CN113049219A - 一种模拟空化涡带形态的实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟空化涡带形态的装置，属于模拟涡带形态技术领域。本发明提供了一种调节涡带形态的装置，所述的装置包括稳压水罐、环路管道若干组、压力传感器、温度传感器、不锈钢泵、调频电机、气蚀罐、电磁流量计、真空表、真空泵系统、管道支撑系统若干个和旋拧流动发生装置；通过数据采集系统和调节涡带形态的装置实现了对于水轮机尾水管处的流动状态的模拟，通过改变不同入口流量及入口压力，模拟水轮机真机中的尾水管涡带旋拧情况，研究这些区域中存在的流动现象，有助于认识流动中发生的空化和旋涡现象，本发明适用于尾水管结构及涡带处流动控制，可应用于科研，教学，演示实验中。

Description

一种模拟空化涡带形态的实验装置

技术领域

本发明属于模拟涡带形态技术领域，具体涉及一种模拟空化涡带形态的实验装置。

背景技术

当水轮机运行在部分载荷工况时，会在转轮出口处形成不同形态的空化涡带。属于空化两相流动。当在水轮机尾水管处出现涡带时，会由于涡带的高速旋转而产生低频压力脉动，从而对机组的稳定性产生影响。这种现象常发生在水轮机尾水管处以及其他水力机械中。由于产生了水的两相流动，所以该处会产生严重的物质和能量交换，故具有极强的不稳定性，涡带行为也很难以预测。为了准确捕捉涡带的形态变化以及运行机理，各种类型的实验模型应运而生，旋拧发生装置即为其中一种。这种实验装置可以在轴向方向上产生空化和旋拧两种现象。水流在经过固定轮和活动叶轮的诱导之下能产生较强的旋涡状态，而且由于流体流过活动叶轮出口处时有较大的流速和较低的压力，产生较为强烈的空化现象。而通过调整旋拧发生器所在的流量工况和工作压力，可以实现不同涡区的空化涡的形态捕捉和流态分析。通过分析涡带的行为与影响，研究涡带附近的流动状态，对于水轮机转轮处泄水锥以及尾水管的设计，机组稳定性控制，提升机组效率等都有着重要的意义。因此，实验测量应该在各种流量工况下进行，以满足足够多实验数据间的比对，探寻最佳的控制条件。现有的空化涡带实验台一般结构尺寸大，制造成本昂贵，导致实验成本较高且调节较为困难。

