CN108798970A - 用于测试水泵水轮机活动导叶压力及压力脉动的布线方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于测试水泵水轮机活动导叶压力及压力脉动的布线方法，包括以下步骤：1)选择一个或多个流道作为测量目标，并确定构成各测量目标流道的两相邻活动导叶；2)在其中一活动导叶正面和另一活动导叶背面布置传感器芯片槽和芯片引线槽；3)在两活动导叶内部布置凹形槽以及活动导叶引线斜孔和引线孔；4)在两活动导叶中心轴心处设置导叶轴引线孔；5)分别在两活动导叶的凹形槽底部布置一凹形槽盖板；6)将各压力传感器放置在各传感器芯片槽内，传感器引线引出至外部设备；7)对各槽及缝隙进行密封，并将凹形槽盖板与活动导叶底部螺栓连接，完成布线。本发明可以广泛应用于水泵水轮机活动导叶压力测试中。

Description

用于测试水泵水轮机活动导叶压力及压力脉动的布线方法

技术领域

本发明属于水轮机活动导叶压力测试领域，特别是涉及一种用于测试水泵水轮机活动导叶压力及压力脉动的布线方法。

背景技术

对于水泵水轮机，活动导叶是重要的过流部件，起到了承上启下的作用。当水泵水轮机处于水轮机工况时，活动导叶引导水流沿圆周方向均匀地流入转轮，同时通过活动导叶开度的变化调节流量，实现对水轮机工况负荷的调节；当水泵水轮机处于水泵工况时，活动导叶起到引导水流均匀进入固定导叶流入压出室的作用，同时在变速调节的水泵水轮机中通过活动导叶开度的变化，实现对水泵工况负荷的调节，起到快速响应电网负荷变化的需求。

目前水泵水轮机组普遍采用的设计思路为以水泵工况进行水力设计，水轮机工况进行校核、验证。实践证明通过该设计方法可保证水泵水轮机组在大部分运行区域效率较高，运行稳定，但是水轮机、泵工况外特性曲线和水泵水轮机组的全特性曲线均显示在某些区域存在不稳定运行区，即水轮机工况低水头启动“S”特性区和泵工况非稳态驼峰区。在水轮机工况低水头启动过程中存在“S”特性区，水轮机工况的空载启动不稳定发生在S特性区，会导致机组启动并网困难，目前许多抽水蓄能电站因S特性而出现无法并网的现象，如宝泉、天荒坪等抽水蓄能电站；从水泵水轮机全特性曲线可知，水泵水轮机在泵工况运行时，当系统特性曲线穿过泵工况外特性曲线的驼峰区，与泵工况特性曲线的交点处于负斜率区时，泵工况运行安全性降低，不稳定性提高，可能导致泵工况启动过程中机组输入功率剧烈摆动，输水系统剧烈震动，严重时可能引发发电机组或输水系统的损坏。

研究表明，水泵水轮机组“S”特性的产生与转轮叶片间以及转轮与活动导叶之间无叶区内的回流涡有关，无叶区的压力脉动是整个水泵水轮机组中压力脉动振幅最高的区域。而水泵水轮机泵工况特性曲线驼峰区的形成与转轮进口处的复杂漩涡流动及活动导叶区的复杂分离流动有关。然而，活动导叶区、无叶区流态复杂，虽然随着数值分析方法的进展和计算机技术的提高，水力机械三维湍流的数值模拟越来越精确，但是数值模拟的计算结果仍需要实验研究来验证。目前试验研究主要集中在活动导叶与转轮间的无叶区域，对活动导叶的表面压力及压力脉动特性的关注较少。

