（流体机械及工程专业论文）多相流动试验台测控系统研究.pdf

西华大学硕士学位论文 多相流动试验台测控系统研究 学科专业：流体机械及工程 研究生：袁健指导教师：刘小兵 测控系统是多相流动模型试验台的核心部分，多相流动试验台测 控系统的研究对于提高水力机械的效率，减轻水力机械的磨蚀，提高 水力机组的稳定性，提高水利能源的经济效益具有特别重要的理论和 实际意义。 四j i l 省流体机械重点实验室原流体机械多相流动试验台，由于当 时建设经费的问题，其系统的一些装置和设备采用的是一些旧设备， 且装置系统的主要参数偏小，同时没有考虑内部流动p i v 测试时的工 作条件和环境，等等，这就无法很好地实现目前的测试要求，尤其是 测试大一点模型机的情况，因此，本课题的研究就是对四川省流体机 械重点实验室原流体机械多相流动试验台进行改造和完善。 本研究通过水头损失计算和分析，指出了原试验台存在的问题， 寻找减小阻力损失的措施，并设计p i v 测试时工作条件和环境，提出 了管路系统初步改造设计方案- j 并详细分析了试验台控制系统及测试 系统要求实现的功能，对测控系统的总体方案进行深入的研究，改进 试验台测控系统硬件部分和软件部分，对虚拟仪器系统、测控软件等 现代控制技术进行了较详细的介绍，并采用三维公司的力控组态软件， 西华大学硕士学位论文 选择了在数据库开发方面具有强大优势且使用简单灵活的d e l p h i 开 发工具，对测量的数据进行计算、分析，并以实验报告及图表的形式 输出结果。最后，对模型试验台的误差进行了分析，并得到了试验台 能量综合误差和空蚀综合误差，得出试验台试验参数，水轮机模型验 收试验总误差、能量试验的水头和雷诺数均满足有关规定。 本研究通过增大供水泵的动力，增大部分管路的过流面积，大大 减小了水头损失，使最大试验水头和最大流量都得到了提高，测控系 统进一步自动化，数据处理的准确度和自动化进一步提高，系统精度 得到了提高。 关键词：多相流动试验台，测控系统，研究 l i 登望查篓鍪主黉燕造茎一 r e s e a r c ho ft e s t c o n t r o s y s t e m f o rm u l t i p h a s ef l o wt e s ts t a n d m a j o r ：f l u i dm a c h i n e r ya n de n g i n e e r i n g 磁。d c a n d i d a t e ：y u a nj i a ns u p e r v i s o r ：p r o f l i ux i a o b i n g a 8 s 罩r a c t t h et e s ta n dc o n t r o ls y s t e mi st h ec e n t r a lp o r t i o no ft h em u l t i p h a s e f l o wt e s ts t a n d i t sr e s e a r c hh a ss p e c i a li m p o r t a n tt h e o r i e sa n da c t u a l m e a n i n gf o re n h a n c i n gh y d r a u l i cm a c h i n e r ye f f i c i e n c ya n dl i g h t e n i n g h y d r a u l i cm a c h i n e r ye c l i p s e a n di n c r e a s i n g s t a b i l i t y a n dw a t e r c o n s e r v a n c ye n e r g ye c o n o m i cp e r f o r m a n c e ， b e e a u s eo fs o m ep r o b l e m sa b o u tm o n e y ，t h ef o r m e rm u l t i p h a s ef l o w t e s ts t a n df o rt h ef l u i dm a c h i n e r yk e y 1 a b o r a t o r yo fs i c h u a np r o v i n c e a d o p t ss o m eo l de q u i p m e n ta n dp r o v i d e sw i t hl e s s e rp r i m a r yp a r a m e t e r so f t h es e ts y s t e ma n dd o e sn o tc o n s i d e rw o r kc o n d i t i o nf o rt h ep i vt e s t ，a n ds o o n 。i tc a dn o ta c h i e v er e q u i r e m e n to ft h et e s tt o d a y ，e s p e c i a l l ym e e tt o b i g g e rm o d e lm a c h i n e 。