发明内容

本发明的目的是为了有效的模拟空化涡带的形态以便于分析涡带的行为，本发明提供了一种模拟空化涡带形态的实验装置，所述实验装置包括稳压水罐1、环路管道若干组、压力传感器5、温度传感器15、不锈钢泵19、调频电机20、气蚀罐23、电磁流量计33、真空表40、真空泵系统、管道支撑系统若干个和旋拧流动发生装置；所述气蚀罐23顶部与压水罐1的顶部通过环路管道45连接，所述气蚀罐23与真空泵系统相连接，所述气蚀罐23位于压水罐1的一侧，所述压水罐1的另一侧与旋拧流动发生装置通过环路管道3连接，所述压水罐1的顶部安装真空表40，所述旋拧流动发生装置与水平面垂直设置，所述压力传感器5安装在环路管道3的垂直水平面的管道外侧，所述旋拧流动发生装置与不锈钢泵19的一侧通过环路管道4连接，所述调频电机20与不锈钢泵19的另一侧连接，压水罐1通过环路管道32与不锈钢泵19连接，所述电磁流量计33安装在环路管道32外侧，所述温度传感器15安装在环路管道4的垂直水平面的管道内侧，所述旋拧流动发生装置与环路管道3通过上法兰盘52连接，所述旋拧流动发生装置与环路管道4通过下法兰盘53连接，所述旋拧流动发生装置包括固定轮10、活动转轮12和透明渐扩管道13，所述上法兰盘52和下法兰盘53之间通过管道14连接，所述透明渐扩管道13位于管道14内部，所述透明渐扩管道13的上端与上法兰盘52连接，透明渐扩管道13的下端与下法兰盘53连接，所述透明渐扩管道13内部设置固定轮10和活动转轮12，所述固定轮10通过与轴承过盈配合固定在透明渐扩管道13的管壁上，所述固定轮10可以在流体流动的时候保持静止，所述透明渐扩管道13上固定固定轮10的位置位于透明渐扩管道13的渐缩段的上方，所述透明渐扩管道13的渐缩段的下方是透明渐扩管道13的渐扩段，所述透明渐扩管道13的透明度能够满足光学采集所需的条件；所述固定轮10由多个固定轮叶片54、固定轮圆柱轮毂55和固定轮头部锥形段56组成，所述固定轮叶片54均匀周向布设在固定轮圆柱轮毂55的表面，所述固定轮头部锥形段56与固定轮圆柱轮毂55的一端吻合连接，所述活动转轮12固定在固定轮10的下端并与固定轮10通过轴承连接，所述活动转轮12可以实现自由转动，所述活动转轮12由多个活动转轮叶片57、活动转轮圆柱轮毂58和活动转轮尾部锥形段59组成，所述固定轮叶片57均匀周向布设在活动转轮圆柱轮毂58的表面，所述活动转轮尾部锥形段61与活动转轮圆柱轮毂58的一端吻合连接，所述固定轮10的固定轮圆柱轮毂55的另一端与活动转轮12的活动转轮圆柱轮毂58的另一端连接。

进一步地限定，所述固定轮10和活动转轮12的材料是POM塑料。

进一步地限定，所述固定轮10的固定轮叶片54的个数为12；所述固定轮叶片54的前缘半径为0.5920mm，所述固定轮叶片54的后缘半径为0.4113mm，所述固定轮叶片54的叶片高度为20.0000mm，所述固定轮叶片54的叶栅节距为25.8819mm，所述固定轮叶片54的前缘锥角为4.0726°，所述固定轮叶片54的后缘锥角为8.4634°，所述固定轮10的定子入口结构角为73.2023°，所述固定轮10的定子出口结构角为27.6323°；所述固定轮圆柱轮毂55的直径为60.0000mm，所述固定轮头部锥形段56锥角为38.0521°。

进一步地限定，所述活动转轮12的活动转轮叶片57的个数为10，所述活动转轮叶片57的前缘半径为0.8994mm，所述活动转轮叶片57的后缘半径为0.5071mm，所述活动转轮叶片57的叶片高度为20.0000mm，所述活动转轮叶片57的叶栅节距为30.9017mm，所述活动转轮叶片57的前缘锥角为6.5468°，所述活动转轮叶片57的后缘锥角为6.8914°，所述活动转轮12的转子入口结构角为70.1004°，所述活动转轮12的转子出口结构角为24.1522°；所述活动转轮圆柱轮毂57的直径为60.0000mm，所述活动转轮尾部锥形段59的锥角为33.5216°。

