本實(shí)用新型涉及渦輪測試技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種渦輪實(shí)驗(yàn)臺。

背景技術(shù)：

目前，渦輪作為一種重要的流體動力學(xué)部件，可在空氣流、水流、泥漿流等流體介質(zhì)的能量驅(qū)動下發(fā)生旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而將流體的能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。常見的渦輪有渦輪發(fā)動機(jī)、水輪機(jī)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、渦輪鉆具定轉(zhuǎn)子等，在航空航天工程、水力電力工程、船舶汽車工業(yè)、石油鉆采工業(yè)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。渦輪加工的精度、選用的材質(zhì)等多種影響因素均會對渦輪的性能產(chǎn)生影響，但對渦輪性能起到?jīng)Q定性作用的影響因素是渦輪的幾何形狀，包括渦輪的徑向尺寸、幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)、葉片的型線、葉片的間隙尺寸等，因此，渦輪的設(shè)計(jì)是一件十分復(fù)雜的事情，往往需要進(jìn)行反復(fù)的性能測試和參數(shù)調(diào)整才能獲得一款性能優(yōu)異的渦輪。近些年，隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)(CAD)及計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)(CFD)的飛速發(fā)展，渦輪的設(shè)計(jì)能力有了飛速的提升，渦輪的設(shè)計(jì)技術(shù)已由圓弧線和雙曲螺線組合、拋物線和圓弧線組合、圓弧線或拋物線單一組合造型等傳統(tǒng)方法的基礎(chǔ)上發(fā)展為四階樣條、三次多項(xiàng)式、五次多項(xiàng)式、Bezier曲線等新方法，這類方法設(shè)計(jì)的渦輪型線具有連續(xù)的三階導(dǎo)數(shù)，滿足了葉片進(jìn)、出口角以及葉片流道連續(xù)收縮的要求，避免了無連續(xù)導(dǎo)數(shù)葉型曲線造成的流體速度和壓力的突變，提升了渦輪的流體力學(xué)特性。盡管渦輪的設(shè)計(jì)能力大大提升，但也使得渦輪的幾何形狀也隨之更為復(fù)雜，所需控制的參數(shù)也隨之大大增加。因此，如何快速有效地對渦輪的性能進(jìn)行測試與評定，驗(yàn)證計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)對渦輪性能的預(yù)測，進(jìn)而對渦輪設(shè)計(jì)參數(shù)的做出進(jìn)一步的調(diào)整和優(yōu)化，并有效地減少渦輪設(shè)計(jì)研發(fā)成本和周期，開發(fā)一種便捷高效的渦輪性能測試驗(yàn)證試驗(yàn)臺便具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前，國內(nèi)外擁有各種類型的渦輪試驗(yàn)臺，覆蓋范圍較廣，設(shè)計(jì)水輪機(jī)測試、航空發(fā)動機(jī)測試、汽車渦輪增壓器測試等等，均具有較強(qiáng)的專業(yè)性和單一性，雖然可以獲得詳細(xì)的具有針對性的測試數(shù)據(jù)，但不具有互換性，不可對不同類型渦輪零部件的性能進(jìn)行測試，且使用流體單一，僅可在單一的氣體或液體介質(zhì)條件下對渦輪進(jìn)行測試。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本實(shí)用新型提供一種渦輪實(shí)驗(yàn)臺，其可以實(shí)現(xiàn)單一渦輪實(shí)驗(yàn)臺上，利用不同流體介質(zhì)中對不同類型渦輪的性能進(jìn)行測試，不僅可獲得單或多級渦輪的扭矩、轉(zhuǎn)速等常規(guī)性能，而且可以測量出渦輪旋轉(zhuǎn)對其周圍流體圍壓的影響，還可以對渦輪的隨動性能進(jìn)行測量，實(shí)現(xiàn)對渦輪部件可用性、設(shè)計(jì)模型合理性、仿真預(yù)測準(zhǔn)確性的評測，為渦輪設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供依據(jù)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型提供如下技術(shù)方案：一種渦輪實(shí)驗(yàn)臺，包括渦輪測試裝置，所述渦輪測試裝置包括從上至下依次設(shè)置的第一驅(qū)動機(jī)構(gòu)、渦輪測試機(jī)構(gòu)和第二驅(qū)動機(jī)構(gòu)；