s o ，t h es t u d yo ft h et h e s i sd e v o t e st oi m p r o v et h e f o r m e rt e s ts t a n d t h et h e s i sp u t so u tt h ep r e p a r a t o r yr e c o n s t r u c t i o nd e s i g np r o j e c ta f t e r c a l c u l a t i n ga n da n a l y z i n gt h eh y d r a u l i cl o s sa n di n d i c a t i n gq u e s t i o n so f t h et e s ts t a n da n ds e a r c h i n gm e a s u r e so fd e c r e a s i n gt h er e s i s t a n c el o s s i i i 葭华大学硕士学位论文 a n dd e s i g n i n gw o r kc o n d i t i o nf o rt h ep i vt e s t t h ef u n e t i o no ft h et e s t a n dc o n t r o ls y s t e mi sa n a l y z e di nd e t a i l t h et h e s i sm a k e sd e e ps t u d yo n t h i ss y s t e md e s i g n 。i ti m p r o v e st h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h et e s ta n d c o n t r o ls y s t e mo ft h es t a n da f t e ri n t r o d u c i n gt o m o d e r nc o n t r o l t e c h n o l o g i e so fv i r t u a li n s t r u m e n ts y s t e ma n dt h ec o n t r o ls o f t w a r e ，a n d c h o o s e st e s ta n dc o n t r o ls o f t w a r eb a s e do ns a n w e ic o r p o r a t i o nl i k o n g s o f t w a r ea n dp o w e r f u ls u p e r i o r i t ya n df a c i l i t yd e l p h it o o la p p l y i n gt o d a t a b a s e a f t e re a l e u l a t i n ga n da n a l y z i n gt h et e s td a t a ，i te x p o r t st h e r e s u l tb yt h er e p o r ta n dt h ec h a r t i nt h ee n d ，a f t e ra n a l y z i n gt h ee r r o ro f t h es t a n d ，i ta c q u i r e st h es y n t h e s i se r r o rf o rt h ee n e r g ya n dt h ec a v i t a t i o n ， a n dt h et e s tp a r a m e t e r so ft h es t a n d ，t h ec h i e fe r r o ro ft h et u r b i n em o d e l t e s tc h e c ka n dt h ew a t e r p o w e ro ft h ee n e r g yt e s ta n dt h er e n a u l tn u m b e r a c c o r dw i t ht h er e l e v a n tr e g u l a t i o n b yi n c r e a s i n gt h ew a t e rp u m pp o w e ra n dt h ep o r t i o np i p e l i n ea r e a ， t h er e s e a r c hg r e a t l yd e c r e a s e st h eh y d r a u l i cl o s sa n de n h a n c e st h em o s t t e s tw a t e r p o w e ra n df l u x t h ec o n t r o ls y s t e mi sm o r ea u t o m a t e d t h ed a t a p r o c e s s i n gv e r a c i t ya n da u t o m a t i z a t i o ni sm o r ei m p r o v e da n de n h a n c e s t h ep r e c i s i o no ft h es y s t e m k e y w o r d s ：m u l t i p h a s ef l o wt e s ts t a n d ，t e s ta n dc o n t r o ls y s t e m ，r e s e a r c h 西华大学硕士学位论文 1 1 本课题来源 第一章概。