进一步地限定，所述透明渐扩管道13的材料是甲基丙烯酸甲酯，所述透明渐扩管道13的尺寸是。

进一步地限定，流体流过所述固定轮10后产生旋拧流动，模拟水流过双列叶栅时的流动状态。

进一步地限定，流体流过所述活动转轮12后在形成涡带。

进一步地限定，在所述管道14的外侧安装压力传感器11来监测涡带处的压力脉动情况。

进一步地限定，所述不锈钢泵19和调频电机20能够调整调节涡带形态的装置中流量的大小。

进一步地限定，稳压水罐1和气蚀罐23能够稳定调节涡带形态的装置中的压力变化。

有益效果：本发明的模拟空化涡带形态的实验装置及数据采集系统通过固定轮和活动转轮等装置，实现了对于水轮机尾水管处的流动状态的模拟其中流体通过固定轮后模拟了固定导叶以及活动导叶处的流动状态，而活动转轮则模拟了水轮机中的转轮，故可以在下游模拟出泄水锥直锥处的涡带流态，且可以通过管道环路中离心泵调整实验段中的流量，真空泵调整实验系统中的压力以调整空化数，最终实现工况的调整以及涡带形态的观测。通过改变不同入口流量及入口压力，模拟水轮机真机中的尾水管涡带旋拧情况，研究这些区域中存在的流动现象，有助于认识流动中发生的空化和旋涡现象，例如旋涡空化，尾水涡带，气蚀等。本发明适用于尾水管结构及涡带处流动控制，可应用于科研，教学，演示实验中。

附图说明

图1为本发明提供的模拟空化涡带形态的实验装置示意图；

图2为本发明提供的旋拧流动发生装置的示意图；

图3为本发明提供的旋拧流动发生装置中的固定轮的示意图；

图4为本发明提供的旋拧流动发生装置中的活动转轮的示意图。

具体实施例

实施例1.

本发明所述的模拟空化涡带形态的实验装置，包括稳压水罐1，电动开关蝶阀2、17、36，环路管道组3、4、14、18、32、34、38、39、45、48，环路软管35、46、49，压力传感器5、11，螺栓组6、7、8、9、24、25、26、27、28、29、30、31、41、42、43、44，旋拧流动发生装置包括10、12、13，温度传感器15，放水(气)阀16、21、37，不锈钢泵19，调频电机20，气蚀罐23，电磁流量计33，真空表40，真空泵系统、管道支撑系统50、51。

图1为本发明提供的模拟空化涡带形态的实验装置示意图，本发明提供了一种模拟空化涡带形态的实验装置，所述的装置包括稳压水罐1、环路管道若干组、压力传感器5、温度传感器15、不锈钢泵19、调频电机20、气蚀罐23、电磁流量计33、真空表40、真空泵系统、管道支撑系统若干个和旋拧流动发生装置；所述气蚀罐23顶部与压水罐1的顶部通过环路管道45连接，所述气蚀罐23与真空泵系统相连接，所述气蚀罐23位于压水罐1的一侧，所述压水罐1的另一侧与旋拧流动发生装置通过环路管道3连接，所述压水罐1的顶部安装真空表40，所述旋拧流动发生装置与水平面垂直设置，所述压力传感器5安装在环路管道3的垂直水平面的管道外侧，所述旋拧流动发生装置与不锈钢泵19的一侧通过环路管道4连接，所述调频电机20与不锈钢泵19的另一侧连接，压水罐1通过环路管道32与不锈钢泵19连接，所述电磁流量计33安装在环路管道32外侧，所述温度传感器15安装在环路管道4的垂直水平面的管道内侧，所述旋拧流动发生装置与环路管道3通过上法兰盘52连接，所述旋拧流动发生装置与环路管道4通过下法兰盘53连接；

图2为本发明提供的旋拧流动发生装置的示意图，所述旋拧流动发生装置包括固定轮10、活动转轮12和透明渐扩管道13，所述上法兰盘52和下法兰盘53之间通过管道14连接，所述透明渐扩管道13位于管道14内部，所述透明渐扩管道13的上端与上法兰盘52连接，透明渐扩管道13的下端与下法兰盘53连接，所述透明渐扩管道13内部设置固定轮10和活动转轮12，所述固定轮10通过与轴承过盈配合固定在透明渐扩管道13的管壁上，所述固定轮10可以在流体流动的时候保持静止，所述透明渐扩管道13上固定固定轮10的位置位于透明渐扩管道13的渐缩段的上方，所述透明渐扩管道13的渐缩段的下方是透明渐扩管道13的渐扩段；所述透明渐扩管道13的透明度能够满足光学采集所需的条件；所述固定轮10由多个固定轮叶片54、固定轮圆柱轮毂55和固定轮头部锥形段56组成，所述固定轮叶片54均匀周向布设在固定轮圆柱轮毂55的表面，所述固定轮头部锥形段56与固定轮圆柱轮毂55的一端吻合连接，所述活动转轮12固定在固定轮10的下端并与固定轮10通过轴承连接，所述活动转轮12可以实现自由转动，所述活动转轮12由多个活动转轮叶片57、活动转轮圆柱轮毂58和活动转轮尾部锥形段59组成，所述固定轮叶片57均匀周向布设在活动转轮圆柱轮毂58的表面，所述活动转轮尾部锥形段61与活动转轮圆柱轮毂58的一端吻合连接，所述固定轮10的固定轮圆柱轮毂55的另一端与活动转轮12的活动转轮圆柱轮毂58的另一端连接。所述固定轮10和活动转轮12的材料是POM塑料。