所述渦輪測試機(jī)構(gòu)包括流體進(jìn)口、上套筒、渦輪套筒、下套筒和流體出口，所述流體進(jìn)口、上套筒、渦輪套筒、下套筒和流體出口相互連接形成一流體通道，所述渦輪能夠通過渦輪安裝軸分別與第一驅(qū)動機(jī)構(gòu)和第二驅(qū)動機(jī)構(gòu)連接；

所述渦輪實(shí)驗(yàn)臺還包括用于采集渦輪工作狀態(tài)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

進(jìn)一步，所述渦輪安裝軸包括上渦輪安裝軸和下渦輪安裝軸，所述渦輪的一端通過上渦輪安裝軸與第一驅(qū)動機(jī)構(gòu)連接，所述渦輪的另一端通過下渦輪安裝軸與第二驅(qū)動機(jī)構(gòu)連接。

進(jìn)一步，所述渦輪測試裝置還設(shè)置有機(jī)架，所述機(jī)架上設(shè)置有第一橫支撐板和第二橫支撐板，所述第一橫支撐板上設(shè)置有上端面座，所述第二橫支撐板上設(shè)置有下端面座，所述上套筒與上端面座固定連接，所述下套筒與下端面座固定連接。

進(jìn)一步，所述上套筒內(nèi)設(shè)置有整流板，以利于在渦輪測試時獲得均勻穩(wěn)定的內(nèi)部流場。

進(jìn)一步，所述上端面座與下端面座上均設(shè)置有機(jī)床中心架，用于調(diào)整流體通道的軸向位置，保證渦輪安裝軸與電機(jī)軸的軸向同心度，以便于渦輪測試裝置的組裝和調(diào)試，避免了軸向位置偏差導(dǎo)致測試數(shù)據(jù)不可靠的情況發(fā)生。

進(jìn)一步，所述流體進(jìn)口處設(shè)置有進(jìn)口壓力傳感器，所述流體出口處設(shè)置有出口壓力傳感器和控制閥，用于測量進(jìn)口和出口的流體壓力差值，進(jìn)而可利用流體力學(xué)計(jì)算出渦輪旋轉(zhuǎn)所消耗的流體能量，對渦輪的效率進(jìn)行評價。

進(jìn)一步，所述渦輪處設(shè)置有環(huán)形排布壓力傳感器，所述環(huán)形排布壓力傳感器安裝在與渦輪對應(yīng)的渦輪套筒上，可用于測量渦輪旋轉(zhuǎn)對周圍流場的壓力影響。

進(jìn)一步，所述第一驅(qū)動結(jié)構(gòu)包括上部電機(jī)和第一聯(lián)軸器，所述上部電機(jī)通過第一聯(lián)軸器與上渦輪安裝軸連接，所述上渦輪安裝軸穿過上端面座并與其軸承連接；

所述第一聯(lián)軸器設(shè)置有上部轉(zhuǎn)扭傳感器，用于測試渦輪轉(zhuǎn)動的扭矩和轉(zhuǎn)速。

進(jìn)一步，所述第二驅(qū)動結(jié)構(gòu)包括下部電機(jī)和第二聯(lián)軸器，所述下部電機(jī)通過第二聯(lián)軸器與下渦輪安裝軸連接，所述下渦輪安裝軸穿過下端面座并與其軸承連接；

