本實用新型涉及渦輪測試技術領域，具體涉及一種渦輪實驗臺。

背景技術：

目前，渦輪作為一種重要的流體動力學部件，可在空氣流、水流、泥漿流等流體介質的能量驅動下發(fā)生旋轉，進而將流體的能量轉換為機械能。常見的渦輪有渦輪發(fā)動機、水輪機、風力發(fā)電機、渦輪鉆具定轉子等，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)等領域具有廣泛的應用。渦輪加工的精度、選用的材質等多種影響因素均會對渦輪的性能產生影響，但對渦輪性能起到決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、幾何結構參數、葉片的型線、葉片的間隙尺寸等，因此，渦輪的設計是一件十分復雜的事情，往往需要進行反復的性能測試和參數調整才能獲得一款性能優(yōu)異的渦輪。近些年，隨著計算機輔助設計技術(CAD)及計算機模擬仿真技術(CFD)的飛速發(fā)展，渦輪的設計能力有了飛速的提升，渦輪的設計技術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)方法的基礎上發(fā)展為四階樣條、三次多項式、五次多項式、Bezier曲線等新方法，這類方法設計的渦輪型線具有連續(xù)的三階導數，滿足了葉片進、出口角以及葉片流道連續(xù)收縮的要求，避免了無連續(xù)導數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特性。盡管渦輪的設計能力大大提升，但也使得渦輪的幾何形狀也隨之更為復雜，所需控制的參數也隨之大大增加。因此，如何快速有效地對渦輪的性能進行測試與評定，驗證計算機模擬仿真技術對渦輪性能的預測，進而對渦輪設計參數的做出進一步的調整和優(yōu)化，并有效地減少渦輪設計研發(fā)成本和周期，開發(fā)一種便捷高效的渦輪性能測試驗證試驗臺便具有重要的現(xiàn)實意義。

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

技術實現(xiàn)要素：

針對上述現(xiàn)有技術中存在的問題，本實用新型提供一種渦輪實驗臺，其可以實現(xiàn)單一渦輪實驗臺上，利用不同流體介質中對不同類型渦輪的性能進行測試，不僅可獲得單或多級渦輪的扭矩、轉速等常規(guī)性能，而且可以測量出渦輪旋轉對其周圍流體圍壓的影響，還可以對渦輪的隨動性能進行測量，實現(xiàn)對渦輪部件可用性、設計模型合理性、仿真預測準確性的評測，為渦輪設計與優(yōu)化提供依據。

為實現(xiàn)上述目的，本實用新型提供如下技術方案：一種渦輪實驗臺，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置的第一驅動機構、渦輪測試機構和第二驅動機構；

所述渦輪測試機構包括流體進口、上套筒、渦輪套筒、下套筒和流體出口，所述流體進口、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動機構和第二驅動機構連接；

所述渦輪實驗臺還包括用于采集渦輪工作狀態(tài)數據的數據采集系統(tǒng)。

進一步，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動機構連接，所述渦輪的另一端通過下渦輪安裝軸與第二驅動機構連接。

進一步，所述渦輪測試裝置還設置有機架，所述機架上設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置有上端面座，所述第二橫支撐板上設置有下端面座，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。

進一步，所述上套筒內設置有整流板，以利于在渦輪測試時獲得均勻穩(wěn)定的內部流場。

進一步，所述上端面座與下端面座上均設置有機床中心架，用于調整流體通道的軸向位置，保證渦輪安裝軸與電機軸的軸向同心度，以便于渦輪測試裝置的組裝和調試，避免了軸向位置偏差導致測試數據不可靠的情況發(fā)生。

進一步，所述流體進口處設置有進口壓力傳感器，所述流體出口處設置有出口壓力傳感器和控制閥，用于測量進口和出口的流體壓力差值，進而可利用流體力學計算出渦輪旋轉所消耗的流體能量，對渦輪的效率進行評價。

進一步，所述渦輪處設置有環(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的渦輪套筒上，可用于測量渦輪旋轉對周圍流場的壓力影響。

進一步，所述第一驅動結構包括上部電機和第一聯(lián)軸器，所述上部電機通過第一聯(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)軸器設置有上部轉扭傳感器，用于測試渦輪轉動的扭矩和轉速。