对无叶区域的实验研究，通常采用在模型机或真机上布置压力传感器，随着水泵水轮机组向高水头、大容量方向的发展，对机组的稳定运行提出更高要求，仅对无叶区域进行压力测量，对分析压力脉动产生的原因造成了困难，需要掌握更大范围特别是与之相邻的活动导叶区域压力分布及脉动情况，才能进一步在水力设计中抑制压力脉动产生根源。这样对于模型试验提出了更高要求，为探究“S”特性区及“驼峰区”的导叶区域内部流动机理，应开展活动导叶区域压力及压力脉动研究，与无叶区的压力测量相互结合，在掌握更多基础数据的基础上，对水泵水轮机压力脉动的全貌特性进行分析，对于提高水泵水轮机组的稳定性至关重要。这样需要在可转动的活动导叶上布置高精度压力传感器，通过高精度压力传感器将采集的测点处数据传输至数据采集系统。如何实现布置测点时尽量不干涉流道内水流真实流态，保证采集数据的真实性和准确性，使测量结果能真实反应活动导叶区域压力脉动特性，是目前实验研究的难点。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种用于测试水泵水轮机活动导叶压力及压力脉动的布线方法，该方法能够尽量不干涉活动导叶区域水流流态，同时真实反应该活动导叶区域的绝对压力及压力脉动特性。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种用于测试水泵水轮机活动导叶压力及压力脉动的布线方法，其特征在于包括以下步骤：1)选择一个或多个流道作为测量目标，并确定构成各测量目标流道的一对相邻活动导叶；2)在构成各测量目标的其中一活动导叶正面以及另一活动导叶背面均匀布置若干传感器芯片槽和芯片引线槽；3)分别在构成测量目标流道的两活动导叶内部布置用于放置传感器引线的凹形槽，以及用于将传感器引线引出的活动导叶引线斜孔和引线孔；4)分别在与构成测量目标流道的两活动导叶相连的活动导叶中心轴心处设置导叶轴引线孔，使其与两活动导叶底部设置的活动导叶引线斜孔和引线孔相贯通；5)分别在构成测量目标流道的两活动导叶的凹形槽底部布置一凹形槽盖板；6)将各压力传感器设置在构成测量目标流道的两活动导叶上的各传感器芯片槽内，传感器引线由芯片引线槽进入活动导叶内部的凹形槽，并经活动导叶引线斜孔、活动导叶引线孔以及导叶轴引线孔引出至外部设备；7)向各传感器芯片槽、芯片引线槽边缘缝隙以及凹形槽内填充密封胶进行密封，并将凹形槽盖板与活动导叶底部螺栓连接，完成水轮机活动导叶压力及压力脉动的布线。

所述步骤2)中，在各活动导叶正面或背面布置传感器芯片槽和芯片引线槽的方法，包括以下步骤：2.1)在活动导叶正面或背面沿活动导叶X轴向中心线均匀布置多个传感器芯片槽；2.2)在各传感器芯片槽一侧开设一向活动叶片内部延伸的月牙形芯片引线槽，且各芯片引线槽内、外边缘所在圆均与对应的传感器芯片槽所在圆同心。

所述传感器芯片槽的形状、深度、数量以及开槽深度均与使用的压力传感器形状、芯片厚度相适应，同时保证各压力传感器能完全嵌入槽内。

各所述芯片引线槽均沿活动导叶X轴向中心线对称布置，且位于活动导叶头部和尾部的两芯片引线槽均朝向活动叶片中心轴的方向。

所述步骤3)中，所述凹形槽的布置方法为：在活动导叶底部沿Z轴方向向其中部开设所述凹形槽，并在位于所述凹形槽上壁且对应于所述活动导叶中心轴的位置处预留一带螺纹孔的立柱；所述立柱两侧的活动导叶内开设有朝向所述活动导叶中心轴的两活动导叶引线斜孔，两所述活动导叶引线斜孔上端交汇处开设竖直向上的所述活动导叶引线孔，且所述活动导叶引线孔、活动导叶引线斜孔和凹形槽相互连通。

所述凹形槽的宽度与所述活动导叶头部、尾部布置的两传感器引线槽外边缘之间的距离一致；所述凹形槽的长度略大于所述活动导叶引线斜孔的直径；所述凹形槽的高度与所述活动导叶底部距X轴向中心线的距离与所述传感器芯片槽半径之和相同。

