一种模块化的水力机械模型试验台水力循环系统的制作方法

本发明属于水力机械试验技术领域，特别涉及一种模块化的水力机械模型试验台水力循环系统。

背景技术：

水力机械，指以液体为工作介质与能量载体的机械设备，是动力工程中最重要一类机械设备，广泛应用于能源、矿山、冶金、石油、化工、环境、建筑、水利、运输、航天航空、海事、军事等各个学科领域及各部门和国民经济的各行各业，不同应用场合的水力机械的结构型式和工作特点有很大差别。

水力机械模型的水力性能试验是正确验证水力机械的一个极为重要手段，它能提供水力机械的全面特性资料，进行水力机械模型试验也是当前水力机组性能验收的主要方法。因此水力机械模型试验台在水力机械行业发展起着十分重要的作用，它是水力机械机组性能优化重要设备。高精度、高稳定性的水力机械模型试验台是大型水力机械制造、研发企业或教学、科研单位必备的基础设施。

水力机械用途广泛，因此水力机械模型机组种类、结构、功能多种多样、其模型试验要求也各不相同。模型机组包括但不限于：不同结构的水轮机组，例如：混流式、轴流式、贯流式等；不同结构的叶片式水泵，例如：离心式、轴流式、混流式、贯流式等；水泵水轮机；水力机械过渡过程试验模型；水工建筑物模型、水力学模型、流量计标定系统等。模型机组的试验项目，包括但不限于：能量特性、气蚀特性、飞逸转速特性、水压力脉动特性、力特性、流动内特性、补气、四象限等。目前国内外已建成试验台数十个，其中近年来新建的大部分试验台多为水力机械通用模型试验台，也被称为水力机械多功能模型试验台。文献CN1808091A、CN104458316A、文献《水力机械多功能试验台》、《水力机械多功能模型试验台》、《东芝水电水力机械通用试验台的特点》、《水力机械多功能模型试验台循环管路系统水力设计》、《DF-1大能量水轮机模型试验台》等，公开了多个水力机械多功能模型试验台，此类模型试验台可完成有限机型水力机械模型的部分试验。上述多个水力机械多功能模型试验台的水力循环系统具有共同特点为：试验台部件相对位置固定、试验调整能力不足；功能覆盖机型有限，可拓展性不强；试验台部件非标件多，互换性差，维修、使用成本高；投资大，占地广。

模块化设计在电子设备、汽车、造船和家电等行业，模块化得到了不同程度地应用和发展，取得了较多成果。模块化的机械产品主要具有互换性强、可拓展性强、便于维修、节约成本等特点。

综上所述，我们需要一种模块化的水力机械模型试验台水力循环系统，采用模块化组件技术将水力机械模型试验台水力循环系统分解为更小的易管理、控制的组件单元即模块化单元进行设计、安装、运行,可有效的提高试验台试验能力。满足不同种类、不同结构、不同功能的水力模型机组的试验要求，使其具有高精度、高稳定性、多功能、灵活安装，便于使用特点。

技术实现要素：

本发明的目的是设计一种模块化的水力机械模型试验台水力循环系统，满足背景技术所述的不同种类、不同结构、不同功能的水力模型试验机组的试验要求，使其具有高精度、高稳定性、多功能、灵活安装，便于使用特点。

为满足上述技术要求，本发明的技术方案如下：

一种模块化的水力机械模型试验台水力循环系统，所述模块化的水力机械模型试验台水力循环系统，由以下模块组成：水流模块、动力模块、流量测量模块、稳压模块。

所述水流模块为水力循环系统提供完整的液流通道，改变水力循环不同液流方向，连接水力模型试验模型机组与其他模块。所述水流模块由阀门单元1-8，三通单元9、11、18、20、24、29，弯管单元10、12、15、19、21、25、28、32，直管单元13、14、16、17、22、23、30、31，弹性伸缩节单元26、27组成，全部单元具有相同内径尺寸，连接处采用同规格、尺寸的法兰与伸缩节，通过螺栓螺母结构锁紧进行组合连接。其中：所述的三通单元11、18与动力模块，三通单元20、弯管单元21与流量测量模块，弹性伸缩节单元26、27与稳流模块均采用标准化接口，连接处采用同规格、尺寸法兰与伸缩节，通过螺栓螺母结构锁紧进行弹性连接，解除相对位置的连接，增加直管单元，动力模块、流量测量模块、稳流模块可根据实际试验需要进行空间大距离位移调整；所述的直管单元13、14、16、17、22、23、30、31长度根据实际安装需要进行设计；阀门单元、三通单元、弯管单元、弹性伸缩节单元同类单元内采用标准化、同规格产品、具有互换性。所述的阀门1-8，根据试验需要可进行组合开关，改变水力循环不同液流方向、切换不同模块参加试验过程，从而达到试验要求；