進一步，所述第二驅動結構包括下部電機和第二聯(lián)軸器，所述下部電機通過第二聯(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)軸器設置有下部轉扭傳感器，用于測試渦輪轉動的扭矩和轉速。

進一步，所述上渦輪安裝軸與上端面座連接處設置有密封蓋，所述下渦輪安裝軸與下端面座連接處設置有密封蓋。

進一步，上渦輪安裝軸上設置有盤閥或噴嘴，可用于測試渦輪的隨動性。

進一步，所述流體進口與上套筒之間、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。

本實用新型的有益效果如下：

1、本實用新型提供了一種渦輪實驗臺，設計簡單，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、對轉渦輪、渦輪隨動性等性能，還可用于評價渦輪轉動對周邊流場的影響。該測試裝置可實現(xiàn)數據動態(tài)采集和記錄，便于后續(xù)對渦輪力學理論的分析及渦輪設計模型的優(yōu)化，還可為計算機仿真模擬對渦輪性能的預測進行實驗驗證，進而對仿真模擬的參數及算法進行調整，縮短渦輪研發(fā)和設計的周期，降低成本。

2、本實用新型的渦輪安裝軸與渦輪鍵連接或過盈方式配合，在驅動機構的帶動下，對渦輪性能進行測試，其操作方便，結構簡單，通過渦輪安裝軸實現(xiàn)對單渦輪、多級渦輪和對轉渦輪的性能測試。

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

附圖說明

圖1為本實用新型實施例提供的渦輪實驗臺的結構示意圖；

圖2為本實用新型實施例提供的渦輪實驗臺電控部分的結構示意圖；

圖中：1—上部電機，2—第一聯(lián)軸器，3—上部轉扭傳感器，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—下部轉扭傳感器，12—下部電機，13—第四支架，14—第二聯(lián)軸器，15—第三支架，16—機床中心架，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—進口壓力傳感器，23—流體進口，24—整流板，25—機架，26—下渦輪安裝軸，27—第一支架，28—第二支架。

具體實施方式

為了使本技術領域的人員更好地理解本實用新型方案，下面結合附圖和具體實施方式對本實用新型作進一步的詳細說明。

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

如圖1和圖2所示，一種渦輪實驗臺，包括渦輪測試裝置、數據采集系統(tǒng)。所述數據采集系統(tǒng)用于采集渦輪測試裝置的數據，所述渦輪測試裝置從上至下依次設置有第一驅動機構、渦輪測試機構和第二驅動機構；所述渦輪測試機構包括渦輪21、流體進口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，所述渦輪8通過渦輪安裝軸分別與第一驅動機構和第二驅動機構連接，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與第一驅動機構連接，所述渦輪21的另一端通過下渦輪安裝軸26與第二驅動機構連接。

所述渦輪測試裝置還設置有機架25，所述機架25上設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置有上端面座5，所述第二橫支撐板上設置有下端面座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上均設置有機床中心架16，用于調整流體通道的軸向位置，保證渦輪安裝軸與電機軸的軸向同心度，以便于渦輪測試裝置的組裝和調試，避免了軸向位置偏差導致測試數據不可靠的情況發(fā)生。

所述上套筒7內設置有整流板24，以利于在渦輪測試時獲得均勻穩(wěn)定的內部流場。作為數據采集系統(tǒng)的一部分，所述流體進口23處設置有進口壓力傳感器22，所述流體出口17處設置有出口壓力傳感器19和控制閥18，用于測量進口和出口的流體壓力差值，進而可利用流體力學計算出渦輪旋轉所消耗的流體能量，對渦輪的效率進行評價。進一步地，數據采集系統(tǒng)還包括位于所述渦輪21處設置的環(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對應的渦輪套筒8上，可用于測量渦輪旋轉對周圍流場的壓力影響。

所述第一驅動結構包括上部電機1和第一聯(lián)軸器2，所述上部電機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動，用以傳遞轉速和扭矩，所述上渦輪安裝軸6與上端面座5連接處設置有密封蓋。所述第一聯(lián)軸器2設置有上部轉扭傳感器3，用于測試渦輪轉動的扭矩和轉速。所述上部電機1通過第一支架27固定安裝在機架25上，所述第一聯(lián)軸器2通過第二支架28固定安裝在機架25上。

