CN107631953A - 一种旋转圆盘泥沙磨损实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋转圆盘泥沙磨损实验装置及方法，包括水泵系统、测量装置系统、转盘室、电动机系统以及冷却水系统，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、温度计以及水位计组成，用来测量整个装置的流量、转速、压力、温度及水位数据；转盘室由进水管，排水装置，前盖，泥沙磨损试盘，阻流栅和电机轴组成，是泥沙磨损现象发生的场所；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；冷却水系统由集水池、地下水库以及浑水箱组成，保证实验装置的水系统正常运行。本发明方便在实验室内对水力机械泥沙磨损现象进行理论研究，解决现场试验的困难。

Description

一种旋转圆盘泥沙磨损实验装置及方法

技术领域

本发明涉及一种旋转圆盘泥沙磨损实验装置及方法，属于水力机械内的磨损机理技术领域。

背景技术

水轮机等水力机械中的泥沙磨损是自然界中客观存在的一种物理现象，水流中所含的泥沙对水轮机过流部件表面材料所造成的损坏称为泥沙磨损。我国是一个多泥沙河流的国家，特别是含沙量最多的黄河流域，建在黄河上的水电站的水轮机泥沙磨损比较严重。近年来随着现代水力机械向着大型化、高速化方向发展，泥沙磨损现象越来越引起人们的关注，为预防水轮机等水力机械由于泥沙磨损现象而发生重大事故，研究水力机械的泥沙磨损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，提供一种旋转圆盘泥沙磨损实验装置及方法，可以在不同转速环境下，模拟旋转圆盘内部发生泥沙磨损的具体位置以及发生泥沙磨损的强度，为避免水力机械内部金属部件发生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泥沙磨损实验装置，包括水泵系统、测量装置系统、转盘室、电动机系统和冷却水系统；

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，当供水泵开启时，供水泵从地下水库吸水供给整个实验装置；所述供水泵与循环水泵通过阀门k1、k4连接，循环水泵用于水系统的循环；

所述测量装置系统由电磁流量计、转速测量仪、压力表、温度计和水位计组成；所述电磁流量计位于转盘室前方，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泥沙磨损试盘的转速；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；所述水位计位于浑水箱内，用来测量浑水箱内的水位；

所述转盘室为一密封金属外壳，由进水管，排水装置，前盖，泥沙磨损试盘，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泥沙磨损试盘，泥沙磨损试盘通过电机轴与电机相连；在泥沙磨损试盘前后各布置一个阻流栅；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；

所述电动机系统由电动机和包含变频器的控制柜组成；所述电动机通电后连接转盘室，通过电动轴带动泥沙磨损试盘转动；所述控制柜调节电动机，以此来改变泥沙磨损试盘的转速；

所述供水系统由集水池、地下水库和浑水箱组成；所述集水池和转盘室的泥沙磨损试盘通过阀门k8连接，用于收集转盘室内的水；所述地下水库和集水池通过阀门k9连接，用于将集水池中的水放至地下水库；所述转盘室排水装置3的汇流管与地下水库通过阀门k10连接，用于将转盘室内水排入地下水库；所述浑水箱内部含有冷却管。

