一种液力透平泵测试系统及方法
技术领域
本公开属于测试技术领域，具体涉及一种液力透平泵测试系统及方法。
背景技术
长期以来，工业生产消耗大量能源，如石油、煤碳、天然气等，而在耗能大的行业中，石油化工、石油加工、煤化工、海水淡化、冶金、发电等行业中都存在着大量的高压流体，以前这部分高压流体再减压降压后直接排放，其蕴含的大量能量被白白浪费。目前，为了充分利用该部分高压流体，一般在系统排放末端配置液力透平泵，使用液力透平泵将高压流体的液体动能转化成机械能以回收利用。而能量转化效率是液力透平泵研制时，需要考虑的重要参数，在设计完成后需要利用测试系统进行测试。
发明人了解到，在现有的液力透平泵测试系统中，其中一种如说明书附图2所示，具有两个闭环的管路，第一个闭环管路中，利用增压泵将机械能转化成液体动能，液力透平泵将液体动能转化成机械能，并通过机械连接传递给负载泵，负载泵设置在第二个闭环管路中，负载泵将机械能转化成液体动能，测量负载泵转化的液体动能与增压泵处电动机输入的电能比值，计算透平泵的能效转化效率。
在另外一种测试系统中，如说明书附图3所示，在上述测试系统的基础上，在透平泵与负载泵之间增加转矩仪和电动机。
但是上述两种测试系统中，都是利用负载泵的功率来间接表征液力透平泵的功率，其能量转化效率的计算属于间接计算方式，且采用两套闭环管路系统，具有占地大，造价高，测量精度低且不稳定的缺陷。
发明内容
本公开的目的是提供一种液力透平泵测试系统及方法，能够减少液力透平泵测试系统的空间占用，减少造价，提高测量精度。
本公开的第一方面提供一种液力透平泵测试系统，包括增压泵、液力透平泵和测功机，所述增压泵与外界水源连通，所述增压泵能够将机械能转化成液体动能；所述液力透平泵能够将增压泵输出的液体动能转化成机械能并向测功机输出，所述测功机能够消耗液力透平泵输出的机械能，并测得液力透平泵的输出功率。
作为第一方面的进一步改进，所述增压泵的进口和出口处分别设置有压力传感器。所述液力透平泵的进口处设置有流量传感器，所述流量传感器能够测量进入液力透平泵的液体流量。
作为第一方面的进一步改进，还包括控制器，所述控制器能够读取压力传感器和流量传感器的数值，并控制电动机的转速，进而调节流入液力透平泵液体的流量和压力。
本公开的第二方面提供一种液力透平泵的测试方法，包括以下步骤，
组装液力透平泵测试系统，预备外界水源；
启动电动机，利用电动机驱动增压泵转动，增压泵向液力透平泵输送高压水；
高压水输入液力透平泵，液力透平泵将高压水中的液体动能转化成机械能，并输送给测功机；
测功机测得液力透平泵输出的机械能数值；
采集电动机消耗的电能，计算增压泵输出的功率与液力透平泵输出机械能的比值来表征液力透平泵的转化效率。
以上一个或多个技术方案的有益效果：
测量透平泵的进出口压力，计算出液力透平泵吸收的液体动能，利用测功机直接测量液力透平泵的输出功率；即液力透平泵的输入功率与输出功率都是直接测量的方式，相对于间接通过负载泵来计算输出功率的方式来说，减少了动力传递环节，节约了管路长度及结构数量，进而减少了因为能量传递损耗对测量精度的影响。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。
图1是本公开实施例中整体结构示意图；
图2是本公开背景技术中第一种液力透平泵测试系统的结构示意图；
图3是本公开背景技术中第二种液力透平泵测试系统的结构示意图。
其中，1、增压泵；2、透平泵；3、测功机；4、压力传感器；5、电动机；6、流量传感器。
1A、增压泵；2A、压力流量传感器组件；3A、透平泵；4A超速离合器；5A、负载泵；6A、压力流量传感器组件；7A、压力传感器；8A、电动机；9A、压力传感器；10A压力传感器。
1B、增压泵；2B、压力流量传感器组件；3B、透平泵；4B、超速离合器；5B、转矩仪；6B、电动机；7B、负载泵；8B、电动机；9B、压力传感器；10B、压力传感器；11B、压力传感器；12B、压力流量传感器组件。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术中所述，说明书附图2是第一种有透平泵测试系统，首先测试介质传送管路为两套闭环且互不联通，由电动机8A带动增压泵1A对介质液体增压，高压液体通过透平泵3A收集高压能量，液体减压至常态回流，透平泵收集的高压能量转化为机械能，通过超速离合器4A传递至负载泵5A(注：负载泵为单独闭环管道)，通过负载泵将机械能转化为液体动能，此为测试原理。该测试原理总结为：电能→机械能(增压)→液体动能→机械能(透平泵)→液体动能(负载泵)，最终测量负载泵转化的液体动能，与施加的初始电能之比，计算出透平泵的能效转化效率。
为了实现系统参数的测量，测试系统中具有图示的压力流量传感器组件2A；压力流量传感器组件6A；压力传感器7A；电动机8A；压力传感器9A；压力传感器10A。
该测试系统测试精度保证由：
1、电参数测试仪测试施加电能(初始能量)。
