一种测量冲击式水轮机表面动应力试验系统及方法与流程

本发明涉及一种测量冲击式水轮机表面动应力试验系统及方法，属于动应力测量领域。

背景技术：

冲击式水轮机斗叶除了受到空蚀破坏、泥沙磨损之外，通常还受卡门涡、尾水涡带、周期性脱流等水力激振的作用，这些交变载荷与静应力共同作用时，易达到斗叶材料的疲劳极限，造成斗叶的振动、噪音以及疲劳断裂。因而在冲击式水轮机上往往安装有随轴转动的应力仪，通过实时测量的动应力数据，来了解和掌控斗叶的强度和刚度，从而确保当前运行冲击式水轮机的稳定安全。

这种传统的测量方式是实地测量，存在以下缺点和困难，如要测量叶片的动应力，采集应变数据，需要将应力测试仪固定在大轴上，与之同步旋转，这给测量系统的布置安装带来了一定的困难；与此同时，测试应变片和信号引线也必须要随转轮旋转，并受到高速水流的连续冲刷，这时，测试应变片和信号引线的密封防水问题，以及测试信号线的稳固可靠、受潮、脱落问题也带来了很大的技术困难，增加了经济成本。因此现在急需一种简化的测量方式。

技术实现要素：

本发明提供了一种测量冲击式水轮机表面动应力试验系统及方法，解决了背景技术中披露的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种测量冲击式水轮机表面动应力试验系统，包括支架、转盘、第一立柱、第二立柱、应力仪和喷嘴；

转盘转动设置在支架上，转盘外缘设置有一组斗叶，斗叶动应力最大位置处设置有应变片，该组斗叶两侧的转盘外缘上均设置有防撞杆；

第一立柱和第二立柱设置在支架上，第一立柱和第二立柱分别位于两防撞杆的外侧；

应力仪设置在支架上，应力仪通过导线连接应变片；

喷嘴设置在支架上，喷嘴的出口朝向斗叶，向斗叶射出水流。

转盘通过转轴转动设置在支架上。

两防撞杆到各自最近斗叶之间的距离相等。

第一立柱到转盘中心的距离与第二立柱到转盘中心的距离相等。

第一立柱和转盘中心所在面与第二立柱和转盘中心所在面之间的夹角为90°。

转盘顶面上设置有固定点，固定点用以固定导线。

一组包括三个斗叶，相邻斗叶的间距相等。

喷嘴射出水流方向与转盘相切。

一种测量冲击式水轮机表面动应力试验系统的方法，包括，

初始时，确定好喷嘴向斗叶射出水流的射流角度和喷针行程，喷嘴射流，给转盘初始动能，推动转盘旋转；

响应于转盘到达第一立柱，切断喷嘴的射流，应力仪记录从开始射流到切断射流时间段，斗叶表面的瞬态压力，完成动应力的测量；

切断射流后，转盘在惯性作用下在第一立柱和第二立柱的之间往复转动，衰减转盘的能量，直至停止。

本发明所达到的有益效果：本发明通过试验模拟的方式测量冲击式水轮机表面动应力，通过喷嘴射出的水流带动斗叶转动，实现动应力测量，为水轮机结构和参数优化提供了基础。

附图说明

图1为本发明系统的结构示意图；

图2为斗叶的应变片布置图；

图3为喷嘴第一种开度的示意图；

图4为喷嘴第二种开度的示意图；

图5为喷嘴第三种开度的示意图。

具体实施方式

下面结合附图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，一种测量冲击式水轮机表面动应力试验系统，包括支架1、转盘9、第一立柱4、第二立柱5、应力仪3和喷嘴6。

转盘9为圆形结构，转盘9通过转轴2转动设置在支架1上，转盘9外缘固定有一组斗叶7，该组包括三个斗叶7，相邻斗叶7的间距相等，如图2斗叶7动应力最大位置处粘贴有应变片12，该组斗叶7两侧的转盘9外缘上均固定有防撞杆11，两防撞杆11到各自最近斗叶7之间的距离相等，所有防撞杆11和斗叶7均位于同一平面上。

第一立柱4和第二立柱5也固定在支架1上，第一立柱4和第二立柱5分别位于两防撞杆11的外侧，第一立柱4到转盘9中心的距离与第二立柱5到转盘9中心的距离相等，第一立柱4和转盘9中心所在面与第二立柱5和转盘9中心所在面之间的夹角为90°，通过第一立柱4和第二立柱5限制转盘9在09°范围内转动。

应力仪3设置在支架1上，应力仪3通过导线8连接应变片12，转盘9顶面上设置有固定点10，固定点10用以固定导线8，固定点10可以为粘贴在转盘9上的导线8固定夹等。固定点10将导线8分成两部分，应变片12至固定点10之间的导线8段留出较小余量，固定点10至应变仪之间的导线8段留出充足余量。