所述第二聯(lián)軸器設(shè)置有下部轉(zhuǎn)扭傳感器，用于測試渦輪轉(zhuǎn)動的扭矩和轉(zhuǎn)速。

進(jìn)一步，所述上渦輪安裝軸與上端面座連接處設(shè)置有密封蓋，所述下渦輪安裝軸與下端面座連接處設(shè)置有密封蓋。

進(jìn)一步，上渦輪安裝軸上設(shè)置有盤閥或噴嘴，可用于測試渦輪的隨動性。

進(jìn)一步，所述流體進(jìn)口與上套筒之間、所述上套筒與渦輪套筒之間、所述渦輪套筒與下套筒之間、以及所述下套筒與流體出口之間均設(shè)置有密封圈，用于保證流體通道與外界隔離，形成密閉空間。

本實(shí)用新型的有益效果如下：

1、本實(shí)用新型提供了一種渦輪實(shí)驗(yàn)臺，設(shè)計(jì)簡單，安裝方便，測試方式靈活多樣，可測試不同流場中單渦輪、多級渦輪、對轉(zhuǎn)渦輪、渦輪隨動性等性能，還可用于評價渦輪轉(zhuǎn)動對周邊流場的影響。該測試裝置可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)動態(tài)采集和記錄，便于后續(xù)對渦輪力學(xué)理論的分析及渦輪設(shè)計(jì)模型的優(yōu)化，還可為計(jì)算機(jī)仿真模擬對渦輪性能的預(yù)測進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，進(jìn)而對仿真模擬的參數(shù)及算法進(jìn)行調(diào)整，縮短渦輪研發(fā)和設(shè)計(jì)的周期，降低成本。

2、本實(shí)用新型的渦輪安裝軸與渦輪鍵連接或過盈方式配合，在驅(qū)動機(jī)構(gòu)的帶動下，對渦輪性能進(jìn)行測試，其操作方便，結(jié)構(gòu)簡單，通過渦輪安裝軸實(shí)現(xiàn)對單渦輪、多級渦輪和對轉(zhuǎn)渦輪的性能測試。

3、本實(shí)用新型的上渦輪安裝軸設(shè)置有盤閥或噴嘴，可以改變流體在渦輪上的流動狀態(tài)，進(jìn)而對渦輪的隨動性能進(jìn)行測試。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的渦輪實(shí)驗(yàn)臺的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的渦輪實(shí)驗(yàn)臺電控部分的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中：1—上部電機(jī)，2—第一聯(lián)軸器，3—上部轉(zhuǎn)扭傳感器，4—密封蓋，5—上端面座，6—上渦輪安裝軸，7—上套筒，8—渦輪套筒，9—下套筒，10—下端面座，11—下部轉(zhuǎn)扭傳感器，12—下部電機(jī)，13—第四支架，14—第二聯(lián)軸器，15—第三支架，16—機(jī)床中心架，17—流體出口，18—控制閥，19—出口壓力傳感器，20—環(huán)形排布壓力傳感器，21—渦輪，22—進(jìn)口壓力傳感器，23—流體進(jìn)口，24—整流板，25—機(jī)架，26—下渦輪安裝軸，27—第一支架，28—第二支架。

具體實(shí)施方式

為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本實(shí)用新型方案，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本實(shí)用新型作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

為了使本領(lǐng)域的人員更好地理解本實(shí)用新型的技術(shù)方案，下面結(jié)合本實(shí)用新型的附圖，對本實(shí)用新型的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整的描述，基于本申請中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的其它類同實(shí)施例，都應(yīng)當(dāng)屬于本申請保護(hù)的范圍。

