一种3D打印水泵水轮机转轮模型试验方法技术

本发明专利技术公开了一种3D打印水泵水轮机转轮模型的试验方法，涉及水泵水轮机试验技术领域。本发明专利技术将3D打印制备地转轮与连接组件组合成复合装配结构；将复合装配结构安装到水轮机上；测量该3D打印制备的转轮与连接组件组合而成的复合装配结构的水力性能，将测得3D打印制备的转轮与连接组件组合而成的复合装配结构的水力性能参数与采用金属加工的转轮的水力性能参数进行对比，得出3D打印制备的转轮与连接组件组合而成的复合装配结构工况试验的试验条件。本发明专利技术的试验方法可以保证转轮试验的安全性，同时兼顾试验精度，满足IEC规程要求。

【技术实现步骤摘要】
一种3D打印水泵水轮机转轮模型试验方法
本专利技术涉及水泵水轮机试验
，更具体地说涉及一种3D打印水泵水轮机转轮模型试验方法。
技术介绍
随着产品竞争的激烈，设计日趋复杂，个性化要求日益增多，设计开发的难度越来越大。采用三维软件辅助设计有助于这一发展需求，这种发展趋势可以从汽车、飞机、电子、消费品、医学等行业近期的发展，以及三维软件近年的市场份额增加得到证实。3D打印技术，是先进制造技术群中的重要组成部分。3D打印技术明显缩短了新产品的研发时间，节约新产品开发和模具制造、修复的费用。中国水电事业的发展已经进入到了一个“高端消费”市场阶段，用户个性化消费需求明显，要求快速响应市场需求，为了适应这一需求，针对用户采用“量体裁衣”式的设计方式满足用户需求。这对研发设计而言提出了很高的要求，并且应用于水电的水轮机部件高度扭曲雕塑曲面体越来越多，传统的机加工存在若干缺点，不能有效满足精益生产的需要。3D打印技术以其快速成型，任意成型的优点，可以一定程度上满足科技研发的需求。但是，3D打印转轮在强度上还存在若干缺陷，如何将3D打印制备的模型水泵水轮机转轮用于试验，并且保证试验安全；如何将3D打印制备的模型水泵水轮机转轮所需的试验条件雷诺数Re满足IEC规程的要求，保证试验精度，是目前需要解决的重要问题。
技术实现思路
为了克服上述现有技术中存在缺陷和不足，本申请提供了一种3D打印水泵水轮机转轮模型试验方法，本专利技术旨在于解决现有技术种如何将3D打印制备的模型水泵水轮机转轮用于试验，并且保证试验安全的问题；以及如何将3D打印制备的模型水泵水轮机转轮所需的试验条件雷诺数Re满足IEC规程的要求，保证试验精度的问题。本申请的试验方法可以保证转轮试验的安全性，同时兼顾试验精度，满足IEC规程要求。为了解决上述现有技术中存在的问题，本申请是通过下述技术方案实现的：一种3D打印水泵水轮机转轮模型试验方法，其特征在于：包括以下步骤：装配步骤：将3D打印制备地转轮与连接组件组合成复合装配结构；将复合装配结构安装到水轮机上；测量步骤：测量该3D打印制备的转轮与连接组件组合而成的复合装配结构的水力性能，比对步骤：将测得3D打印制备的转轮与连接组件组合而成的复合装配结构的水力性能参数与采用金属加工的转轮的水力性能参数进行对比，试验设计步骤：得出3D打印制备的转轮与连接组件组合而成的复合装配结构工况试验的试验条件；且所述试验设计步骤中，得出的复合装配结构工况试验的试验条件中复合装配结构工况试验的水头高度不超过40m，复合装配结构的转速不高于850r/min；转轮下环直径不小于300mm，试验水温介于30-35℃之间；转轮下环与底环之间的间隙不低于0.25mm；所述测量步骤中，所述水力性能包括效率、压力脉动、空化、S形安全余量和驼峰特性。所述水力性能中的效率特性采用水轮机工况效率试验测得，在导叶开度等于不同常数的情况下，并且在整个试验过程中保持模型转速恒定，测量不同工况点的流量Q、水头高度H、复合装配结构转速n、水轮机输出力矩M和水的温度t；计算水的密度的变化对效率计算值的影响；记录复合装配模型的水轮机工况效率原始试验数据，并与金属加工的转轮的工况效率试验数据进行对比。