喷嘴6固定在支架1上，喷嘴6的出口朝向斗叶7，喷嘴6向斗叶7射出水流，喷嘴6射出水流方向与转盘9相切，该水流为模拟斗叶7将来所处环境下的水流，可根据实际情况调整其冲击力。

上述系统的方法，包括以下步骤：

1）初始时，确定好喷嘴6向斗叶7射出水流的射流角度a和喷针行程b，喷嘴6射流，给转盘9初始动能，推动转盘9旋转；如图3~5所示，喷嘴6根据不同情况进行开度调整。

2）防撞杆11同步跟随转盘9旋转，响应于转盘9到达第一立柱4，快速切断喷嘴6的射流，应力仪3记录从开始射流到切断射流时间段，斗叶7表面的瞬态压力，完成动应力的测量。

3）切断射流后，转盘9在惯性作用下在第一立柱4和第二立柱5的之间往复转动，衰减转盘9的能量，直至停止。

本发明通过试验模拟的方式测量冲击式水轮机表面动应力，通过喷嘴6射出的水流带动斗叶7转动，从而实现对动应力的测量，为水轮机结构和参数优化提供了基础。

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。

技术特征：

1.一种测量冲击式水轮机表面动应力试验系统，其特征在于：包括支架、转盘、第一立柱、第二立柱、应力仪和喷嘴；

转盘转动设置在支架上，转盘外缘设置有一组斗叶，斗叶动应力最大位置处设置有应变片，该组斗叶两侧的转盘外缘上均设置有防撞杆；

第一立柱和第二立柱设置在支架上，第一立柱和第二立柱分别位于两防撞杆的外侧；

应力仪设置在支架上，应力仪通过导线连接应变片；

喷嘴设置在支架上，喷嘴的出口朝向斗叶，喷嘴向斗叶射出水流。

2.根据权利要求1所述的一种测量冲击式水轮机表面动应力试验系统，其特征在于：转盘通过转轴转动设置在支架上。

3.根据权利要求1所述的一种测量冲击式水轮机表面动应力试验系统，其特征在于：两防撞杆到各自最近斗叶之间的距离相等。

4.根据权利要求1所述的一种测量冲击式水轮机表面动应力试验系统，其特征在于：第一立柱到转盘中心的距离与第二立柱到转盘中心的距离相等。

5.根据权利要求1所述的一种测量冲击式水轮机表面动应力试验系统，其特征在于：第一立柱和转盘中心所在面与第二立柱和转盘中心所在面之间的夹角为90°。

6.根据权利要求1所述的一种测量冲击式水轮机表面动应力试验系统，其特征在于：转盘顶面上设置有固定点，固定点用以固定导线。

7.根据权利要求1所述的一种测量冲击式水轮机表面动应力试验系统，其特征在于：一组包括三个斗叶，相邻斗叶的间距相等。

8.根据权利要求1所述的一种测量冲击式水轮机表面动应力试验系统，其特征在于：喷嘴射出水流方向与转盘相切。

9.基于权利要求1所述的一种测量冲击式水轮机表面动应力试验系统的方法，其特征在于：包括，

初始时，确定好喷嘴向斗叶射出水流的射流角度和喷针行程，喷嘴射流，给转盘初始动能，推动转盘旋转；

响应于转盘到达第一立柱，切断喷嘴的射流，应力仪记录从开始射流到切断射流时间段，斗叶表面的瞬态压力，完成动应力的测量；

切断射流后，转盘在惯性作用下在第一立柱和第二立柱的之间往复转动，衰减转盘的能量，直至停止。

技术总结
本发明公开了一种测量冲击式水轮机表面动应力试验系统，包括支架、转盘、第一立柱、第二立柱、应力仪和喷嘴；转盘转动设置在支架上，转盘外缘设置有一组斗叶，斗叶动应力最大位置处设置有应变片，该组斗叶两侧的转盘外缘上均设置有防撞杆；第一立柱和第二立柱设置在支架上，第一立柱和第二立柱分别位于两防撞杆的外侧；应力仪设置在支架上，应力仪通过导线连接应变片；喷嘴设置在支架上，喷嘴的出口朝向斗叶，喷嘴向斗叶射出水流。同时公开了相应的方法。本发明通过试验模拟的方式测量冲击式水轮机表面动应力，通过喷嘴射出的水流带动斗叶转动，实现对动应力的测量，为水轮机结构和参数优化提供了基础。

技术研发人员：葛新峰;孙洁;沈鑫伟;宁望望;张敬;徐挺;武恩全;宋攀登
受保护的技术使用者：河海大学
技术研发日：2019.12.17
技术公布日：2020.05.08