图3为本发明提供的旋拧流动发生装置中的固定轮的示意图，所述固定轮10的固定轮叶片54的个数为12；所述固定轮叶片54的前缘半径为0.5920mm，所述固定轮叶片54的后缘半径为0.4113mm，所述固定轮叶片54的叶片高度为20.0000mm，所述固定轮叶片54的叶栅节距为25.8819mm，所述固定轮叶片54的前缘锥角为4.0726°，所述固定轮叶片54的后缘锥角为8.4634°，所述固定轮10的定子入口结构角为73.2023°，所述固定轮10的定子出口结构角为27.6323°；所述固定轮圆柱轮毂55的直径为60.0000mm，所述固定轮头部锥形段56锥角为38.0521°。

图4为本发明提供的旋拧流动发生装置中的活动转轮的示意图，所述活动转轮12的活动转轮叶片57的个数为10，所述活动转轮叶片57的前缘半径为0.8994mm，所述活动转轮叶片57的后缘半径为0.5071mm，所述活动转轮叶片57的叶片高度为20.0000mm，所述活动转轮叶片57的叶栅节距为30.9017mm，所述活动转轮叶片57的前缘锥角为6.5468°，所述活动转轮叶片57的后缘锥角为6.8914°，所述活动转轮12的转子入口结构角为70.1004°，所述活动转轮12的转子出口结构角为24.1522°；所述活动转轮圆柱轮毂57的直径为60.0000mm，所述活动转轮尾部锥形段59的锥角为33.5216°。所述透明渐扩管道13的材料是甲基丙烯酸甲酯，所述透明渐扩管道13的尺寸是。流体流过所述固定轮10后产生旋拧流动，模拟水流过双列叶栅时的流动状态。流体流过所述活动转轮12后在形成涡带。在所述管道14的外侧安装压力传感器11来监测涡带处的压力脉动情况。所述不锈钢泵19和调频电机20能够调整调节涡带形态的装置中流量的大小。稳压水罐1和气蚀罐23能够稳定调节涡带形态的装置中的压力变化。

模拟空化涡带形态的实验装置的使用方法：当确定了本次实验所需的流量工况以及空化数时，可以通过调整不锈钢离心泵19来调节实验所需的流量工况，也能在保证流量的情况下，通过调节真空泵系统来调整实验台的压强，由此来调节实验台的空化数，以实现该实验条件下的数据收集和探究。当要开启模拟空化涡带形态的实验装置，开始进行实验时，首先调整调频电机20来控制不同的离心泵19的转速，使实验台逐渐运行在稳定状态，同时观察压力表40示数，防止试验系统内产生较大的压力或压力脉动，发生危险，在此过程中还应仔细观察旋拧流动发生装置中活动转轮12是否正常转动。当实验台运行较为平稳后，再开启真空泵系统，逐渐调节实验系统内压力大小，保证满足实验所需空化数条件。观察旋拧流动发生装置的透明渐扩管道13内的涡带形态。如涡带形态不理想则可继续调整调频电机20和真空泵系统，来调整涡带形态。如果涡带形态较为理想，则可通过频闪相机和压力传感器11来采集涡带附近的流场信息。