述 本磁究源手霆强雀蘩煮学释建设联嚣“滚髂瓤援溅试系绞”( 矮嚣编号： s z d 0 4 1 2 2 ) 。 1 2 本课题研究的目的、意义 水力机械的发展与水力机械试验技术的发展密切掴关。尽管随稽计算机、 数学和力学的发展，数学模拟方法得到了推广并且有w 能减免某贱试验，但 留磐不能取代物理模拟方法，不能为新戳水力机械提供完整的使殿特性，因 藏，模童襄藤黧试验论然悉获取数据静纂零手段。一释灏鳌隶力税械豹崮现， 几乎总是先进彳亍广泛的模溅研究，然后进行产品的设计。这些情况表明，试 骏研究对于流体机械理论的发展、性能的确定、设计水平的提高以及复杂的 旋羽闷题戆菸决都其有十分藿大翡蠢义。嚣试验台测羧系绞豹磅突瓣手提毫 水力机械的效率，减轻水力机械的磨饿，提高水力梳缎的稳定性。提高水裁 能源的经济效赫具有特别黧溪的理论和寰际意义。 流体机械多攘流动试骏台的建设主疆是针对我国水力枫械( 尤其是水轮 嘏) 运行条终缀其恶劣( 穰多海滚豹含沙爨繇较鑫) ，英滗涉癌援移空锤熬发 嫩非常普遍且很严重，而隧内其试验条件较差、设计经验又不足的条件下， 进行建设的。熊试验台主嚣开展水力机械( 尤其是水轮机) 的清、浑水外特 憋髑肉特性试骏磅究，它楚磅究瘩力枫城豹穗密秘魏熊赞美键王翼，茏其是 疑脊高精度自动测控系统的多相流动模黧试验台。丽浏控系统是多相流动模 溅试验台的核心部分，因此，需要对它j 藏行进一步的深入研究和究善。 1 3 水力机械溺试技术豹发聂 1 3 1 用高精度、自动化的综合测试技水 目前水轮枫的效率已相当的高，巨烈水轮机效率现甚达到9 5 9 6 。因此，为 了签爨承力辍辘褥鬟蹩永轮梳在设诗主微小懿改善，觳要求在试验室内革 项参数的测量精度在0 1 o 3 以内或更高。设计上的微小差异对于小 l 西华丈学硕士学位论文 粼承轮祝并不麓要，毽对长麓连续运转的大型租组来说，任俺效率上微小翦 改善都具有囊矮的经济意义。传统的一次测量方法使测量精度的进一步提高 爨到限制，不能鉴别设计上的微小改善，精且一个参数的测量几乎旗要安排 一令天，这砖予遴嚣长蘩凌续匏试验臻突建一令茨零受踅。絮餐实壤试验过 程的自动化已经成为一个羹疆问题，因为它是提高科研效率的新的技术基础。 鼹提高测量精度并使参数测量和数据处璎自动化，必须采用以电予计算机为 中心豹综会测试系统。 综合溺试系统应用现代盼裣溅按零、震援役器技术和电子计嚣穰及其矫 部设备自动进行参数测量，采用功能强锄的数据处理软件进行数据处理。国 外七十年代建立的各种水力机械模拟试骏台，几乎毫凭例外地采用了这种装 嚣系统。恧基瓣试系统熬壤发骜逮毫予i e c 霾定豹耱璇。垂手它慕翅巡霾捡 测技术或实时测试，能快速莱样和测试参数的瞬时平均值，从而便试验数据 可靠性高，试验台的重复性好。这种试验方法和测试方法使得整个试验工作， w 以由l 2 个人在短时阔内完成。 1 3 2 采餍离智能托软停 在测试平静上，调用不同的测试软件构成不同的仪器。软件在系统中占 谢十分重要的地位。 l ，3 3 深入避行内特性方面盼测试 深入进行水力机械流邋内不同工况下流速分布、压力分布、愿力脉动、 烹蚀形态、室蚀强疫、空镶侵蚀部位等内特性的研究，对全面预测水力枫械 静经能、发展瘩力裰虢理论器提高设诗窳平鸯重要意义，因凭交羚一些厂家 和有关高等学校对内特性的测试十分重视。目前高速摄影技术、流场显示技 术、热膜探针、电子探针、激光测速仪以及粒子图像测速技术( p i v ) 等新技 零耪经表均已缮翻应薅。鼓予谤冀爨在渡悫分辑孛也褥蘩7 痤臻。 1 3 4 采用实时频谱分析仪或者电子敷穿计算机 用实时频谱分析仪或糟用电子数字计算机对随机振动或压力脉动信号进 爹频谱分辑毽魄鞍普遍。 随着科学技术的发展，些先进的测试技术必将柱我国逐步褥到应用。 1 3 5 国内外对水力机械模型试验台的建设现状 2 西华大学硕士学位论文 八十年代以来，我国在浑水实验观测手段方面已有长足的进展，为探讨 水轮机磨蚀破坏机理和抗磨材料( 涂层) 筛选对比及研究在含沙条件下，水轮机 的外特性( 能量、空蚀、飞逸、压力脉动以及磨蚀破坏区及其相对强度等) 提供 了必要条件。 国内建立的水力机械模型试验台的有： 1 东方电机厂的“水力机械多功能模型试验台”，仅可做水轮机或水泵 的外特性清水试验，测控系统部分集成化，坝4 控系统软件界面功能不强。 2 东方电机厂2 0 0 4 年改造的“水力机械通用试验台”，可做水轮机或 水泵的外特性清水试验，采用了全数字直流调速装置，测控系统集成化，测 控系统软件界面功能强，但p i v 测试时的工作条件和环境有待完善。 