如圖1和圖2所示，一種渦輪實(shí)驗(yàn)臺，包括渦輪測試裝置、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于采集渦輪測試裝置的數(shù)據(jù)，所述渦輪測試裝置從上至下依次設(shè)置有第一驅(qū)動機(jī)構(gòu)、渦輪測試機(jī)構(gòu)和第二驅(qū)動機(jī)構(gòu)；所述渦輪測試機(jī)構(gòu)包括渦輪21、流體進(jìn)口23、上套筒7、渦輪套筒8、下套筒9和流體出口17，所述流體進(jìn)口23、上套筒7、渦輪套筒8、下套筒9和流體出口17相互連接形成一流體通道，所述流體進(jìn)口23與上套筒7之間、所述上套筒7與渦輪套筒8之間、所述渦輪套筒8與下套筒9之間、以及所述下套筒9與流體出口17之間均設(shè)置有密封圈，用于保證流體通道與外界隔離，形成密閉空間；所述渦輪21位于渦輪套筒8內(nèi)，所述渦輪8通過渦輪安裝軸分別與第一驅(qū)動機(jī)構(gòu)和第二驅(qū)動機(jī)構(gòu)連接，而渦輪安裝軸與渦輪鍵連接或過盈方式配合，所述渦輪安裝軸包括上渦輪安裝軸6和下渦輪安裝軸26，所述渦輪21的一端通過上渦輪安裝軸6與第一驅(qū)動機(jī)構(gòu)連接，所述渦輪21的另一端通過下渦輪安裝軸26與第二驅(qū)動機(jī)構(gòu)連接。

所述渦輪測試裝置還設(shè)置有機(jī)架25，所述機(jī)架25上設(shè)置有第一橫支撐板和第二橫支撐板，所述第一橫支撐板上設(shè)置有上端面座5，所述第二橫支撐板上設(shè)置有下端面座10，所述上套筒7與上端面座5固定連接，所述下套筒9與下端面座10固定連接。所述上端面座5與下端面座10上均設(shè)置有機(jī)床中心架16，用于調(diào)整流體通道的軸向位置，保證渦輪安裝軸與電機(jī)軸的軸向同心度，以便于渦輪測試裝置的組裝和調(diào)試，避免了軸向位置偏差導(dǎo)致測試數(shù)據(jù)不可靠的情況發(fā)生。

所述上套筒7內(nèi)設(shè)置有整流板24，以利于在渦輪測試時獲得均勻穩(wěn)定的內(nèi)部流場。作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的一部分，所述流體進(jìn)口23處設(shè)置有進(jìn)口壓力傳感器22，所述流體出口17處設(shè)置有出口壓力傳感器19和控制閥18，用于測量進(jìn)口和出口的流體壓力差值，進(jìn)而可利用流體力學(xué)計(jì)算出渦輪旋轉(zhuǎn)所消耗的流體能量，對渦輪的效率進(jìn)行評價。進(jìn)一步地，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)還包括位于所述渦輪21處設(shè)置的環(huán)形排布壓力傳感器20，所述環(huán)形排布壓力傳感器20安裝在與渦輪21對應(yīng)的渦輪套筒8上，可用于測量渦輪旋轉(zhuǎn)對周圍流場的壓力影響。

所述第一驅(qū)動結(jié)構(gòu)包括上部電機(jī)1和第一聯(lián)軸器2，所述上部電機(jī)1通過第一聯(lián)軸器2與上渦輪安裝軸6連接，所述上渦輪安裝軸6穿過上端面座5并依靠角接觸球與上端面座5軸承連接，保證渦輪安裝軸可自由轉(zhuǎn)動，用以傳遞轉(zhuǎn)速和扭矩，所述上渦輪安裝軸6與上端面座5連接處設(shè)置有密封蓋。所述第一聯(lián)軸器2設(shè)置有上部轉(zhuǎn)扭傳感器3，用于測試渦輪轉(zhuǎn)動的扭矩和轉(zhuǎn)速。所述上部電機(jī)1通過第一支架27固定安裝在機(jī)架25上，所述第一聯(lián)軸器2通過第二支架28固定安裝在機(jī)架25上。