所述活动导叶引线斜孔位置靠近所述活动导叶中心轴，且所述活动导叶引线斜孔中心线与坐标系Z轴夹角θ为45°。

所述步骤5)中，所述凹形槽盖板的布置方法为：在所述凹形槽底部布置所述凹形槽盖板，所述凹形槽盖板与所述凹形槽内所述立柱对应位置处设置安装孔。

所述安装孔包括与所述立柱外径相匹配的上段、与所述螺纹孔相匹配的中段以及与螺钉头外径和厚度相匹配的下段。

所述凹形槽盖板的长宽均与所述活动导叶底部凹形槽尺寸匹配，高度为所述凹形槽高度-传感器引线总厚度-填充密封胶厚度。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于选择一个或者多个流道作为测量目标，压力传感器分别布置在相邻活动导叶正、背面,避免在同一个活动导叶布置传感器及线路的困难，同时可实现一个或者多个流道的同步测量。2、本发明将压力传感器沿活动导叶X轴中心线在活动导叶正面或背面上均匀分布，保证了活动导叶从头部到尾部整个活动导叶的压力及压力脉动均可被监测；3、本发明采用外形尺寸尽量小的压力传感器，同时活动导叶表面仅需开槽布置传感器芯片及其引出线，其余布线均在活动导叶内部，对活动导叶表面型线破坏较小，对活动导叶区域水流流态影响较小；4、本发明压力传感器沿活动导叶布置，当活动导叶转动时压力传感器也同时转动，较传感器布置顶盖方法可以测量不同开度活动导叶表面压力及压力脉动。因而，本发明可以广泛应用于水泵水轮机活动导叶压力及压力脉动测量中。

附图说明

图1为本发明用于测试水泵水轮机活动导叶压力及压力脉动的布置示意图；

图2(a)～图2(c)分别是正面布线的活动导叶和活动导叶中心轴的正视图、仰视图和俯视图；

图3(a)～图3(c)分别是背面布线的活动导叶和活动导叶中心轴的正视图、仰视图和俯视图；

图4(a)～图4(b)是本发明活动导叶正面传感器芯片槽和芯片引线槽示意图及其放大细节图；

图5是本发明背面布线的活动导叶传感器芯片槽及芯片引线槽布置图；

图6(a)～图6(b)分别是本发明正面布线的活动导叶内凹形槽的仰视图和剖视图；

图7(a)～图7(b)分别是本发明背面布线的活动导叶内凹形槽的仰视图和剖视图；

图8是本发明正面布线的活动导叶中心轴布置局部视图；

图9是本发明背面布线的活动导叶中心轴布置局部视图；

图10(a)～10(d)分别是凹形槽盖板的正视图、仰视图、俯视图、剖视图；

图11(a)～11(b)分别是本发明正面布线的活动导叶与凹形槽盖板装配示意图；

图12(a)～12(b)分别是本发明背面布线的活动导叶与凹形槽盖板装配示意图；

图中各标记含义如下：1、传感器芯片槽；2、芯片引线槽；3、凹形槽；4、活动导叶引线斜孔；5、活动导叶引线孔；6、螺纹孔；7、导叶轴引线孔；8、凹形槽盖板；9、安装孔；10、立柱。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明提供一种用于测试水泵水轮机活动导叶压力及压力脉动的布线方法，具体的，包括以下步骤：

1)选择一个或多个流道(两个活动导叶间的过流通道)作为测量目标，并确定构成各测量目标流道的一对相邻活动导叶。

2)如图2(a)～(c)、图3(a)～(c)、图4(a)～(b)和图5所示，在构成各测量目标的其中一活动导叶正面以及另一活动导叶背面均匀布置若干传感器芯片槽1和芯片引线槽2。由于活动导叶正面及背面布线方法相同，本发明仅以活动导叶正面布线为例进行介绍，具体包括以下步骤：

2.1)如图2(a)～(c)所示，在活动导叶正面沿活动导叶X轴向中心线均匀布置多个传感器芯片槽1。

各传感器芯片槽1的形状、深度、数量以及开槽深度均与使用的压力传感器形状、芯片厚度相适应，同时保证各压力传感器能完全嵌入槽内。

2.2)如图4(a)～(b)所示，在活动导叶上的各传感器芯片槽1一侧开设一向活动叶片内部延伸的月牙形芯片引线槽2，且各芯片引线槽2内、外边缘所在圆均与对应的传感器芯片槽1所在圆同心。

其中，各芯片引线槽2均沿活动导叶X轴向中心线对称布置，且位于活动导叶头部和尾部的两芯片引线槽2分别朝向活动叶片中心轴的方向，以避免芯片引线槽2的设置对活动导叶端部刚性的影响。各芯片引线槽2的宽度(即沿活动导叶X轴方向的长度)由压力传感器芯片引线决定，应略宽于使用的压力传感器芯片的引线宽度，确保引线能通过且有0.5mm的余量。

3)如图6(a)～6(b)，图7(a)～7(b)，图8～9所示，分别在构成测量目标流道的两活动导叶内部布置用于放置传感器引线的凹形槽以及用于将传感器引线引出的活动导叶引线斜孔4和活动导叶引线孔5；