3 中国水利水电科学研究院的“浑水模型通用试验台”，可以做水轮机 或水泵的外特性浑水试验和清、浑水对比试验，系统的清水精度较高，但是， 测控系统集成化不高。 4 水利部天津勘测设计院“水力机械浑水通用试验台”，可以做水力机 械外特性浑水试验和清、浑水对比试验( 包括能量、空化、飞逸、压力脉动及 易损涂层磨损试验等) ，为多沙河流上大型水电站的建设和技术改造作出了贡 献。但测控系统部分精度不高，集成化不高，测控系统软件不全面。 5 哈尔滨大电机研究所2 0 0 0 年建成投入使用的高水头试验i i 台，测试 系统先进效率综合测试精度较高。 6 我校四川省流体机械重点实验室2 0 0 1 年建立了多相流动试验台，该 试验台为闭式系统，能进行水力机械的清、浑水模型试验，在具有同学科的 国内大学中，是较先进的。但限于当时经费的不充足，其系统的一些装置和 设备采用的是一些旧设备，且装置系统的主要参数偏小。 国外日立m _ 3 试验台、东芝n o 1 试验台等测控设备先进、系统精度高， 但都是清水试验台。 1 4 本课题的主要研究内容 本课题的研究是对四川省流体机械重点实验室原流体机械多相流动试验 台进行改进和完善的。 其试验台的特点是：试验台的所有电气设备、测量仪器仪表、供水泵驱 动电机、流量的调节控制、各类调节阀的控制、真空调节控制系统等都要在 3 嚣华大学硕士学位论文 中控室的控铆台上进行集中控制。在流激调节控毹方瓣，导承机褥流量调节 和供水泵流量调节的协联调节。数据处联部分是对测凝的数据进稀计算、分 赘蓐，并以实验报告及图表的形式输出结聚。根据试验螽试验参数( 能量性能 试验参数、交镶毪戆试验参数) 嚣不藏瑟袋窝各塞数援采集筵理瓣特点，缡 制其试验功熊的数据采集软件，其软件模块包括参数设置模块、数据处理模 块、试验模块和帮助模块等。 但由于当射经费的阏题，其系统的一黪装置和设器采用的是一魑| 基设备， 藏装置系统的象要参数偏，l 、，同时没有考虑内部流动p i v 溺试辩静z 律条律 和环境，等等，这就无法很好地实现目前的测试要求，尤其是测试大一点模 烈机的情况，因此，有待进一步改进和完善。主要内容是： l 、透过拳头损失嚣冀秘分辑，霹装爨蓉缓迸孬改逡。堙丈珙承裂耱动力， 增大部分管路的过流面积，减小水头损失，并使最大试验水头和最大试验流 嫩提高。 2 、合理选摆仪器和传感器，并进彳亍其水力机械外特性试验的囊i 宓测控系 绞豹醪 究，捷溯控系统迸一步自动纯。 3 、合理设计工作段，提供p i v 钡4 试时的工作条件和环境，改善模型机的 可视度。 4 、进 亍衣力壤攘努特黢试验豹数据袋集与签理系绫磷究。暴麓三维公司 工业缎态软件力控为核心静自动控裁系统，以及基予斑叛仪器为平台的测试 系统，采用数据库软件d e l p h i 为开发平台的数据处理部分软件，谯此基础上 _ 开发静应用软件要具有数攒准确、使用意观、界面友好秘良好的硼扩展性等 特点。采弼横块健懿较箨竣诗，逶逶数黎缝莲蔹零，经数据经理鹃准确痰帮 翔动化进一步提高。 4 西华大学硕士学位论文 第二章原流体机械多相流动试验台 主体装置及测控系统简介 2 1原试验台主要参数及其功能 2 1 1 原试验台主要参数 最高试验水头( m ) 最大试验流量( m 3 s ) 模型转轮直径( i i i m ) 电机功率( k w ) 电机转速( r i n ) 供水泵功率( k 帕 循环管路直径( 眦) 系统容积( m 3 ) 2 1 _ 2 试验台的主体装置 此试验台为多相流动模型试验台，不仅可以做水轮机模型能量试验，同 时还可以做模型空蚀试验和飞逸特性试验。 主体结构由循环系统、抽真空系统、测功系统、电磁流量计组成。循环 系统由管路、稳压罐( 压力水箱，l om 3 ) 、尾水箱( 3 0 m 3 ) 、模型机组和两台 并联的供水泵组成一个立式的闭合回路( 见图2 1 ) 。 2 1 3 水轮机参数的测量和计算 1 、水头的测量及计算2 1 啪 采用压差传感器测量水轮机进出口压力，由下式计算得试验水头： h = 1 0 0 ( p l p 2 ) 式中，p 。一水轮机进口压力，m p a ；p ：水轮机出口压力，m p a 。 2 、流量的测量 采用电磁流量计直接测量通过水轮机的流量。 3 、水轮机转速和出力的测量 采用转矩转速传感器直接测量水轮机的出力和转速。 s o ，0 l 毒 。丽啪 7 伊 驮“口伊 坫一一獬一吣 谣华太学硕士举位论文 4 、单位流量的计算 外希 式牛，口一流爨，m 3 s ；琏一转轮直径，蕊； 嚣一永头，m 。 5 、单位转速的计算 强2 荐r i d , 戏中， 一转速，r m i r a 删一转轮直径，i r l ；日一水汰，m 。 6 、效率的计算 吁2 丽 式中，y 水的糊：重；q 一流溅，m 3 s ；一水头，m 。 f i g 2 一ls y s t e mo f t h em o d e lt e s ts t a n di nm u l t i p h a s ef l o w 图2 - 1 多相流动模型试验台系统网 6 西华大学硕士学位论文 2 2 原试验台测控系统的构成 该系统主要由两部分组成：一是计算机数据采集和处理系统，= 是自动 化控制系统。