模拟涡带的原理：发生在活动转轮12正下方透明管段中的现象是旋涡的涡流带。受活动转轮12中流出的液体残留的圆周方向速度分量的作用，在实验台活动转轮12受到冲击后旋转，旋转中心处压强降低，当压强低于该温度下的水的饱和蒸气压时，就会在转轮出口中心处出现空化现象。又由于活动转轮12在旋转过程中带动下游流体产生较大的角速度分量，所以形成了涡带。就会发生尾水管涡带。

为了模拟水轮机内部的流动情况，该实验装置包括了两个叶轮结构：固定轮10和活动转轮12。其中固定轮10模拟了混流式水轮机真机的固定导叶以及活动导叶，流体流过固定轮10后流动状态类似于水轮机导叶出口处的流动状态。而流体从固定轮10流出后会冲击活动转轮12，以此来模拟混流式水轮机真机中的转轮受到水流冲击而开始发生转动的场景，模拟了水轮机中的转轮，故可以在下游模拟出泄水锥直锥处的涡带流态。

Claims (10)

1.一种模拟空化涡带形态的实验装置，其特征在于，所述实验装置包括稳压水罐(1)、环路管道若干组、压力传感器(5)、温度传感器(15)、不锈钢泵(19)、调频电机(20)、气蚀罐(23)、电磁流量计(33)、真空表(40)、真空泵系统(50)、管道支撑系统若干个和旋拧流动发生装置；所述气蚀罐(23)顶部与压水罐(1)的顶部通过环路管道(45)连接，所述气蚀罐(23)与真空泵系统相连接，所述气蚀罐(23)位于压水罐(1)的一侧，所述压水罐(1)的另一侧与旋拧流动发生装置通过环路管道(3)连接，所述压水罐(1)的顶部安装真空表(40)，所述旋拧流动发生装置与水平面垂直设置，所述压力传感器(5)安装在环路管道(3)的垂直水平面的管道外侧，所述旋拧流动发生装置与不锈钢泵(19)的一侧通过环路管道(4)连接，所述调频电机(20)与不锈钢泵(19)的另一侧连接，压水罐(1)通过环路管道(32)与不锈钢泵(19)连接，所述电磁流量计(33)安装在环路管道(32)外侧，所述温度传感器(15)安装在环路管道(4)的垂直水平面的管道内侧，所述旋拧流动发生装置与环路管道(3)通过上法兰盘(52)连接，所述旋拧流动发生装置与环路管道(4)通过下法兰盘(53)连接，所述旋拧流动发生装置包括固定轮(10)、活动转轮(12)和透明渐扩管道(13)，所述上法兰盘(52)和下法兰盘(53)之间通过管道(14)连接，所述透明渐扩管道(13)位于管道(14)内部，所述透明渐扩管道(13)的上端与上法兰盘(52)连接，透明渐扩管道(13)的下端与下法兰盘(53)连接，所述透明渐扩管道(13)内部设置固定轮(10)和活动转轮(12)，所述固定轮(10)通过与轴承过盈配合固定在透明渐扩管道(13)的管壁上，所述固定轮(10)可以在流体流动的时候保持静止，所述透明渐扩管道(13)上固定固定轮(10)的位置位于透明渐扩管道(13)的渐缩段的上方，所述透明渐扩管道(13)的渐缩段的下方是透明渐扩管道(13)的渐扩段；所述透明渐扩管道(13)的透明度能够满足光学采集所需的条件；所述固定轮(10)由多个固定轮叶片(54)、固定轮圆柱轮毂(55)和固定轮头部锥形段(56)组成，所述固定轮叶片(54)均匀周向布设在固定轮圆柱轮毂(55)的表面，所述固定轮头部锥形段(56)与固定轮圆柱轮毂(55)的一端吻合连接，所述活动转轮(12)固定在固定轮(10)的下端并与固定轮(10)通过轴承连接，所述活动转轮(12)可以实现自由转动，所述活动转轮(12)由多个活动转轮叶片(57)、活动转轮圆柱轮毂(58)和活动转轮尾部锥形段(59)组成，所述固定轮叶片(57)均匀周向布设在活动转轮圆柱轮毂(58)的表面，所述活动转轮尾部锥形段(61)与活动转轮圆柱轮毂(58)的一端吻合连接，所述固定轮(10)的固定轮圆柱轮毂(55)的另一端与活动转轮(12)的活动转轮圆柱轮毂(58)的另一端连接。