如图6(a)～(b)、图8所示，分别在构成测量目标流道的两活动导叶底部沿Z轴方向向其中部开设一凹形槽3，并在位于凹形槽3上壁对应于活动导叶中心轴处预留一立柱10，立柱10中部开设一螺纹孔6。在立柱10两侧的活动导叶内分别开设一朝向活动导叶中心轴的两活动导叶引线斜孔4，两活动导叶引线斜孔4上端交汇处开设一竖直向上的活动导叶引线孔5，且活动导叶引线孔5、两活动导叶引线斜孔4和凹形槽3相互连通。

凹形槽3的长度a(即沿活动导叶Y轴方向的长度)略大于活动导叶引线斜孔4的直径；凹形槽3的宽度b(即沿活动导叶X轴方向的长度)与活动导叶头部、尾部布置的两传感器引线槽外边缘之间的距离一致，以保证各芯片引线槽2与凹形槽3贯通；凹形槽3的高度c(即沿活动导叶Z轴方向的长度)与活动导叶底部距X轴向中心线的距离与传感器芯片槽半径之和相同，即c＝h+R，其中，h为活动导叶底部距X轴向中心线的距离，R为传感器芯片槽半径。

此外，活动导叶引线斜孔4的位置应靠近活动导叶中心轴，避免开孔距离过长，影响活动导叶强度，活动导叶引线斜孔4中心线与坐标系Z轴夹角θ在45°左右为宜，孔径大小由该侧传感器引线数量决定。

4)如图8～9所示，分别在与构成测量目标流道的两活动导叶相连的活动导叶中心轴心处设置导叶轴引线孔7，使其与相应的两活动导叶底部设置的活动导叶引线斜孔4和活动导叶引线孔5相贯通；

其中，导叶轴引线孔7与活动导叶内部的活动导叶引线孔5的位置和孔径相匹配。其中，活动导叶引线孔5和导叶轴引线孔7的孔径由压力传感器引线总根数决定，需保证所有压力传感器的引线沿活动导叶引线孔5和导叶轴引线孔7引出。

5)如图10(a)～(d)所示，分别在构成测量目标流道的两活动导叶底部的凹形槽3底部布置一凹形槽盖板8，在该凹形槽盖板8与凹形槽3内立柱10对应位置处设置一与螺纹孔6相匹配的安装孔9，以保证装配完成后螺丝头与凹形槽盖板8外侧平齐。

其中，凹形槽盖板8的尺寸与活动导叶底部凹形槽3的尺寸匹配，高度为凹形槽高度c-引线总厚度-填充密封胶厚度(约10mm)。

安装孔9包括与立柱10外径相匹配的上段、与螺纹孔6相匹配的中段以及与螺钉头外径和厚度相匹配的下段，以保证安装时，螺丝头内嵌于凹形槽盖板8内，并与凹形槽盖板8外侧平齐。

螺纹孔6尺寸的选取要保证能完全固定凹形槽盖板8与活动导叶。对模型装置，螺钉尺寸一般等于或略小于活动导叶最大宽度处的1/2，螺丝头内嵌于凹形槽盖板8，螺丝头顶部与盖板底部平齐。

6)将各压力传感器布置在构成测量目标流道的两活动导叶上的各传感器芯片槽内，传感器引线由芯片引线槽进入活动导叶内部的凹形槽，并经活动导叶引线斜孔、活动导叶引线孔以及导叶轴引线孔引出至外部设备。

7)如图11(a)～(b)和图12(a)～(b)所示，向所有传感器芯片槽1、芯片引线槽2边缘缝隙以及凹形槽3内填充密封胶进行密封处理，然后用螺栓将凹形槽盖板8与活动导叶底部连接，并保证螺钉的螺丝头顶部与凹形槽盖板8外侧平齐，凹形槽盖板8底部与活动导叶底部平齐，完成用于测试水泵水轮机活动导叶压力及压力脉动的布线。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种用于测试水泵水轮机活动导叶压力及压力脉动的布线方法，其特征在于包括以下步骤：