所述动力模块提供水力循环动力，保证模型机组试验所需流量、水头试验条件，由至少一组泵阀单元组成，所述的泵阀单元由泵36，阀门37-39，三通47、48及直管46组成。泵阀单元与水流模块的进口水通过三通33、34相连，泵阀单元与水流模块出水口与三通44、45相连，三通33、34、44、45为标准化、同规格产品，具有互换性，连接处采用同规格、尺寸的法兰与伸缩节，通过螺栓螺母结构锁紧后弹性连接泵阀单元，并可通过增加同类部件35、49等拓展增加泵阀单元，泵阀单元并列布置，并提供正向液流，泵阀单元间通过标准化三通47连接。所述的泵阀单元可多级串联或并联使用。

所述流量测量模块完成水力循环系统的流量测量、校验，由至少一个流测单元组成。所 述的流测单元由阀门52、变径53、变径58、直管54、直管57、电磁流量计55组成，其特征在于直管54、直管17、电磁流量计55具有相同内径尺寸，采用同规格尺寸法兰、伸缩节通过螺栓螺母结构进行组合连接，直管54、直管57长度相同，且长度大于流量计55直径的10倍，可测量正负双向液流流量。所述的流测单元进、出水口与三通50、65相连，三通50、65为标准化、同规格产品、具有互换性，采用同规格尺寸法兰、伸缩节进行弹性连接流测单元，并可通过增加同类部件三通51、66可拓展增加流测单元，流测单元并列布置，安装的电磁流量计直径可大小不同，也可相同。一些实施例中，试验分别测量大流量工况流量，小流量工况流量，电磁流量计55采用大直径电磁流量计、电磁流量计62采用小直径电磁流量计，测量大流量工况时，阀门52开启，阀门59关闭，测量小流量工况时，阀门52关闭，阀门59开启，一些实施例中，试验需互为校验两个直径相同电磁流量计准确性，电磁流量计55、62采用相同直径，阀门52开启，阀门59关闭，电磁流量计55工作，阀门52关闭，阀门59开启，电磁流量计62工作，比较两者测量值，是否相同。

所述稳压模块提供大容量、稳定的水力边界条件，由至少一个压力罐单元组成。压力罐单元由法兰67、地脚68、排水管69、窥视孔71、传感器接口72、70、压力帽80、气体接口81、罐体74、罐体法兰76、伸缩节法兰77、79，伸缩节78、盲板73、稳流栅82组成。其中：法兰67通过螺栓螺母结构连接水流模块的弹性伸缩节；地脚68安装于试验台架的预埋滑轨上，可以前后大位移移动；排水管69具有标准化法兰接口，用来放空压力罐单元内部液体，便于检修；窥视孔71具有透明高压玻璃视窗，观察压力罐单元内部液流状态；传感器接口70、72采用标准传感器内螺纹开孔，连接液位计、温度计、压力传感器等测量设备；压力帽80、气体接口81为压力罐单元加压，抽真空功能发生装置；气体接口81具有标准化内螺纹结构，外接加压、抽真空设备；压力帽80调节、缓冲压力罐单元内部压力；罐体74与伸缩节78通过罐体法兰76、伸缩节法兰77及螺栓螺母结构进行连接，松开该连接，伸缩节78根据模型机组安装要求实现大距离前后位移，连接处具有密封结构；盲板73安装在伸缩节78上，盲板73与伸缩节法兰79通过螺栓螺母结构进行连接，连接处具有密封结构，松开连接可更换盲板73；盲板73为参数化、高强度圆形钢板，与模型机组连接，可根据模型机组接口形状进行开口，并通过焊接方式进行连接，更换不同模型机组时，更换盲板73即可实现模型机组与稳压模块的更换连接；稳流栅82为圆型高强度钢板，直径与罐体74内径相同，并通过焊接连接于罐体74上，根据试验对流动稳定性要求，稳流栅82进行阵列开孔，孔大小及数量与罐体的连接位置，通过水力计算确定。一些实施例中，压力罐单元并联在模型机组一侧，一些实施例中，压力罐单元串联布置在模型机组两侧，压力罐首尾相对布置，与水流模块，模型机组组成水力循环系统。