前述的供水泵向浑水箱充水，当浑水箱水位到一定高度h时，关闭供水泵和转盘室之间阀门 k5，实现由循环水泵为整个实验装置供水。

前述的转盘室内的压力为一个大气压，由位于供水泵和转盘室之间阀门 k5以及转盘室和集水池之间的阀门k8调节转盘室工作压力。

前述的阻流栅由24片径向板组成。

前述的泥沙磨损试盘由旋转试盘和圆形试件构成，若干个圆形试件均匀地安装在旋转试盘的不同半径的圆周上；在旋转试盘设中心孔，用于固定电机轴。

前述的泥沙磨损试盘由扇形试件构成，6个扇形试件通过螺栓组成一个圆，即泥沙磨损试盘；6个扇形试件的顶部开口，组成中心孔，用于固定电机轴。

前述的电动机在转盘室充满水后运转。

旋转圆盘泥沙磨损实验装置的泥沙磨损实验方法，包括以下步骤：

（1）设置阀门开闭状态：阀门k1、k7为常开状态；阀门k2、k3、k4、k5、k6、k8、k9、k10、k11为常关状态；

（2）将泥沙磨损试盘装入转盘室中；

（3）启动供水泵，向实验装置充水；开启阀门k5、k6，向浑水箱和转盘室充水，当浑水箱水位到一定高度h时，关闭阀门k5；高度h根据试验需求确定；

（4）启动循环水泵与控制柜的变频器及电动机，待供水充足后将试验用沙加入浑水箱内，并计时，试验开始，每组试验需根据试验参数与试验材料进行几个试验时段的试验；

（5）在一个试验时段内，分别在1h、中间时段、后1h取3次水样，用于测量含沙浓度；

（6）在试验时段结束时，将浑水箱的含沙水放至浑水沉淀池并冲洗干净；

（7）重复步骤（3）-（6）进行下一个试验时段，直至该组试验完成；

（8）将圆形试件或扇形试件换为不同的材料或者改变泥沙磨损试盘的转速，重复步骤（2）至（7），进行下一组试验；

（9）用失重或深度测量评价试验结果。

前述的步骤（4）中，以每5或6小时作为一个试验时段，换一次试验用沙；试验含沙浓度控制在0～15kg/m³，每次试验含沙浓度需记录下来。

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泥沙磨损进行理论研究，解决现场试验的困难。

本发明可以实现在不同的转速环境下，对水力机械泥沙磨损的试验，实验室方便观察。

附图说明

图1为本发明的旋转圆盘泥沙磨损实验装置结构图；

图2为水泵系统示意图；

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为磨损试盘示意图；（a）为圆形试件；（b）为扇形试件；（c）为圆形试件构成的磨损试盘；（d）为扇形试件构成的磨损试盘；

图7为转盘排水装置示意图；

图8为电动机系统示意图；

图9为水系统示意图；

图中：

常开阀门：k1、k7；

常闭阀门：k2、k3、k4、k5、k6、k8、k9、k10、k11。

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，本发明的旋转圆盘泥沙磨损实验装置，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以及冷却水系统5等组成。

如图2所示，水泵系统1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吸水供给整个实验装置；供水泵1-1与循环水泵1-2通过阀门k1、k4连接，循环水泵1-2用于水系统的循环，当供水泵1-1向浑水箱5-3充水，当浑水箱5-3水位到一定高度h时，关阀门k5（k5位于供水泵和转盘室之间），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、温度计2-4以及水位计2-5组成。电磁流量计2-1位于转盘室3前方，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内磨损试盘的转速，通过调节控制柜4-2改变磨损试盘3-4的转速来进行相关的泥沙磨损试验研究，即在压力恒定的条件下转速改变泥沙磨损的情况，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，转盘室的压力为一个大气压，由位于供水泵和转盘室之间阀门 k5以及转盘室和集水池之间的阀门k8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；水位计2-5位于浑水箱5-3内，用来测量浑水箱5-3内的水位，当浑水箱5-3内的水位到达h时，关闭阀门k5，开启循环水泵1-2，打开阀门k6、k7，进行泥沙磨损试验研究。

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，泥沙磨损试盘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；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泥沙磨损试盘3-4，通过电机轴3-6与电机相连，阻流栅3-5在泥沙磨损试盘前后各布置一个。

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3-3在泥沙磨损试盘内前后各设计一个，阻流栅3-5由24片径向板组成，可避免流体随泥沙磨损试盘3-4转动。

如图6所示，为转盘室3内的泥沙磨损试盘3-4，泥沙磨损试盘3-4为整个泥沙磨损试验的核心，有两种类型的，一种如图6（a）为一个圆形试件（材质根据实验需求决定）3-4-1，其可以安装再图6（c）的旋转试盘上，根据实验需要均匀地安装在不同半径的圆周上，如6（c）中布置了两个不同半径r1和r2的圆周上，每个圆周上布置了6个试件；另一种如图6（b）为一个扇形试件3-4-2，6个扇形试件通过螺栓组成一个圆，即泥沙磨损试盘。两种类型的泥沙磨损试盘都设中心孔3-4-3，通过电机轴3-6与电机相连。