1)选择一个或多个流道作为测量目标，并确定构成各测量目标流道的一对相邻活动导叶；

2)在构成各测量目标的其中一活动导叶正面以及另一活动导叶背面均匀布置若干传感器芯片槽和芯片引线槽；

3)分别在构成测量目标流道的两活动导叶内部布置用于放置传感器引线的凹形槽，以及用于将传感器引线引出的活动导叶引线斜孔和引线孔；

4)分别在与构成测量目标流道的两活动导叶相连的活动导叶中心轴心处设置导叶轴引线孔，使其与两活动导叶底部设置的活动导叶引线斜孔和引线孔相贯通；

5)分别在构成测量目标流道的两活动导叶的凹形槽底部布置一凹形槽盖板；

6)将各压力传感器设置在构成测量目标流道的两活动导叶上的各传感器芯片槽内，传感器引线由芯片引线槽进入活动导叶内部的凹形槽，并经活动导叶引线斜孔、活动导叶引线孔以及导叶轴引线孔引出至外部设备；

7)向各传感器芯片槽、芯片引线槽边缘缝隙以及凹形槽内填充密封胶进行密封，并将凹形槽盖板与活动导叶底部螺栓连接，完成用于测试水轮机活动导叶压力及压力脉动的布线。

2.如权利要求1所述的用于测试水泵水轮机活动导叶压力及压力脉动的布线方法，其特征在于：所述步骤2)中，在各活动导叶正面或背面布置传感器芯片槽和芯片引线槽的方法，包括以下步骤：

2.1)在活动导叶正面或背面沿活动导叶X轴向中心线均匀布置多个传感器芯片槽；

2.2)在各传感器芯片槽一侧开设一向活动叶片内部延伸的月牙形芯片引线槽，且各芯片引线槽内、外边缘所在圆均与对应的传感器芯片槽所在圆同心。

3.如权利要求2所述的用于测试水泵水轮机活动导叶压力及压力脉动的布线方法，其特征在于：所述传感器芯片槽的形状、深度、数量以及开槽深度均与使用的压力传感器形状、芯片厚度相适应，同时保证各压力传感器能完全嵌入槽内。

4.如权利要求2所述的用于测试水泵水轮机活动导叶压力及压力脉动的布线方法，其特征在于：各所述芯片引线槽均沿活动导叶X轴向中心线对称布置，且位于活动导叶头部和尾部的两芯片引线槽均朝向活动叶片中心轴的方向。

5.如权利要求1所述的用于测试水泵水轮机活动导叶压力及压力脉动的布线方法，其特征在于：所述步骤3)中，所述凹形槽的布置方法为：

在活动导叶底部沿Z轴方向向其中部开设所述凹形槽，并在位于所述凹形槽上壁且对应于所述活动导叶中心轴的位置处预留一带螺纹孔的立柱；所述立柱两侧的活动导叶内开设有朝向所述活动导叶中心轴的两活动导叶引线斜孔，两所述活动导叶引线斜孔上端交汇处开设竖直向上的所述活动导叶引线孔，且所述活动导叶引线孔、活动导叶引线斜孔和凹形槽相互连通。

6.如权利要求5所述的用于测试水泵水轮机活动导叶压力及压力脉动的布线方法，其特征在于：所述凹形槽的宽度与所述活动导叶头部、尾部布置的两传感器引线槽外边缘之间的距离一致；所述凹形槽的长度略大于所述活动导叶引线斜孔的直径；所述凹形槽的高度与所述活动导叶底部距X轴向中心线的距离与所述传感器芯片槽半径之和相同。

7.如权利要求5所述的用于测试水泵水轮机活动导叶压力及压力脉动的布线方法，其特征在于：所述活动导叶引线斜孔位置靠近所述活动导叶中心轴，且所述活动导叶引线斜孔中心线与坐标系Z轴夹角θ为45°。

8.如权利要求5所述的用于测试水泵水轮机活动导叶压力及压力脉动的布线方法，其特征在于：所述步骤5)中，所述凹形槽盖板的布置方法为：

在所述凹形槽底部布置所述凹形槽盖板，所述凹形槽盖板与所述凹形槽内所述立柱对应位置处设置安装孔。

9.如权利要求8所述的用于测试水泵水轮机活动导叶压力及压力脉动的布线方法，其特征在于：所述安装孔包括与所述立柱外径相匹配的上段、与所述螺纹孔相匹配的中段以及与螺钉头外径和厚度相匹配的下段。

10.如权利要求8所述的用于测试水泵水轮机活动导叶压力及压力脉动的布线方法，其特征在于：所述凹形槽盖板的长宽均与所述活动导叶底部凹形槽尺寸匹配，高度为所述凹形槽高度-传感器引线总厚度-填充密封胶厚度。