本发明优点及积极效果是：

(1)采用模块化组件技术将水力机械模型试验台水力循环系统分解为更小的易管理、控制的组件单元即模块化单元进行设计、安装、运行,有效的提高试验台试验能力。水力机械模型试验台水力循环系统的模块化设计其组件间的接口全部指定或标准化，标准化的组件接口定义了水力机械模型试验台水力循环系统的模块间的功能、空间关系等信息。

(2)模块化的水力循环系统高度集中了各种流动部件，模块化各部件具有相对独立性，各模块可单独或组合进行调试、使用；模块化内部单元具有互换性，模块间接口部位的结构、尺寸和参数标准化，实现模块内、模块间的互换，保证模块的通用性；各模块内及模块间空间位置大位移可调0-3m，满足的不同试验的需要。

(3)满足IEC有关规程的规定，满足水力机械性能比较与验收试验；满足的模型机组包括但不限于：不同结构的水轮机组，例如：混流式、轴流式、贯流式等；不同结构的叶片式水泵，例如：离心式、轴流式、混流式、贯流式等；水泵水轮机；水力机械过渡过程试验模型；水工建筑物模型、水力学模型、流量计标定系统等。满足的模型机组的试验项目，包括但不限于：能量特性、气蚀特性、飞逸转速特性、水压力脉动特性、力特性、流动内特性、补气、四象限等。最终实现满足不同种类、不同结构、不同功能的水力模型试验机组的各项基础性及应用基础性试验要求，同时可拓展完成水力学试验。

(4)水力循环系统运行稳定，重复性好，保证水力机械模型试验台的综合误差达到：<±0.3％。

(5)模块化的水力循环系统促使水力机械模型试验台成为水力机械及工程技术创新平台。可具有深入的教学和有特色的科学研究功能，满足的测量项目还包括：

1)流动可视化：流体机械内部流动PIV测量、特殊流动现象的观察等；

2)非定常流动现象及动力特性测量；

3)新型水力机械的研发、空化与空蚀、磨损性能测试，抗磨损材料的测试试验，转子动力学的试验测量研究；

4)水轮发电机组控制系统的试验，建立水轮发电机组全范围运行仿真系统；

附图说明

图1模块化水力循环系统图；

图2水流模块示意图；

图3动力模块示意图；

图4流量测量模块示意图；

图5稳压模块示意图。

具体实施方式

下面结合附图1-5对本发明的原理和具体实施作进一步的说明。

一种模块化的水力机械模型试验台水力循环系统，所述模块化的水力机械模型试验台水力循环系统，由以下模块组成：水流模块、动力模块、流量测量模块、稳压模块。

水流模块为水力循环系统提供完整的液流通道，切换水力循环不同液流方向，连接模型机组与其他模块。水流模块由阀门单元1-8，三通单元9、11、18、20、24、29，弯管单元10、12、15、19、21、25、28、32，直管单元13、14、16、17、22、23、30、31，弹性伸缩节单元26、27组成，各单元具有相同内径尺寸，采用同规格尺寸法兰、伸缩节通过螺栓螺母结构进行组合连接。其中：三通单元11、18与动力模块，三通单元20、弯管单元21与流量测量模块，弹性伸缩节单元26、弹性伸缩节单元27与稳流模块均采用标准化、参数化接口，采用同规格尺寸法兰、伸缩节通过螺栓螺母结构进行弹性连接，解除螺栓螺母的相对位置的连接，通过增加直管单元，动力模块、流量测量模块、稳流模块1、稳流模块2可根据实际试验需要进行空间大距离位移调整，所述的直管单元13、14、16、17、22、23、30、31长度根据实际安装需要进行设计，阀门单元、三通单元、弯管单元、弹性伸缩节单元同类单元内采用标准化、同规格产品、具有互换性。

