库5-2组成；集水池5-1将转盘室3内的漏水收集起来，将转盘室3内空蚀试盘3-4和集水池5-1连接的阀门k4打开即可进行集水，防止转盘室3内水过多影响实验；地下水库5-2为整个装置的水源，供水泵1-1从地下水库5-2抽水进行供水，集水池5-1和地下水库5-2通过阀门k5连接，定时将该阀门打开，将集水池5-1中的水放至地下水库5-2，防止集水池5-1内水漫出；转盘室3排水装置3-2的汇流管3-2-3与地下水库5-2通过阀门k6连接，试验结束后打开阀门k6即可将转盘室3内水排入地下水库5-2。

实施例

采用本发明的旋转圆盘空化空蚀实验装置进行空化空蚀的方法，包括以下步骤：

步骤（1）确定需要空化空蚀的类型，确定供水泵出水压力p，确定空蚀试盘转速n；

步骤（2）阀门开闭状态：打开阀门k1、k2、k3、k4；关闭阀门k5、k6；

步骤（3）将空蚀试盘装入转盘室中，在相应位置安装好圆形空蚀试件，同时布置和安装用于信号的采集和处理的传感器；

步骤（4）启动供水泵与变频器，通过供水泵为空蚀转盘所在转盘室供水；

步骤（5）开启电动机，通过控制柜调整空蚀试盘转速，在较低转速的时候，没有发生空化空蚀，为无空化试验工况，采集数据；当转速增加，转盘室内逐步开始发生空化，通过转盘室前盖观察或者借助闪频仪观察转盘室内空化源的发生和发展，记录下刚刚开始出现气泡时的转速以及相关测量参数；

步骤（6）实验结束，关闭电动机，关闭控制柜，关供水泵，打开阀门k6，将转盘室内水排至地下水库。

前述的步骤（5）中，对于空化空蚀试验，转速开始为0，后转速逐步增大200rpm，观察是否产生空泡现象。当开始产生气泡时，转速n每次增大幅度控制在10rpm，即发现气泡产生时，每次调整转速n时为比上一次增加10 rpm，增加转速，气泡会变多，气泡形态会变大，在此时需要记录刚刚开始产生气泡的转速n以及相关的试验参数。

实验结束后可以对实验过程中采集的数据进行分析。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种旋转圆盘空化空蚀实验装置，其特征在于，包括水泵系统、测量装置系统、转盘室、电动机系统和供水系统；

所述水泵系统由供水泵和循环水泵组成；所述供水泵与地下水库连接，供水泵从地下水库吸水供给整个实验装置；供水泵与循环水泵通过阀门k1、k2连接，循环水泵用于水系统的循环，当供水泵关闭时，关闭阀门k1，打开阀门k2，由循环水泵为整个实验装置供水；

所述测量装置系统由电磁流量计、转速测量仪、压力表和温度计组成；所述电磁流量计位于转盘室前方管路，用于测量进入转盘室的流量；所述转速测量仪用来测量转盘室内空蚀试盘的转速；所述压力表安置于转盘室前端，用来测量转盘室的压力；所述温度计位于转盘室前方，用来测量进入转盘室的水的温度；

所述转盘室为一密封金属外壳，由进水管，排水装置，前盖，空蚀试盘，阻流栅和电机轴组成；在外壳前面为前盖，在前盖中心引入进水管，转盘室内通过螺栓固定放置空蚀试盘，空蚀试盘通过电机轴与电机相连，电机轴穿过转盘室背面；在空蚀试盘内前后各设计一个阻流栅；所述排水装置为，在转盘室背面边缘设四孔出水管，将这四孔出水管通过转盘排水管连接在一起进入汇流管进行排水，排进集水池；所述空蚀试盘直径为360mm，在空蚀试盘的圆周方向上均匀分布若干个空化源，所述空化源的圆心均匀分布在直径在300mm的圆周上，紧邻空化源放置圆形空蚀试件；

所述电动机系统由电动机以及包含变频器的控制柜组成；所述电动机通电后连接转盘室，通过电机轴带动空蚀试盘组转动，所述控制柜用于调节电动机，以此来改变空蚀试盘的转速；

所述供水系统由集水池和地下水库组成；所述集水池和转盘室内空蚀试盘通过阀门k4连接，用于收集转盘室内的水；所述集水池和地下水库通过阀门k5连接；所述转盘室排水装置的汇流管与地下水库通过阀门k6连接。

2.根据权利要求1所述的一种旋转圆盘空化空蚀实验装置，其特征在于，所述前盖为透明有机玻璃。

3.根据权利要求1所述的一种旋转圆盘空化空蚀实验装置，其特征在于，所述阻流栅由24片径向板组成。

4.根据权利要求1所述的一种旋转圆盘空化空蚀实验装置，其特征在于，所述空化源为4~8个。

5.根据权利要求1所述的一种旋转圆盘空化空蚀实验装置，其特征在于，所述空化源为直径为15mm的通孔；所述空蚀试件的直径为30mm。

6.根据权利要求1所述的一种旋转圆盘空化空蚀实验装置，其特征在于，所述转盘室内的压力为一个大气压，由供水泵和转盘室之间的阀门 k3以及转盘室和集水池之间的阀门k4调节。

7.根据权利要求1所述的一种旋转圆盘空化空蚀实验装置，其特征在于，所述电动机应在转盘室充满水后运转。

8.根据权利要求1至7任意一项所述的旋转圆盘空化空蚀实验装置的空化空蚀实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）确定需要空化空蚀的类型，确定供水泵出水压力p，确定空蚀试盘转速n；

（2）阀门开闭状态：打开阀门k1、k2、k3、k4；关闭阀门k5、k6；

（3）将空蚀试盘装入转盘室中，在相应位置安装好圆形空蚀试件，同时布置和安装用于信号的采集和处理的传感器；

（4）启动供水泵与变频器，通过供水泵为空蚀试盘所在转盘室供水；

（5）开启电动机，通过控制柜调整空蚀试盘转速，初始时，没有发生空化空蚀，为无空化试验工况，采集数据；当转速增加，转盘室内逐步开始发生空化，通过转盘室前盖观察或者借助闪频仪观察转盘室内空化源的发生和发展，记录下刚刚开始出现气泡时的转速以及相关测量参数；

步骤（6）实验结束，关闭电动机，关闭控制柜，关供水泵，打开阀门k6，将转盘室内水排至地下水库。

9.根据权利要求8所述的空化空蚀实验方法，其特征在于，所述步骤（5）中，空蚀试盘转速从0开始，每次递增200rpm，当开始产生气泡时，每次递增10rpm。