主要可作水轮机的外特性试验。 2 2 1 试验台测试子系统硬件 硬件系统采用以工业计算机( i p c 工控机) 为核心，结合现代高精度传感 器以及数据输出设备构成水轮机参数数据采集系统，见测试系统硬件框图 2 2 。 系统的核心为i p c 工控计算机，配置为p i l 4 5 0 ，1 2 8 m 内存。流量信号、 压差信号等由电磁流量计、压差传感器等将其模拟信号输出，再通过信号调 理板将其转换成标准的直流电压信号( 1 5 v 直流电压信号) ，该信号通过滤 波器消除干扰再由多通道的高精度数据采集卡( 1 6 位a d 转换) 将其转换成 数字信号输入到计算机进行处理。转矩、转速、功率等信号则由转矩转速传 感器输出，再通过j 1 v l b 微机扭矩仪输出数字信号传给计算机。在控制方面， 由i p c 工控机输出数字信号通过1 6 位d a 将其转换成控制信号控制全数字直 流调速器4 3 0 a 及f x m 5 来控制水泵转速及发电机励磁，达到控制水头及调节 发电输出功率的目的。最后，计算机处理后的试验数据通过打印机输出试验 报告及报表，测控系统方框图见图2 - 3 。 f i g 2 - 2h a r d w a r eo f t e s t i n gs y s t e m 图2 - 2 测试系统硬件框图 7 f i g 2 3s t r u c t u r eo f t e s t - c o n t r o ls y s t e m 图2 - 3 测控系统方框图 ( 1 ) 主机 该系统主机采用台湾a d v a n t e c h 研华公司i p c - 6 1 0 p i i - f , j k 级p c 机一台， 具有更高的可靠性和良好的抗干扰性。在试验过程中，试验的环境一般都比 较差，如高温、低温、潮湿、振动、电磁干扰和粉尘等诸多因素对计算机的 正常运行都有影响，工业级p c 机正是针对这些因素来设计的。 ( 2 ) 数据采集接口 高精度的模数转换是数据采集精度的重要保证。1 6 位的a d 转换精度为 0 0 1 0 0 2 ，此精度在国内同行业中也是最高精度，国内同行业的a d 转 换一般为1 2 位，转换精度为：0 2 5 。高精度1 6 位a d 转换数据采集板采用 8 西华大学硕士学位论文 的是台湾研华的p c l 一8 1 6 d a 一1 高精度数据采集卡。它由多路采样开关、缓冲 放大器、采样保持电路、1 6 位a d 转换器、1 6 位d a 转换器，d c d c 电源及 相关控制电路接口电路组成的高精度数据采集系统。 3 2 路多通道转入可测量更多信号，i o o k h z 采样频率具有很高的采样速度 并为多信号的同时采集提供了保证。各个参数信号由相应的高精度传感器转 换成电信号传出来，由于不同的传感器其转换原理、方式以及传输型号大小、 类别的差异，所以要通过信号调理器，将不同的电信号调理成同a d 板转换 条件相匹配的信号。然后再由带高抗共模干扰技术的通道滤波器进行滤波， 消除干扰，最后经高精度a d 板进行模数转换，输入到计算机进行保存、计 算和处理。 ( 3 ) 数据通信接口 在转矩、转速信号的测量中，选用j c 型转矩转速传感器，其测试精度为 0 2 级，以及与之相配套使用的j w 一1 b 微机扭矩仪。该仪器可对转矩、转速信 号进行自动测量，并由自身的所带微电脑算出轴功率，然后通过自带的r s 一2 3 2 串行通信接口向外传输数据。将微机扭矩仪的r s - 2 3 2 接1 3 与i p c 主机的 r s 一2 3 2 接口联结，实现了机一机之间的数据通信，从而可对转矩、转速和功 率等参数进行实时采集。由于采用的是数字通信方式，数据在传输过程中不 会有丝毫的改变，提高了数据的可靠性。 ( 4 ) 系统抗干扰措施” 【” 通过传感器输出的信号一般都比较弱，而且传输距离较长，试验现场又 有诸如：大功率电机、变压器、多种电磁开关元件和一些大型整流设备等诸 多要产生强弱不同干扰信号的仪器。测试系统如果不采取抗干扰措施，干扰 源发出的噪声就会干扰正常的被测信号，从而增大测试误差，甚至出现假信 号，致使系统不能正常工作。为了减小干扰对系统测试的影响，采取了如下 的措施： 1 ) 采用超级隔离变压器将测试系统所用的交流稳压电源与动力电网隔 开，以消除公共接地阻抗耦合，减小负载波动。由于超级隔离变压器铁芯的 材料特殊，5 0 h z 基波通过铁芯耦合到二次绕组，而高频噪声电压所产生的磁 通在磁路中被抑制、削减，使其不得耦合到次级，从而切断了噪声由电源窜 入测试系统的通道。此外，变压器一次和二次侧都分别加了屏蔽，屏蔽层接 地防止了静电耦合。 9 莛牮太学磺士学位论文 2 ) 动力线和信号线分开走线。储号线用双绞脬蔽线，抑制电磁场干扰。 3 ) 单独铺设地网。 4 ) 售穆溟薮线在售譬深处擎熹按建，避免了嚣点或多点接溅簿嚣存在遗 电位差而产生电流流过屏蔽层变为干扰电流，以及由于屏蔽层、接地线和地 之问可能构成闭合回路，在变化的电磁场作用下，屏蔽层内出现的感生电流。 