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，通过电动轴3-6带动泥沙磨损试盘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，以此来改变泥沙磨损试盘3-4的转速，便于泥沙磨损试验的观察。

如图9所示，为供水系统5，由集水池5-1、地下水库5-2以及浑水箱5-3组成；集水池5-1将转盘室3内的漏水收集起来，将转盘室的泥沙磨损试盘和集水池5-1连接的阀门k8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5-1通过阀门k9连接，定时将其连接阀门打开，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k10连接，试验结束后打开阀门k10即可将转盘室3内水排入地下水库5-2；浑水箱5-3是进行水冷却的重要装置，内部含有冷却管，以确保整个试验在规定温度内进行；浑水箱5-3内安装有水位计2-5，用来测量浑水箱5-3的水位，当浑水箱5-3内水位到达h时可进行试验。实验开始时，打开k1、k11，由供水泵1-1对转盘室3和浑水箱5-3进行供水；实验结束时，打开阀门k2、k3，将浑水箱5-3内的水排至浑水沉淀池。

实施例

采用本发明的旋转圆盘泥沙磨损实验装置进行泥沙磨损的方法，包括以下步骤：

步骤（1）阀门开闭状态：阀门k1、k7为常开状态；阀门k2、k3、k4、k5、k6、k8、k9、k10、k11为常关状态；

步骤（2）将泥沙磨损试盘装入转盘室中；

步骤（3）向实验装置充水：启动供水泵。开阀门k5、k6，向浑水箱和转盘室充水，当浑水箱水位到一定高度h时，关阀门k5；

步骤（4）启动循环水泵与控制柜的变频器及电动机，待供水充足后将试验用沙加入浑水箱内，并计时，试验开始；建议每5或6小时为一个试验时段，换一次试验用沙；

步骤（5）在一个试验时段内，分别在1h、中间时段、后1h取3次水样，供测量含沙浓度之用；

步骤（6）试验时段快结束时，将浑水箱的含沙水放至浑水沉淀池并冲洗干净（一般冲洗3次）；

步骤（7）重复以上程序，即进行下一个试验时段。每组试验需根据试验参数与试验材料等情况确定需要进行几个试验时段的试验；

步骤（8）试验结果可用失重或深度测量进行评价。

前述的步骤（3）中，对于泥沙磨损试验，打开阀门k5、k6，向浑水箱冲水，观察浑水箱的水位计，当水位计到达高度h（h需根据试验具体数据确定）时，关闭阀门k5。

前述的步骤（4）中，对于泥沙磨损实验，每5或6小时为一个试验时段，换一次试验用沙，试验系统含沙浓度控制在0～15kg/m³，每次试验含沙浓度需记录下来，便于以后数据分析。

前述的步骤（6）中，对于泥沙磨损实验，试验设备运行过程中，若发生异常情况，请及时关机；磨损试验如漏水严重，应及时处理或更换部件；试验结束后，应及时关闭所有电气设备电源。

前述的步骤（7）中，对于泥沙磨损实验，可将圆形试件或扇形试件换为不同的材料或者改变泥沙磨损试盘的转速，再次进行在不同泥沙浓度中（每次试验改变一次泥沙浓度）进行泥沙磨损试验，即重复上述程序；这样该实验装置可以测得泥沙浓度、不同材料以及转速等因素对泥沙磨损的影响。

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)

1.一种旋转圆盘泥沙磨损实验装置，其特征在于，包括水泵系统、测量装置系统、转盘室、电动机系统和冷却水系统；

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，当供水泵开启时，供水泵从地下水库吸水供给整个实验装置；所述供水泵与循环水泵通过阀门k1、k4连接，循环水泵用于水系统的循环；

