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，促進了水流的局部擾動和空化的發(fā)展，磨損嚴重時甚至?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水端和出水端的進水通道和出水通道；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，所述進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、作為一種進一步的改進，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、作為另一種更進一步的改進，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，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、將主體與進水通道和出水通道進行組裝，獲得實驗裝置。

14、作為一種改進，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，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，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重的區(qū)域位置進行取舍，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。