5 ) 各馕号阀都采取楣互隔离，以避免信号与馋号之闯的楣艇于扰。 ( 5 ) 试验螽毫溅装黉 试验台测量仪器仪表及性能见表2 1 。这些传感器均有专门的精密直流稳 压电源为其提供工作电源，提高了测试信号精确度和可靠性，同时在传感器与 各耱坟嚣、仪表接叠积诗嚣辍之阕垮采鼹豢屡菠终鼷妻冬双绞售号魄缆，其毒缀 好的抗干扰糍力。信号电缆均在电缆沟中铺设或穿管，并与强电分开，防止干 扰。 袭2 - l 试验台测量仪器仪表 繁小k2 一li n s t r u m e n t so f t h et e s ts t a n d 测量参数仪器名称型号量稷准确度 转矩转速 0 1 6 0 0 n mm0 2 级 转矩转速j c 一1 0 0 传感器o 4 0 0 0 r m i na n 0 。2 级 流量毫磁漉鬣计 v 溺4 5 1 6 2 3 2 0 4 00 8 5 o 。8 l s0 。3 级 水头压差变遴器 i ) p 5 e 1 2 m 1 8 1o 1 8 6 8 k p a0 1 级 开度角位移传感器 系统真空镀受压变邀器 y - 0 1 0 00 0 1 6 一0 1 m p a0 5 缀 尼旃吸出裔度连通管永伎计 水温温度计 大气压力气压计 2 2 2 试验台自动控制子系统硬件的设计 试验台自动控制子系统包括试验水头、水轮机转速的调节控制和真空系 绞戆谖节。 ( 1 ) 试验水头的调节 在试验过程中，通过调节供水泵的转速从而使被试验水轮机前后的压差 ( 试验水头) 发生变化【6 l 。通过控制电动枧的电枢电压来达到控制电机转速的 l o 西华大学硕士学位论文 目的。在测控系统中，直流电动机驱动用的是两台英国c o n t r o lt e c h n i q u e s 公司生产的m e n t o ri i 全数字式直流电机驱动器( 4 3 0 a ) ，该驱动器具有当代 水平的全微机化工业用d c 电动机调速驱动器的功能，包括控制、监测、保护 和串行通信的功能，如图2 - 4 直流电动机驱动示意图。 f i g 2 - 4d r i v eo f t h ed i r e c tc u e me l e c t r o m o t o r 图2 4 直流电动机驱动示意图 试验台的电机驱动采用的是远程控制及现场控制两种控制同时使用的控 制方式。通过对自动，手动切换装置的开关，可以对电机驱动进行计算机控制 或手动调节。既可以在现场控制电机转速，也可以在中控室对电机转速进行 调节。 ( 2 ) 水轮机转速的控制 在试验中采用直流发电机与水轮机转轴连接，通过直流发电机发电，输 出功率被负载消耗来实现水轮机的功率平衡。直流发电机采用的是一台9 0 k w 的直流发电机，负载采用的是一组电阻，其设计功率为1 0 5 6 k w 。直流发电机 发出的功率通过负载电阻以热能的形式消耗掉，以实现发电机的功率平衡。 对于直流发电机的控制，是通过调节它的励磁来控制直流发电机的转速。 采用了英国c o n t r o lt e c h n i q u e s 公司生产的f x m 5 直流电流调节器来实现励 磁电流的调节。f x m 5 的直流输出为o 2 0 a 可调，电源为2 2 0 v 或3 8 0 v ，其直 流输出能够满足该台直流发电机励磁的需要( 需要4 3 a 的直流电流) 。 ( 3 ) 真空系统的调节 西华大学硕士学位论文 真空度调节系统装置主要包括：真空泵、电动调节阀、负压传感器及调 节部分等。 l 、真空泵：采用2 ) ( _ 一3 0 型真空泵，配以5 k w 的交流电动机，其作用是 通过对真空罐抽真空来提高系统真空度。 2 、电动调节阀：采用z k z p i i i 型电动单座调节阀。该调节阀具有动 作灵敏、信号传输迅速和传送距离远等优点。可把来自调节仪表的标准信号 转换为调节阀芯的位移信号，可迅速地调节管路内的压力。在该调节系统中 采用了两个调节阀( m 6 5 、0 2 5 ) ，一个用于调节单位抽气量，一个用于调节 进气量啊锄。 2 3 本章小结 本章主要对原多相流动试验台主体装置及测控系统作了简介，并对模型 试验台自动测控系统的硬件构造方面进行了具体的描述。 1 2 西华大学硕士学位论文 第三章试验台主体装置系统改造 3 1 原试验台存在的主要问题、水头损失计算及分析 3 1 1多相流动模型试验台存在的问题 1 管路不合理：管径太小，系统布局弯头多；( 局部实物图见附录) 2 不能保证水中稳定不变的空气含量； 3 由于系统排气设施不健全，系统运行时，容易产生剧烈的振动； 4 模型水轮机尾水管长度太短，只有l m 左右； 5 没有考虑模型水轮机转轮室、尾水管等处的p i v 测试。 3 1 2 水头损失计算 一、沿程水头损失的理论计算公式侈】【1 0 l l 1 1 1 2 1 1 3 】1 1 4 1 1 5 】 对于均匀流下的层流和紊流，沿程水头损失的理论计算公式为： h ，：九上一v 2 ( 3 - 1 ) 。4 rz g 圆管的水力半径r 为管径d 的1 4 ，即r = d 4 ，故沿程水头损失的表达式： h ，吼三d 。