所述第二驅(qū)動結(jié)構(gòu)包括下部電機(jī)12和第二聯(lián)軸器14，所述下部電機(jī)12通過第二聯(lián)軸器14與下渦輪安裝軸26連接，所述下渦輪安裝軸26穿過下端面座10并依靠角接觸球與下端面座10軸承連接，保證渦輪安裝軸可自由轉(zhuǎn)動，用以傳遞轉(zhuǎn)速和扭矩，所述下渦輪安裝軸26與下端面座10連接處設(shè)置有密封蓋。所述第二聯(lián)軸器14設(shè)置有下部轉(zhuǎn)扭傳感器11，用于測試渦輪轉(zhuǎn)動的扭矩和轉(zhuǎn)速，所述下部電機(jī)12通過第四支架13固定安裝在機(jī)架25上，所述第二聯(lián)軸器14通過第三支架15固定安裝在機(jī)架25上。本實(shí)用新型的渦輪實(shí)驗(yàn)臺的上部電機(jī)1和下部電機(jī)12、轉(zhuǎn)扭傳感器利用支架與實(shí)驗(yàn)臺機(jī)架固定，實(shí)驗(yàn)部分的重量由橫支撐板承擔(dān)，不會對電機(jī)的旋轉(zhuǎn)造成影響。

如圖2所示，渦輪實(shí)驗(yàn)臺的上部電機(jī)1和下部電機(jī)12分別與上變頻器和下變頻器相連，用于控制電機(jī)轉(zhuǎn)速和方向，進(jìn)而驅(qū)動渦輪安裝軸及渦輪按照既定要求運(yùn)轉(zhuǎn)，可實(shí)現(xiàn)渦輪同向轉(zhuǎn)動、相對轉(zhuǎn)動、相對靜止等運(yùn)動狀態(tài)。渦輪安裝軸可安裝單個渦輪、多級渦輪、對轉(zhuǎn)渦輪等形式，還可在上渦輪安裝軸的渦輪安裝位安裝噴嘴或盤閥等部件，用于改變流體運(yùn)動方式，測量局部受到流體沖擊時單渦輪或多級渦輪的性能，并可在上部電機(jī)1的輔助下，對渦輪的隨動性能進(jìn)行評測。渦輪轉(zhuǎn)動的扭矩和轉(zhuǎn)速可通過上部、下部兩個轉(zhuǎn)扭傳感器獲得，兩個傳感器信號的相位差可用來反應(yīng)渦輪的隨動性。流體進(jìn)口可與氣泵、水泵、泥漿泵等連接，按照要求選取不同的實(shí)驗(yàn)流體介質(zhì)，用以測量渦輪在空氣流、水流、泥漿流等流場中的性能表現(xiàn)。流體進(jìn)口23、流體出口17均安裝有壓力傳感器，用以測量流體進(jìn)口及出口處的流體壓力，加之流體進(jìn)出口直徑、泵壓及泵量、渦輪扭矩、渦輪轉(zhuǎn)速等參數(shù)，即可通過計(jì)算對渦輪的轉(zhuǎn)換效率和實(shí)際表現(xiàn)進(jìn)行評估。渦輪安裝位置處可按照實(shí)驗(yàn)要求安裝單層或多層環(huán)形排布壓力傳感器20，其壓力信號可以反映出單級或多級渦輪旋轉(zhuǎn)對流場產(chǎn)生的影響。渦輪實(shí)驗(yàn)臺的所有傳感器均通過由數(shù)據(jù)采集卡、數(shù)據(jù)記錄儀等組成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時采集，并存儲于數(shù)據(jù)存儲分析系統(tǒng)，以便于后續(xù)理論分析及論證。

實(shí)施例一：

單渦輪在不同流場下的性能：選擇合適的流體泵作為流體源，保持上部電機(jī)1處于不工作狀態(tài)，以下部電機(jī)12作為負(fù)載電機(jī)，在下渦輪安裝軸26上安裝單渦輪，選擇不同泵壓、泵流量、規(guī)定量程的傳感器，即可對單個渦輪在流場中的性能進(jìn)行測試，該測試模式適用于隨鉆測量用井下發(fā)電渦輪、汽車發(fā)動機(jī)用增壓渦輪等渦輪零部件性能的測試。

