本發(fā)明屬于水輪機磨損仿真，尤其涉及一種反擊式水輪機葉片泥沙磨損裝置、系統(tǒng)及制造方法。

背景技術(shù)：

1、在全球的水力發(fā)電過程中，水輪機過流部件的泥沙磨損問題普遍存在。當(dāng)含有泥沙顆粒的沙水通過水輪機過流部件時，其表面被泥沙顆粒磨損后凹凸不平，促進(jìn)了水流的局部擾動和空化的發(fā)展，磨損嚴(yán)重時甚至?xí)斐赊D(zhuǎn)輪葉片被折斷，導(dǎo)致機組運行效率降低和運行振動加劇。水輪機的泥沙磨損破壞和空化空蝕是十分復(fù)雜的物理過程，其中涉及到多相流、泥沙磨損、摩擦學(xué)、材料學(xué)和表面防護(hù)等多學(xué)科問題，具有多相、微觀、瞬態(tài)和隨機的特點。

2、水流在水輪機過流部件中的流動是復(fù)雜的三維流動，常見的研究方法包括理論分析、基于計算機技術(shù)的數(shù)值模擬分析和試驗研究。在目前人們對含沙水流的運動規(guī)律認(rèn)識尚不夠深刻的情況下，采用理論分析和數(shù)值模擬主要是定性的分析，要使研究進(jìn)一步深化，有必要開展試驗研究。

3、水輪機轉(zhuǎn)輪是將水能轉(zhuǎn)換為機械能的關(guān)鍵過流部件，其葉片一般都根據(jù)水力學(xué)而設(shè)計成三維扭曲曲面體，截面形狀十分復(fù)雜，且進(jìn)水邊與出水邊的厚度懸殊大。因此，水輪機轉(zhuǎn)輪的磨損試驗裝置設(shè)計相對于導(dǎo)葉等其他過流部件的試驗設(shè)計面臨更多的挑戰(zhàn)。

4、現(xiàn)有的水輪機轉(zhuǎn)輪泥沙磨損試驗裝置的專利方法主要是關(guān)于抗磨損結(jié)構(gòu)的試驗設(shè)計，應(yīng)用的領(lǐng)域主要是在水電站轉(zhuǎn)輪運行之前提供抗磨設(shè)計參考，關(guān)于探究泥沙磨損規(guī)律的試驗設(shè)計很少，關(guān)于探究反擊式轉(zhuǎn)輪的磨損規(guī)律的試驗設(shè)計更少。

5、中國專利cn111257030a公開了一種含沙條件下水力機械水力性能及磨損性能實驗裝置，其中，工況模擬模塊包括補水泵、抽水泵以及串聯(lián)于循環(huán)管路中的水輪機、穩(wěn)流罐和循環(huán)泵，循環(huán)泵用于帶動水輪機運轉(zhuǎn)，穩(wěn)流罐用于對水輪機尾水管出口水穩(wěn)流，穩(wěn)流罐上部設(shè)有加沙孔和補水排氣孔、底部設(shè)有排水孔和沖沙孔，補水泵進(jìn)口連接至補水管道、出口連接至補水排氣孔，補水管道旁接至沖沙孔，抽水泵進(jìn)口連接至排水孔、出口連接至沙回收裝置；數(shù)據(jù)測量及工況調(diào)整模塊包括用于測量循環(huán)管路中含沙水流量、泥沙濃度、水輪機和循環(huán)泵進(jìn)出口壓力數(shù)據(jù)的測量元件以及用于調(diào)整循環(huán)管路流量的調(diào)整元件。

6、上述實驗裝置中利用真實的水輪機進(jìn)行實驗，其成本巨大，難以接受。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明提供一種反擊式水輪機葉片泥沙磨損裝置、系統(tǒng)及制造方法，通過截取轉(zhuǎn)輪的主要特征結(jié)合速度三角形理論設(shè)計出對應(yīng)工況下的流體通道，使用cfd仿真技術(shù)驗證實驗裝置準(zhǔn)確性，于矩形鋼材上分別數(shù)控加工出流體通道及選取的過流部件組合形成實驗裝置，達(dá)到建模與實驗的目的。

2、為解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案為采用一種反擊式水輪機葉片泥沙磨損裝置，包括主體以及分別連接在主體進(jìn)水端和出水端的進(jìn)水通道和出水通道；所述主體根據(jù)真實水輪機轉(zhuǎn)輪仿真而成，其至少包括由該轉(zhuǎn)輪所有類型葉片以及對應(yīng)位置的部分上下環(huán)面組成的過流斷面；所述葉片位于由上下環(huán)面以及側(cè)壁拼合而成的腔體內(nèi)；所述過流斷面的寬流面連接進(jìn)水通道，所述過流斷面的窄流面連接出水通道。

3、作為一種改進(jìn)，所述進(jìn)水通道與主體之間設(shè)置有流體通道；所述流體通道沿水流方向由寬漸窄；所述流體通道與葉片圓周切線之間的角度為相對液流角β，流體通道內(nèi)水流速度為相對速度w；相對液流角β以及相對速度w由被仿真的真實水輪機轉(zhuǎn)輪的速度三角形計算獲得。

4、作為一種進(jìn)一步的改進(jìn)，所述速度三角形三條邊分別為圓周速度u、絕對速度v以及相對速度w；其中，圓周速度u和絕對速度v的夾角為絕對液流角α，圓周速度u和相對速度w的夾角為相對液流角β。