2.根据权利要求1所述的模拟空化涡带形态的实验装置，其特征在于，所述固定轮(10)和活动转轮(12)的材料是POM塑料。

3.根据权利要求1所述的模拟空化涡带形态的实验装置，其特征在于，所述固定轮(10)的固定轮叶片(54)的个数为12；所述固定轮叶片(54)的前缘半径为0.5920mm，所述固定轮叶片(54)的后缘半径为0.4113mm，所述固定轮叶片(54)的叶片高度为20.0000mm，所述固定轮叶片(54)的叶栅节距为25.8819mm，所述固定轮叶片(54)的前缘锥角为4.0726°，所述固定轮叶片(54)的后缘锥角为8.4634°，所述固定轮(10)的定子入口结构角为73.2023°，所述固定轮(10)的定子出口结构角为27.6323°；所述固定轮圆柱轮毂(55)的直径为60.0000mm，所述固定轮头部锥形段(56)锥角为38.0521°。

4.根据权利要求1所述的模拟空化涡带形态的实验装置，其特征在于，所述活动转轮(12)的活动转轮叶片(57)的个数为10，所述活动转轮叶片(57)的前缘半径为0.8994mm，所述活动转轮叶片(57)的后缘半径为0.5071mm，所述活动转轮叶片(57)的叶片高度为20.0000mm，所述活动转轮叶片(57)的叶栅节距为30.9017mm，所述活动转轮叶片(57)的前缘锥角为6.5468°，所述活动转轮叶片(57)的后缘锥角为6.8914°，所述活动转轮(12)的转子入口结构角为70.1004°，所述活动转轮(12)的转子出口结构角为24.1522°；所述活动转轮圆柱轮毂(57)的直径为60.0000mm，所述活动转轮尾部锥形段(59)的锥角为33.5216°。

5.根据权利要求1所述的模拟空化涡带形态的实验装置，其特征在于，所述透明渐扩管道(13)的材料是甲基丙烯酸甲酯，所述透明渐扩管道(13)的总长度为434.9125mm，所述透明渐扩管道(13)的渐缩段长度为63.3759mm，所述透明渐扩管道(13)的渐扩段长度为234.6278mm，所述透明渐扩管道(13)的渐扩角度为4.8013°，所述透明渐扩管道(13)的喉部直径为59.5595mm。

6.根据权利要求1所述的模拟空化涡带形态的实验装置，其特征在于，流体流过所述固定轮(10)后产生旋拧流动，模拟水流过双列叶栅时的流动状态。

7.根据权利要求1所述的模拟空化涡带形态的实验装置，其特征在于，流体流过所述活动转轮(12)后在形成涡带。

8.根据权利要求1所述的模拟空化涡带形态的实验装置，其特征在于，在所述管道(14)的外侧安装压力传感器(11)来监测涡带处的压力脉动情况。

9.根据权利要求1所述的模拟空化涡带形态的实验装置，其特征在于，所述不锈钢泵(19)和调频电机(20)能够调整调节涡带形态的装置中流量的大小。

10.根据权利要求1所述的模拟空化涡带形态的实验装置，其特征在于，稳压水罐(1)和气蚀罐(23)能够稳定调节涡带形态的装置中的压力变化。

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