所述第二驅動結構包括下部電機12和第二聯(lián)軸器14，所述下部電機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動，用以傳遞轉速和扭矩，所述下渦輪安裝軸26與下端面座10連接處設置有密封蓋。所述第二聯(lián)軸器14設置有下部轉扭傳感器11，用于測試渦輪轉動的扭矩和轉速，所述下部電機12通過第四支架13固定安裝在機架25上，所述第二聯(lián)軸器14通過第三支架15固定安裝在機架25上。本實用新型的渦輪實驗臺的上部電機1和下部電機12、轉扭傳感器利用支架與實驗臺機架固定，實驗部分的重量由橫支撐板承擔，不會對電機的旋轉造成影響。

如圖2所示，渦輪實驗臺的上部電機1和下部電機12分別與上變頻器和下變頻器相連，用于控制電機轉速和方向，進而驅動渦輪安裝軸及渦輪按照既定要求運轉，可實現(xiàn)渦輪同向轉動、相對轉動、相對靜止等運動狀態(tài)。渦輪安裝軸可安裝單個渦輪、多級渦輪、對轉渦輪等形式，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1的輔助下，對渦輪的隨動性能進行評測。渦輪轉動的扭矩和轉速可通過上部、下部兩個轉扭傳感器獲得，兩個傳感器信號的相位差可用來反應渦輪的隨動性。流體進口可與氣泵、水泵、泥漿泵等連接，按照要求選取不同的實驗流體介質，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)。流體進口23、流體出口17均安裝有壓力傳感器，用以測量流體進口及出口處的流體壓力，加之流體進出口直徑、泵壓及泵量、渦輪扭矩、渦輪轉速等參數，即可通過計算對渦輪的轉換效率和實際表現(xiàn)進行評估。渦輪安裝位置處可按照實驗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對流場產生的影響。渦輪實驗臺的所有傳感器均通過由數據采集卡、數據記錄儀等組成的數據采集系統(tǒng)進行實時采集，并存儲于數據存儲分析系統(tǒng)，以便于后續(xù)理論分析及論證。

實施例一：

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1處于不工作狀態(tài)，以下部電機12作為負載電機，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)動機用增壓渦輪等渦輪零部件性能的測試。

實施例二：

多級渦輪在不同流場下的性能：保持上部電機1處于不工作狀態(tài)，一下部電機12作為負載電機，在下渦輪安裝軸26上安裝多級渦輪，通過不同實驗參數和規(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子及多級渦輪定轉子性能的測試。事實上，多級渦輪定轉子性能并非是單級渦輪定轉子性能的簡單疊加，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，使用該渦輪實驗臺可方便地對上述影響進行研究。

實施例三：

對轉渦輪：以上部電機1、下部電機12均作為負載電機使用，對轉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、試驗參數，配合適宜量程的傳感器，即可測試對轉渦輪的流體力學性能。

實施例四：

渦輪隨動性：以下部電機12作為負載電機，并在下渦輪安裝軸26上安裝待測試渦輪，以上部電機1作為控制電機，調整上變頻器以控制上部渦輪安裝軸6的轉速，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同步轉動，流體通過盤閥或噴嘴中流出，驅動渦輪旋轉。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而改變，渦輪隨著上部盤閥或噴嘴的位置改變而隨之運動，但存在一定的滯后，其隨動性能可通過上下轉扭傳感器輸出信號的相位差反應。

配合3D打印技術使用，渦輪性能的影響因素包括渦輪材質、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打印技術的發(fā)展，現(xiàn)在已經可以制備具有復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用的浪費。該渦輪實驗臺配合3D打印渦輪模型，可快捷方便地獲取渦輪的實驗數據，方便對渦輪幾何模型進行調整和優(yōu)化，并驗證計算機模擬仿真技術對渦輪性能的預測，以便對模擬仿真的參數進行調整。故而，該渦輪實驗臺可有效地輔助渦輪的設計研發(fā)，縮短研發(fā)周期，有效降低渦輪的開發(fā)成本。

此外，應當理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但并非每個實施方式僅包含一個獨立的技術方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領域技術人員應當將說明書作為一個整體，各實施例中的技術方案也可以經適當組合，形成本領域技術人員可以理解的其他實施方式。