所述水轮机工况效率的计算公式为：。所述水力性能中的压力脉动特性通过压力脉动测试系统测得，压力脉动测试系统完成各通道信号的同步采样，记录时域上的模拟信号波形，采用FFT分析方法对信号进行频谱分析，确定最大频域幅值及其对应的频率；其中压力脉动测试系统的采用频率为2000Hz，采样时间为16.3秒。压力脉动时域幅值采用时域范围内的压力脉动最大峰峰值，对压力脉动测试系统记录到的压力脉动时域波形图，做97%置信度的混频双峰值计算和FFT分析，计算结果以相对参数的形式提供，如下所示：；；；式中，ΔH：压力脉动双振幅(m)，按97%的置信概率确定；H：试验水头高度(m)：通过FFT分析得到的压力脉动主频(Hz)；：转频(Hz)；：压力脉动频域振幅(m)；A：压力脉动时域相对值(%)；：压力脉动频域相对值(%)。所述水力性能中的空化特性通过空化性试验测得，所述空化性试验的试验转速恒定为800r/min，空化参考面为导叶中心线；在水泵运行的协联曲线上选取特征工况点进行水泵临界空化系数和初生空化系数试验；所述临界空化系数为，指与无空化工况效率相比，效率降低0.5%时的空化系数。所述空化性试验中，对试验用水进行30min的抽气运行后开始空化试验，试验过程中检测水中空气含量，在小于最优流量的运行区域，将初生空化系数定义为随着吸出水头的减小，即尾水管内真空度的增加，在转轮2个叶片表面开始出现可见气泡时对应的空化系数；在大于最优流量的运行区域，采用视觉观察与噪声法相结合确定初生空化系数。所述水力性能中的S形安全余量通过四象限特性试验测得，所述四象限试验是指，在稳态下，对水泵水轮机的水泵正常运行工况、水轮机正常运行工况、水泵制动工况、水轮机制动工况和反转水泵工况的五种工况范围内的不同工况点测量相应流量、转速和力矩，试验过程中，维持水头高度不变，在不同导叶开度下，改变模型转速，从而得到不同开度下的流量特性Q11~n11和力矩特性M11~n11，依次计算原型水泵水轮机动态过渡过程中的瞬时工况特性。所述四象限特性试验是在高空化系数下进行的，试验水头高度小于或恒定在25m，试验转速小于或恒定在700r/min；在水轮机空载开度范围内间隔1°进行加密试验。所述四象限特性试验过程中，单位流量表示为：；单位转速表示为：；单位力矩表示为：，D表示转轮下环直径。所述水力性能中的驼峰特性是通过驼峰试验测得的，所述驼峰试验是指，在水泵试验过程中，采集水泵的流量和扬程，采集扬程的过程是从低扬程到高扬程逐渐采集，当采集的扬程曲线出现正协率时，该点对应的扬程即为驼峰扬程。将驼峰试验过程中采集的扬程数据和流量数据换算成压力系数和流量系数，具体为：流量系数表示为：；压力系数表示为：。与现有技术相比，本申请所带来的有益的技术效果表现在：1、与现有技术相比，为了保证3D制备转轮的试验安全，则将3D打印制备地转轮与连接组件组合成复合装配结构，将传统叶片、上冠、下环装配为一体的转轮结果改变为由3D制备转轮与连接组件组合而成的复合装配结构，保证了转轮和主轴键传递的可靠性。本试验方法满足IEC规程要求，同时保证了3D制备模型水泵水轮机转轮的安全试验。本试验方法可以使3D制备的转轮模型水泵水轮机用于试验，也可以应用于设计适应于水能和风能的各种转轮、叶轮、风力机和压缩机叶片。无论从快速响应市场需求还是节约成本角度而言都是很好的市场应用前景。2、本试验方法试验设计要求:复合装配结构工况试验的水头高度不超过40m，复合装配结构的转速不高于850r/min；确保了试验安全，符合3D制备转轮的机械强度要求，转轮下环直径不小于300mm，试验水温介于30-35℃之间；保证雷诺数Re满足IEC规程要求。本专利技术试验方法解决了3D打印制备转轮模型水泵水轮机用于试验的关键技术，可以保证转轮试验的安全性，同时兼顾试验精度，满足IEC规程要求。