当完成模型机组为正向水轮机工况时，阀门单元1、4开启，阀门单元2、3关闭，动力模块向水力循环系统提供正液流方向动力，水力循环系统具有正液流方向；当完成模型机组为负向水轮机工况时，阀门单元1、4关闭，阀门单元2、3开启、动力模块向水力循环提供正液流方向动力，水力循环系统具有负液流方向；当完成模型机组为水泵工况时，阀门单元1、2关闭，阀门单元3、4开启或者阀门单元1、2开启、阀门单元3、4关闭，动力模块停止工作，水力循环系统液流方向与模型机组提供液流动力方向相同；当完成模型机组为水轮机或水泵工况时，阀门单元6、8开启，阀门单元5、7关闭，稳压模块1、稳压模块2参与水力循环系统工作；当完成模型机组为流量标定工况时，阀门单元6、8关闭，阀门单元5、7开启，稳压模块1、稳压模块2不参加水力循环系统工作；当完成模型机组为水工建筑物模型、或者水力学物理模型试验时，阀门单元6、7开启、阀门单元5、8关闭，稳压模块2参与水力循环系统工作，稳压模块1不参加水力循统工作，当完成模型机组为水力机械过渡过程物理模型试验时，阀门单元6、7关闭、阀门单元5、8开启，稳压模块2不参与水力循环系统工作，稳压模块1参加水力循环系统工作。

动力模块提供水力循环动力，保证模型机组试验所需流量、水头试验条件，由至少一组泵阀单元组成。其中：泵阀单元由泵36，阀门37、38、39，三通48、47及直管46组成。泵阀单元与水流模块的进口水通过三通33、34相连，泵阀单元与水流模块出水口与三通44、45相连。三通33、34、44、45为标准化、同规格产品、具有互换性，采用同规格尺寸法兰、伸缩节通过螺栓螺母结构弹性连接泵阀单元，并可通过增加同类部件三通35、49拓展增加泵 阀单元，泵阀单元并列布置，并提供正向液流，泵阀单元间通过标准化部件三通47连接。当完成模型机组为混流式水轮机模型试验时，水力循环系统需要高水头试验条件，泵阀单元串联使用，泵36、40运行，阀门37、47、41、43关闭，阀门38、42开启；当当完成模型机组为贯流式或者轴流式水轮机模型试验时，水力循环系统需要大流量试验条件，泵阀单元并联使用，泵36、40运行，阀门37、47、43、41开启，阀门38、42关闭；当某一泵阀单元出现故障时，以泵36出现故障停机为例，泵40运行，阀门37、38、42、43关闭，阀门39、41开启。

流量测量模块完成水力循环系统的流量测量、校验、由至少一个流测单元组成。流测单元由阀门52、变径53、变径58、直管54、直管57、电磁流量计55组成，直管54、直管17、电磁流量计55具有相同内径尺寸，采用同规格尺寸法兰、弹性伸缩节通过螺栓螺母结构进行组合连接，直管54、直管57长度相同，且长度大于流量计55直径的10倍，可测量正负双向液流流量。流测单元进、出水口与三通50、65相连，三通50、65为标准化、同规格产品、具有互换性，采用同规格尺寸法兰、伸缩节进行弹性连接流测单元，并可通过增加同类部件三通51、66可拓展增加流测单元，流测单元并列布置，安装的电磁流量计直径可大小不同，也可相同。当完成模型机组为混流式水轮机大流量偏工况及小流量偏工况时，需分别测量大流量工况流量，小流量工况流量，电磁流量计55采用大直径电磁流量计、电磁流量计62采用小直径电磁流量计，测量大流量工况时，阀门52开启，阀门59关闭，测量小流量工况时，阀门52关闭，阀门59开启，当水力循环系统不具备流量计标定功能时，试验需互为校验两个直径相同电磁流量计准确性，电磁流量计55、62采用相同直径，阀门52开启，阀门59关闭，电磁流量计55工作，阀门52关闭，阀门59开启，电磁流量计62工作，比较两者测量值，是否相同。