瓦v 2 ( 3 - 2 ) 令持鬲8 9 ，则上式变为谢才公式： h ，2 高， ( 3 _ 3 ) 确定谢才系数c 的公式采用曼宁公式： c：!r(3-4) 式中的n 称为粗糙系数，它是衡量边壁阻力影响的一个综合系数，通过 查表，对于安装良好的清洁铸铁管及钢管n = o 0 11 ，1 n = 9 0 9 。 西华大学硕士学位论文 二、水头损失计算 计算水头损失时作一些简化处理：沿流程如果有几处局部水头损失，只 要不是相距太近，就可以把它们分别计算；边界局部变化处，对沿程水头损 失的影响不单独计算，假定局部水头损失集中产生在边界突变的一个断面上， 该断面上游段和下游段水头损失仍然只考虑沿程损失，即将两者看成互不影 响、单独产生。另仅计算水泵出口至水轮机进口段水头损失，改造时计算相同。 ( 1 ) 当q = o 7 m3 ，s 时 卟，o om m ，v = 罟= 等观，( m s ) 艇j ：冗x u ， 。：= 4 5 0m m v ：3 墨2 煮j l 鲁州c 毗，五u ：u 斗) 水力半径：r l = d i 4 = 0 0 7 5 m l t l ，r 2 = d2 4 = 0 1 1 2 5 m m 。 1 沿程水头损失计算 由c = 三r 计算可得，c = 5 9 ，c 2 = 6 3 1 6 通过实际测量，管长l = 2 2 m ，管长l ，= 1 0 7 7 m h ，= 岳l = h 。+ h 2 - 淼啦+ 淼圳刀 = 8 2 6 + 0 4 6 = 8 7 2o n ) 2 弯头局部水头损失计算 从水泵出口到水轮机进口一共有四个，按顺序分别为1 ，2 ，3 ，4 ，取 r d = 1 5 ，直角弯管号。2 = ，= 0 6 ，6 0 。弯管。= o 8 3 e = o 4 8 ，并联段直角弯 管，q l = 0 3 5 m 3 s ，d l = 3 0 0 i r f f n ，v l - 4 9 5 m s ，总管v2 = v3 = 9 9 r i f f s ，v4 = 4 二4 t r d s ，g 取9 ，8 1 。 h j 2 擎云- h ，i + h j2 + h j3 + h j 4 6 吼6 攀+ 2 0 6 尝+ 0 4 8 等：7 2 2 ( m ) 2 9 2 9 2 9 塑望查兰塑主兰堡堡三 3 折弯局部水头损失计算： a = 9 0 。时，局部水头损失系数乒1 1 0 ， v = 9 9m s ， h 一丢一等一s 4 。c 呻 4 并联段等径三通局部水头损失计算： 等径三通局部水头损失系数乒1 5 ，v = 4 9 5m s ， h 廖乒s 等钆s ， 5 稳压罐局部水头损失计算： 扩散段 a 22 0 3 3 3 = o 9 9 ( m2 ) ， a 7 4 d ? 2 三x o 3 22 0 0 7 ( m 2 ) 卿一要) 2 = ( 1 一器问s 6 中弘丢删s 苦钔s c m ， 收缩段d l = 1 7 4 0 m n l ，d2 = 4 5 0 南m 斗5 ( 1 一争o 5 ( 1 一筹) = 0 4 7 h j 气j v p 2 04 7 x 4 2 4 2 2 一o 4 6 ( m ) 。 7 2 92 9 、 稳压罐总水头损失：4 2 5 + 0 4 6 = 4 7 1m ，考虑其内部结构，调整为4 8 6m 。 6 并联管路局部水头损失计算： 并联管路特点是： a 由流量连续性原理可知，总流量等于各分支点流量之和，即q = q 。+ q ： b 并联管路中，单位质量流体所产生的水头损失相等( i ! i l y g 并联管路具有 共同的联接点，联接点间的压强差即为各并联管路的水头损失) 。 已知泵l 和泵2 轴功率为6 8 5k w ，1 1 = 8 l ，止回阀水头损失系数e ，= 3 5 ， 阀门水头损失系数t ，= 0 0 7 。 耍望查兰堡圭兰竺堡苎 由于并联管路单位质量流体所产生的水头损失相等， 所以，h i 。一a h 。_ h 。一风 n 一条棚= 善善，v 一罟 旦一点竖：生一卢堡 店q 1钔2 9 店q”2 9 经计算，止回阀水头损失为3 5 2m ，阀门水头损失为o 1 1m 。 7 管路总水头损失计算： 泵1 的扬程为：1 8 0 3 m ，泵2 的扬程为：1 4 6 6 m 。 1 号泵至水轮机总的水头损失为：3 1 6 8m 2 号泵至水轮机总的水头损失为：2 8 2 7m ( 2 ) 当q = o 3 5 m3 s 时 d 12 3 0 0 m m d ，= 4 5 0 m m v 一2 罟钏5 ( 毗) v ：2 署一z z ( 叫 水力半径： r i = d i 4 = 0 0 7 5i n l t l ，r2 = d2 4 = 0 1 1 2 5m i l l 。 1 沿程水头损失计算 由c = 三r 计算可得，c ，：5 9 ，c2 = 6 3 1 6 旷高= 煮熹翊+ 蒜刀 h ，_ 2 0 6 + 0 1 2 2 1 8 2 弯头局部水头损失计算 从水泵出口到水轮机进口一共有四个直角弯管， 。芎：= ，= 0 6 ，6 0 。弯 管 4 2 0 8 3 e i = o 4 8 ，并联段直角弯管，q l = o 1 7 5m 3 s ，d i = 3 0 0m m ，v 。