附图说明图1为本申请水轮机工况效率试验中金属加工的转轮与3D打印制备的转轮的效率与流量系数的关系对比图；图2为本申请压力本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种3D打印水泵水轮机转轮模型试验方法，其特征在于：包括以下步骤：装配步骤：将3D打印制备地转轮与连接组件组合成复合装配结构；将复合装配结构安装到水轮机上；测量步骤：测量该3D打印制备的转轮与连接组件组合而成的复合装配结构的水力性能，比对步骤：将测得3D打印制备的转轮与连接组件组合而成的复合装配结构的水力性能参数与采用金属加工的转轮的水力性能参数进行对比，试验设计步骤：得出3D打印制备的转轮与连接组件组合而成的复合装配结构工况试验的试验条件；且所述试验设计步骤中，得出的复合装配结构工况试验的试验条件中复合装配结构工况试验的水头高度不超过40m，复合装配结构的转速不高于850r/min；转轮下环直径不小于300mm，试验水温介于30‑35℃之间；转轮下环与底环之间的间隙不低于0.25mm；所述测量步骤中，所述水力性能包括效率、压力脉动、空化、S形安全余量和驼峰特性。

【技术特征摘要】
1.一种3D打印水泵水轮机转轮模型试验方法，其特征在于：包括以下步骤：装配步骤：将3D打印制备地转轮与连接组件组合成复合装配结构；将复合装配结构安装到水轮机上；测量步骤：测量该3D打印制备的转轮与连接组件组合而成的复合装配结构的水力性能，比对步骤：将测得3D打印制备的转轮与连接组件组合而成的复合装配结构的水力性能参数与采用金属加工的转轮的水力性能参数进行对比，试验设计步骤：得出3D打印制备的转轮与连接组件组合而成的复合装配结构工况试验的试验条件；且所述试验设计步骤中，得出的复合装配结构工况试验的试验条件中复合装配结构工况试验的水头高度不超过40m，复合装配结构的转速不高于850r/min；转轮下环直径不小于300mm，试验水温介于30-35℃之间；转轮下环与底环之间的间隙不低于0.25mm；所述测量步骤中，所述水力性能包括效率、压力脉动、空化、S形安全余量和驼峰特性。2.如权利要求1所述的一种3D打印水泵水轮机转轮模型试验方法，其特征在于：所述水力性能中的效率特性采用水轮机工况效率试验测得，在导叶开度等于不同常数的情况下，并且在整个试验过程中保持模型转速恒定，测量不同工况点的流量Q、水头高度H、复合装配结构转速n、水轮机输出力矩M和水的温度t；计算水的密度的变化对效率计算值的影响；记录复合装配模型的水轮机工况效率原始试验数据，并与金属加工的转轮的工况效率试验数据进行对比。3.如权利要求2所述的一种3D打印水泵水轮机转轮模型试验方法，其特征在于：所述水轮机工况效率的计算公式为：。4.如权利要求1所述的一种3D打印水泵水轮机转轮模型试验方法，其特征在于：所述水力性能中的压力脉动特性通过压力脉动测试系统测得，压力脉动测试系统完成各通道信号的同步采样，记录时域上的模拟信号波形，采用FFT分析方法对信号进行频谱分析，确定最大频域幅值及其对应的频率；其中压力脉动测试系统的采用频率为2000Hz，采样时间为16.3秒。5.如权利要求4所述的一种3D打印水泵水轮机转轮模型试验方法，其特征在于：压力脉动时域幅值采用时域范围内的压力脉动最大峰峰值，对压力脉动测试系统记录到的压力脉动时域波形图，做97%置信度的混频双峰值计算和FFT分析，计算结果以相对参数的形式提供，如下所示：；；；式中，ΔH：压力脉动双振幅(...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘德民，吴伟，赵永智，荀洪运，
申请(专利权)人：东方电气集团东方电机有限公司，
类型：发明
国别省市：四川,51