稳压模块提供大容量、稳定的水力边界条件，由至少一个压力罐单元组成。压力罐单元由法兰67、地脚68、排水管69、窥视孔71、传感器接口72、70、压力帽80、气体接口81、罐体74、罐体法兰76、伸缩节法兰77、79，伸缩节78、盲板73、稳流栅82组成。其中：法兰67通过螺栓螺母结构连接水流模块的弹性伸缩节；地脚68安装于试验台架的预埋滑轨上，可以前后大位移移动；排水管69具有标准化法兰接口，用来放空压力罐单元内部液体，便于检修；窥视孔71具有透明高压玻璃视窗，观察压力罐单元内部液流状态；传感器接口70、72采用标准传感器内螺纹开孔，连接液位计、温度计、压力传感器等测量设备；压力帽80、气体接口81为压力罐单元加压，抽真空功能发生装置；气体接口81具有标准化内螺纹结构，外接加压、抽真空设备；压力帽80调节、缓冲压力罐单元内部压力；罐体74与伸缩节78通过罐体法兰76、伸缩节法兰77及螺栓螺母结构进行连接，松开该连接，伸缩节78根据模型机组安装要求实现大距离前后位移，连接处具有密封结构；盲板73安装在伸缩节78上，盲板73与伸缩节法兰79通过螺栓螺母结构进行连接，连接处具有密封结构，松开连 接可更换盲板73；盲板73为参数化、高强度圆形钢板，与模型机组连接，可根据模型机组接口形状进行开口，并通过焊接方式进行连接，更换不同模型机组时，更换盲板73即可实现模型机组与稳压模块的更换连接；稳流栅82为圆型高强度钢板，直径与罐体74内径相同，并通过焊接连接于罐体74上，根据模型机组试验对流动稳定性要求，稳流栅82进行阵列开孔，孔大小及数量与罐体的连接位置，通过水力计算确定。当完成模型机组为多机并联试验时，压力罐单元并联在模型机组一侧，当完成模型机组单机试验时，压力罐单元串联布置在模型机组两侧，压力罐首尾相对布置，与水流模块等模块及模型机组组成水力循环系统。

综上所述，本发明具有以下积极效果：

(1)采用模块化组件技术将水力机械模型试验台水力循环系统分解为更小的易管理、控制的组件单元即模块化单元进行设计、安装、运行,有效的提高试验台试验能力。水力机械模型试验台水力循环系统的模块化设计其组件间的接口全部指定或标准化，标准化的组件接口定义了水力机械模型试验台水力循环系统的模块间的功能、空间关系等信息。

(2)模块化的水力循环系统高度集中了各种流动部件，模块化各部件具有相对独立性，各模块可单独或组合进行调试、使用；模块化内部单元具有互换性，模块间接口部位的结构、尺寸和参数标准化，实现模块内、模块间的互换，保证模块的通用性；各模块内及模块间空间位置大位移可调0-3m，满足的不同试验的需要。

(3)满足IEC有关规程的规定，满足水力机械性能比较与验收试验；满足的模型机组包括但不限于：不同结构的水轮机组，例如：混流式、轴流式、贯流式等；不同结构的叶片式水泵，例如：离心式、轴流式、混流式、贯流式等；水泵水轮机；水力机械过渡过程试验模型；水工建筑物模型、水力学模型、流量计标定系统等。满足的模型机组的试验项目，包括但不限于：能量特性、气蚀特性、飞逸转速特性、水压力脉动特性、力特性、流动内特性、补气、四象限等。最终实现满足不同种类、不同结构、不同功能的水力模型试验机组的各项基础性及应用基础性试验要求，同时可拓展完成水力学试验。

(4)水力循环系统运行稳定，重复性好，保证水力机械模型试验台的综合误差达到：<±0.3％。

(5)模块化的水力循环系统促使水力机械模型试验台成为水力机械及工程技术创新平台。可具有深入的教学和有特色的科学研究功能，满足的测量项目还包括：

1)流动可视化：流体机械内部流动PIV测量、特殊流动现象的观察等；

2)非定常流动现象及动力特性测量；

3)新型水力机械的研发、空化与空蚀、磨损性能测试，抗磨损材料的测试试验，转子动力学的试验测量研究；

4)水轮发电机组控制系统的试验，建立水轮发电机组全范围运行仿真系统。

最后应说明的是：以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照具体实施方式对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各所记载的具体实施方式技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案脱离本发明具体实施方式技术方案的精神与范围。