實(shí)施例二：

多級渦輪在不同流場下的性能：保持上部電機(jī)1處于不工作狀態(tài)，一下部電機(jī)12作為負(fù)載電機(jī)，在下渦輪安裝軸26上安裝多級渦輪，通過不同實(shí)驗(yàn)參數(shù)和規(guī)定量程傳感器的的選擇，即可測量多級渦輪在流體中的性能測試，該測試模式適用于測試單級配套渦輪鉆具定轉(zhuǎn)子及多級渦輪定轉(zhuǎn)子性能的測試。事實(shí)上，多級渦輪定轉(zhuǎn)子性能并非是單級渦輪定轉(zhuǎn)子性能的簡單疊加，各級渦輪之間存在相互影響，其對流場的影響也與單級渦輪存在差別，使用該渦輪實(shí)驗(yàn)臺可方便地對上述影響進(jìn)行研究。

實(shí)施例三：

對轉(zhuǎn)渦輪：以上部電機(jī)1、下部電機(jī)12均作為負(fù)載電機(jī)使用，對轉(zhuǎn)渦輪的兩部分分別安裝于上渦輪安裝軸6和下渦輪安裝軸26上，選擇不同流體介質(zhì)、試驗(yàn)參數(shù)，配合適宜量程的傳感器，即可測試對轉(zhuǎn)渦輪的流體力學(xué)性能。

實(shí)施例四：

渦輪隨動性：以下部電機(jī)12作為負(fù)載電機(jī)，并在下渦輪安裝軸26上安裝待測試渦輪，以上部電機(jī)1作為控制電機(jī)，調(diào)整上變頻器以控制上部渦輪安裝軸6的轉(zhuǎn)速，在上渦輪安裝軸6上盤閥或噴嘴，以改變流體在渦輪上部的流動狀態(tài)。盤閥或噴嘴可隨上部電機(jī)同步轉(zhuǎn)動，流體通過盤閥或噴嘴中流出，驅(qū)動渦輪旋轉(zhuǎn)。該測試模式中渦輪僅局部位置受到流體沖擊，其上部盤閥或噴嘴中的流體流出位置隨旋轉(zhuǎn)而改變，渦輪隨著上部盤閥或噴嘴的位置改變而隨之運(yùn)動，但存在一定的滯后，其隨動性能可通過上下轉(zhuǎn)扭傳感器輸出信號的相位差反應(yīng)。

配合3D打印技術(shù)使用，渦輪性能的影響因素包括渦輪材質(zhì)、渦輪幾何模型等，其中渦輪幾何模型對渦輪性能的影響作用最為重要。隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)可以制備具有復(fù)雜幾何模型的塑料渦輪模型，可用于渦輪幾何模型的測試，以減少傳統(tǒng)鑄造金屬渦輪高昂的一次性模具開模費(fèi)用的浪費(fèi)。該渦輪實(shí)驗(yàn)臺配合3D打印渦輪模型，可快捷方便地獲取渦輪的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，方便對渦輪幾何模型進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，并驗(yàn)證計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)對渦輪性能的預(yù)測，以便對模擬仿真的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。故而，該渦輪實(shí)驗(yàn)臺可有效地輔助渦輪的設(shè)計(jì)研發(fā)，縮短研發(fā)周期，有效降低渦輪的開發(fā)成本。

此外，應(yīng)當(dāng)理解，雖然本說明書按照實(shí)施方式加以描述，但并非每個實(shí)施方式僅包含一個獨(dú)立的技術(shù)方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)將說明書作為一個整體，各實(shí)施例中的技術(shù)方案也可以經(jīng)適當(dāng)組合，形成本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的其他實(shí)施方式。