5、作為另一種更進(jìn)一步的改進(jìn)，所述主體相對于真實水輪機轉(zhuǎn)輪等比例縮小。

6、作為一種改進(jìn)，在被仿真的真實水輪機為長短葉片型轉(zhuǎn)輪的情況下，所述主體包括一個長葉片以及位于長葉片兩側(cè)的兩個短葉片，并且所述主體的側(cè)壁由短葉片外側(cè)的另一長葉片壁面延伸而成；

7、在被仿真的真實水輪機為非長短葉片型轉(zhuǎn)輪的情況下，所述主體包括一個葉片，并且所述主體的側(cè)壁由該葉片外側(cè)的另兩個葉片壁面延伸而成。

8、本發(fā)明還提供反擊式水輪機葉片泥沙磨損裝置制作方法，用于制作上述反擊式水輪機葉片泥沙磨損裝置，包括：

9、構(gòu)建水輪機轉(zhuǎn)輪的三維及網(wǎng)格模型；

10、對三維模型進(jìn)行截取獲得實驗裝置主體模型，截取部分至少包括該轉(zhuǎn)輪所有類型的葉片以及對應(yīng)位置的上下環(huán)面；

11、將真實水輪機轉(zhuǎn)輪的旋轉(zhuǎn)流動轉(zhuǎn)化為網(wǎng)格模型中的相對流動，獲得相對液流角β以及水流進(jìn)入葉片的相對速度w，從而獲得流體通道與葉片圓周切線之間的夾角角度以及流體通道內(nèi)的水流速度；

12、根據(jù)主體模型制作實驗裝置的主體；

13、將主體與進(jìn)水通道和出水通道進(jìn)行組裝，獲得實驗裝置。

14、作為一種改進(jìn)，通過三維建模獲得水輪機轉(zhuǎn)輪等比例縮小的三維模型；基于三維模型，通過cfd仿真獲得水輪機轉(zhuǎn)輪的網(wǎng)格模型。

15、作為一種改進(jìn)，在被仿真的真實水輪機為長短葉片型轉(zhuǎn)輪的情況下，主體模型包括一個長葉片以及位于長葉片兩側(cè)的兩個短葉片，并且所述主體模型的側(cè)壁由短葉片外側(cè)的另一長葉片壁面延伸而成；

16、在被仿真的真實水輪機為非長短葉片型轉(zhuǎn)輪的情況下，所述主體模型包括一個葉片，并且所述主體模型的側(cè)壁由該葉片外側(cè)的另兩個葉片壁面延伸而成。

17、作為一種改進(jìn)，所述相對液流角β以及相對速度w由被仿真的真實水輪機轉(zhuǎn)輪的速度三角形計算獲得。所述速度三角形三條邊分別為圓周速度u、絕對速度v以及相對速度w；其中，圓周速度u和絕對速度v的夾角為絕對液流角α，圓周速度u和相對速度w的夾角為相對液流角β。

18、本發(fā)明還提供一種水輪機轉(zhuǎn)輪泥沙磨損實驗系統(tǒng)，包括上述反擊式水輪機葉片泥沙磨損裝置。

19、本發(fā)明的有益之處在于：

20、本發(fā)明為基于水輪機內(nèi)部流動理論與cfd仿真技術(shù)的轉(zhuǎn)輪流體通道建模方法，以待研究的轉(zhuǎn)輪作為原型開展作為實驗的局部流道建模，根據(jù)流動理論對局部流道進(jìn)行處理使得反擊式水力機械轉(zhuǎn)輪中的旋轉(zhuǎn)流動簡化為無旋轉(zhuǎn)的相對流動，使用cfd仿真技術(shù)驗證實驗裝置設(shè)計合理性，在矩形鋼材上采用數(shù)控加工得到實驗裝置，轉(zhuǎn)輪流體通道建模方法可操作性強，可復(fù)制性強，利于水力機械泥沙磨損實驗領(lǐng)域的普遍推廣。其優(yōu)點具體包括：

21、1、減小了因幾何簡化造成的誤差：在本發(fā)明中，通過專業(yè)建模軟件對所研究轉(zhuǎn)輪模型抽取一個具有基本幾何特征的流道，能較充分考慮到水輪機上冠、下環(huán)、轉(zhuǎn)輪長、短葉片等對水流的聯(lián)合作用，能大大減小現(xiàn)有技術(shù)中因簡化幾何結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的誤差。

22、2、磨損率更為精準(zhǔn)，磨損區(qū)域更加合實際：現(xiàn)有技術(shù)方案中由于考慮到成本問題，通常只能依托數(shù)值計算結(jié)果選取泥沙條件較為惡劣的部位進(jìn)行局部研究，導(dǎo)致磨損率偏大，本發(fā)明可以對轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)行整體研究，因此可獲得更為具體和精準(zhǔn)的磨損率。同時，本發(fā)明中可得到任意葉高流面下的轉(zhuǎn)輪磨損規(guī)律，無需提前判斷磨損嚴(yán)重的區(qū)域位置進(jìn)行取舍，避免了由于數(shù)值計算技術(shù)的影響造成預(yù)測區(qū)域的偏離。

23、3、將可研究區(qū)域進(jìn)行了擴展：現(xiàn)有技術(shù)方案只能探究一個葉高流面下的磨損規(guī)律，在本發(fā)明中研究區(qū)域擴展到了轉(zhuǎn)輪葉片整體及轉(zhuǎn)輪上冠、轉(zhuǎn)輪下環(huán)區(qū)域。