= 2 4 8 m s ，总管v2 = v 3 = 4 9 5 m s ，v4 - 2 2 m s ，g 取9 8 1 。 西华大学硕士学位论文 h ，寄瓦 1 7 2 _ h h ，z + h ，+ h ，。 观6 2 ，4 8 型+ 2 0 6 之冬州8 x 关= l 8 0 ( m ) 2 92 92 9 3 折弯局部水头损失计算 c t = 9 0 。时，局部水头损失系数9 = 1 1 0 ，v = 4 9 5m s ， h 声瓦v 2 孔t 等吐s ，( m ) 4 并联段等径三通局部水头损失计算 等径三通局部水头损失系数乒1 5 ， v = 2 4 8m s ， 驴睦乩s 等- 0 4 ，c 咖 5 稳压罐局部水头损失计算 扩散段h 1 一砉) 2 = ( 1 一器) 2 = o 8 6 h ，：弘昙= o 8 6 。_ 4 9 5 2 乩0 7 ( m ) 7 2 92 9 收缩段 = o 5 ( 1 一鲁) = 0 5 ( 1 一尝筹) 2 0 4 7 h ，薯。昙_ 0 4 7 。娶- o 1 1 ( m ) 7 2 9 2 9 、。 稳压罐总水头损失：1 0 7 + 0 1 1 = 1 1 8 m ，考虑内部结构，将其调整为1 3 3m 。 6 并联管路局部水头损失计算 署书醑5 q 2 6 6 _ o _ 7 l q ； ( 3 ) q i + q2 2 q 2 0 3 5 ( 4 ) 绨计笸i p 同阀7 k 婆榀央尚10 6m 阀门7 k 婆榀失为00 2i t i 。 1 7 西华大学硕士学位论文 7 管路总水头损失计算 泵l 的扬程为：3 2 9 1m ，泵2 的扬程为：3 1 8 0 m 。 1 号泵至水轮机总的水头损失为：8 2 1m 2 号泵至水轮机总的水头损失为：7 1 7m 3 1 _ 3 结果分析 1 由于系统管路设计不合理，阻力比较大，现有管路沿程水头损失、局 部水头损失比较大。当流量q = 0 7m s 时，l 号泵出口至水轮机进口水头损 失为a h i = 3 1 6 8 m ，2 号泵出i ：3 至水轮机进口水头损失k = 2 8 2 7m ；当q = 0 3 5 m 。s 时，1 号泵出1 ：3 至水轮机水头损失为拓= 8 2 1n l ，2 号泵出口至水轮机水 头损失为& h 2 = 7 1 7m 。系统运行时，最大流量达不到设计要求，最大水头达 不到设计要求： 2 系统中，由于排气设施不健全，很容易造成稳压箱达不到应有的效果； 3 由于系统上部淤积有大量空气，对于水泵前的尾水箱，如果该箱内淤 积空气过多或者流入箱内的流体含有大量空气而逐渐积累在箱内，其结果是 箱内液面低于进水管的上沿，产生空腔振动。对于水泵后的稳压箱如果内部 空气过多，液面过低，造成一部分空气随液体进入管道内部，造成管道气堵。 3 2改造方案 3 2 1 减小阻力损失的措施 减小阻力损失具体有两种途径【1 6 j ： 1 改进流体外部边界，改善边壁对流动的影响： 2 在流体内部投放极少量的添加剂，使其影响流体运动的内部结构。 前者已经成熟，主要有： 减小管壁粗糙度( 如用软管) ： 减小紊流局部阻力的着眼点，在于防止或推迟流体与壁面的分离，避免 旋涡区的产生或者减小旋涡区的大小和强度。 措施有： 考虑管径增大管径，可以减小流速； 考虑管道进口采用平滑的管道进口： lr 西华大学硕士学位论文 用渐扩管和突扩管 考虑弯管 考虑三通 考虑配件连接 止回阀 选扩散角小的渐扩管或台阶式突扩管； 增大r d ，减小e ，对于r d 小的弯管，可以在 弯管内部布置一组导流叶片； 尽可能减小支管与合流管之间的夹角，或将支 管与合流管连接处折角改缓； 对既要弯又要扩的，可以采取先扩后弯。 采用具有专利的球形止回阀。代= 1 o ) 3 2 2 供水泵选择及供水设计 水泵选用两台s 型3 5 0 s 4 4 a 单级双吸离心泵，其设计流量q = 1 1 1 6 m3 h ， 设计扬程为3 6m ，轴功率为1 3 l k w ，配套电机型号为z 4 - 2 2 5 3 l ，功率为 1 6 0 k w ，n = 1 5 0 0 r m i n 。 供水设计成：利用两台泵实现可串联或并联供水。如图3 1 ，当阀门1 、 4 打开，阀门2 、3 闭合时实现装置的串联供水，主要适合小流量，高水头工 况；当阀门2 打开，阀门1 、3 、4 闭合时实现装置的并联供水，主要适合大 流量，低水头工况【 l 。 3 2 3 管径设计 f i g 3 - 1t h es e r i e s - p a r a l l e lp i p e l i n e 图3 - 1 串并联管路 q _ a x v _ 三d 2 y 1 9 西华大学硕士学位论文 若管径偏小，水头损失大，电耗高，但所需投资少；相反，若管径偏大， 水头损失小，电耗低，但所需基本投资大。所以，两者应综合考虑。 当流量q = o 7m 3 s 时，流速一般适宜为2 4r r d s ，取流速v = 4m s d ：、惶_ 1 j 4 x 0 7 ：0 4 7 2 ( m ) v 助v4 x z 。