所述测量装置系统由电磁流量计、转速测量仪、压力表、温度计和水位计组成；所述电磁流量计位于转盘室前方，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泥沙磨损试盘的转速；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；所述水位计位于浑水箱内，用来测量浑水箱内的水位；

所述转盘室为一密封金属外壳，由进水管，排水装置，前盖，泥沙磨损试盘，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泥沙磨损试盘，泥沙磨损试盘通过电机轴与电机相连；在泥沙磨损试盘前后各布置一个阻流栅；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；

所述电动机系统由电动机和包含变频器的控制柜组成；所述电动机通电后连接转盘室，通过电动轴带动泥沙磨损试盘转动；所述控制柜调节电动机，以此来改变泥沙磨损试盘的转速；

所述供水系统由集水池、地下水库和浑水箱组成；所述集水池和转盘室的泥沙磨损试盘通过阀门k8连接，用于收集转盘室内的水；所述地下水库和集水池通过阀门k9连接，用于将集水池中的水放至地下水库；所述转盘室排水装置3的汇流管与地下水库通过阀门k10连接，用于将转盘室内水排入地下水库；所述浑水箱内部含有冷却管。

2.根据权利要求1所述的一种旋转圆盘泥沙磨损实验装置，其特征在于，所述供水泵向浑水箱充水，当浑水箱水位到一定高度h时，关闭供水泵和转盘室之间阀门 k5，实现由循环水泵为整个实验装置供水。

3.根据权利要求1所述的一种旋转圆盘泥沙磨损实验装置，其特征在于，所述转盘室内的压力为一个大气压，由位于供水泵和转盘室之间阀门 k5以及转盘室和集水池之间的阀门k8调节转盘室工作压力。

4.根据权利要求1所述的一种旋转圆盘泥沙磨损实验装置，其特征在于，所述阻流栅由24片径向板组成。

5.根据权利要求1所述的一种旋转圆盘泥沙磨损实验装置，其特征在于，所述泥沙磨损试盘由旋转试盘和圆形试件构成，若干个圆形试件均匀地安装在旋转试盘的不同半径的圆周上；在旋转试盘设中心孔，用于固定电机轴。

6.根据权利要求1所述的一种旋转圆盘泥沙磨损实验装置，其特征在于，所述泥沙磨损试盘由扇形试件构成，6个扇形试件通过螺栓组成一个圆，即泥沙磨损试盘；6个扇形试件的顶部开口，组成中心孔，用于固定电机轴。

7.根据权利要求1所述的一种旋转圆盘泥沙磨损实验装置，其特征在于，所述电动机在转盘室充满水后运转。

8.基于权利要求1至7任意一项所述的旋转圆盘泥沙磨损实验装置的泥沙磨损实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）设置阀门开闭状态：阀门k1、k7为常开状态；阀门k2、k3、k4、k5、k6、k8、k9、k10、k11为常关状态；

（2）将泥沙磨损试盘装入转盘室中；

（3）启动供水泵，向实验装置充水；开启阀门k5、k6，向浑水箱和转盘室充水，当浑水箱水位到一定高度h时，关闭阀门k5；高度h根据试验需求确定；

（4）启动循环水泵与控制柜的变频器及电动机，待供水充足后将试验用沙加入浑水箱内，并计时，试验开始，每组试验需根据试验参数与试验材料进行几个试验时段的试验；

（5）在一个试验时段内，分别在1h、中间时段、后1h取3次水样，用于测量含沙浓度；

（6）在试验时段结束时，将浑水箱的含沙水放至浑水沉淀池并冲洗干净；

（7）重复步骤（3）-（6）进行下一个试验时段，直至该组试验完成；

（8）将圆形试件或扇形试件换为不同的材料或者改变泥沙磨损试盘的转速，重复步骤（2）至（7），进行下一组试验；

（9）用失重或深度测量评价试验结果。

9.根据权利要求8所述的泥沙磨损实验方法，其特征在于，所述步骤（4）中，以每5或6小时作为一个试验时段，换一次试验用沙；试验含沙浓度控制在0～15kg/m³，每次试验含沙浓度需记录下来。