2、增压泵进出口压力及流量仪器，并需计算出进口水头压力(高度)。
3、透平泵进出口压力，并计算出口水头压力(高度)，以确定透平泵吸收的液体动能，以完成第一步测量。
4、透平泵通过超速离合器对负载泵施加机械能测量负载泵进出口压力并计算进出口水头高度之差和测量流量及转速，计算出负载泵的水功率，以此完成第二步测量，第三步再进行电能转换机械能换算，机械能转换液体动能即水功率换算。最终计算透平泵的能效转换效率，该系统超速离合器的能量损耗是无法确定的，管道长度按GB/T3216设计，进出口压力取压长度2D，流量直管段为12D，两组管道的阻力损耗可忽略，两大部分测量仪器的精度受到质疑。再加系统累积误差和超长联接路径(测试系统刚性联接精度最高)。
背景技术中提及的第二种液力透平泵测试系统如说明书附图3所示。该测试系统由增压泵1B；压力流量传感器组件2B；透平泵3B；超速离合器4B；转矩仪5B；电动机6B；负载泵7B；电动机8B；压力传感器9B；压力传感器10B；压力传感器11B；压力流量传感器组件12B组成。其系统精度和可换作性更加落后，在此不做赘述。至于JB/T13364-2018附录B中所列出的方案B2.2和B2.3根本无法进行有效测量。
实施例1
本公开的一种典型实施方式中，如图1所示，一种液力透平泵测试系统，包括增压泵1、液力透平泵2和测功机3，所述增压泵1与外界水源连通，所述增压泵1能够将机械能转化成液体动能；所述液力透平泵能够将增压泵输出的液体动能转化成机械能并向测功机输出，所述测功机能够消耗液力透平泵输出的机械能，并测得液力透平泵的输出功率。
进一步,所述增压泵的入口与外界水源连通，所述增压泵的出口与液力透平泵的入口连通，所述液力透平泵的出口与外界水源连通。
进一步,所述增压泵的进口和出口处分别设置有压力传感器。
进一步,所述液力透平泵的进口处设置有流量传感器，所述流量传感器能够测量进入液力透平泵的液体流量。
进一步,还包括控制器，所述控制器能够读取压力传感器和流量传感器的数值，并控制电动机的转速，进而调节流入液力透平泵液体的流量和压力。
进一步,所述测功机的输入轴与液力透平泵的输出轴同轴固定。
进一步,所述外界水源设置于水箱中，所述水箱的一个开口与增压泵的进水口连通，另一个开口与测功机的出水口连通。
电动机驱动增压泵，将电能转化为机械能，又将机械能转化为液体动能，由透平泵收集液体动能转化为机械能，系统仅需一条闭环管道，直接由电子测功机测得透平泵的输出能量。测试线路短，测量仪器精减至数量最少，系统测量精度远远高于现有测试系统。
实施例2
本实施例提供一种液力透平泵的测试方法，包括以下步骤，
组装液力透平泵测试系统，预备外界水源；
启动电动机，利用电动机驱动增压泵转动，增压泵向液力透平泵输送高压水；
高压水输入液力透平泵，液力透平泵将高压水中的液体动能转化成机械能，并输送给测功机；
测功机测得液力透平泵输出的机械能数值；
采集电动机消耗的电能，利用电动机消耗电能与液力透平泵输出机械能的比值来表征液力透平泵的转化效率。
具体的，液力透平泵输出的功率由测功机测得，液力透平泵的输入功率，其液体动能由增压泵供给，增压泵测得液体流量、压力，即水功率，传递液力透平泵，即为其输出的功率。
在测试前，对测功机和个增压泵进行预热，以保证系统传递效率的稳定性。计算液力透平泵的转化效率时，需要考虑液体流量、液体压力、增压泵转速等参数对转化效率的影响。
具体的，测试过程如下：
1、刚性联接各组成设备及仪器仪表，介质为常温清水。
2、联接电动机电参数测量仪、转速仪、流量计和进出口压力传感器，通电预热(增压泵部位)。
通过转速仪、流量计、压力变送器，配合电参数测量仪，测量出增压泵工作效率，即实际传递给液力透平泵的准确动能。
3、测量进出口水头差，以备数据最终修正。
进出口水头差进行数据的最终修正是去除进口的正压力，即保证准确测量增压泵的输出动能。
4、提前测试增压泵效率，以备数据与实测复合(此项可作为系统自校用)。
5、透平泵进出口存在大的压差，温度变化几近为零，管道损耗忽略不计。
6、电子测功机预热，调零，并选取测功档位。
7、开机系统预热40-60分钟，使增压泵至其额定值(确保效率稳定状态)。
8、测量开始同时采集电参数，流量、压力、转速及电子测功机输出功率等参数，进行计算。
9、测功机有“拖动”运行和“测功”运行，选取测功运行状态，并调整相应的测力传感器受力方向，
试验前，接测功机实际受力方向加载运行校验，校正臂长度L(m),砝码质量G(kg),济南市重力加速度9.7988m/s2，施加标准转矩接0，20％，40％，60％，80％，100％五个等级，依次递增，再逐次递减，往复循环两次，校验扭矩，系统误差应≤0.4％FS。
(1)测功机校准
(2)测功机安装，刚性联接，消除振动，减少测功过程的机械损耗
(3)测功机联机预热；
(4)测功机数据采集，计算程序与增压泵，各仪器参数数据采集同步；
(5)测功机测试程序并入系统测试程序接口，达到测量同步。
精度分析
1、传感器精度及累积。本系统使用压力传感器为原系统的2/5，流量为1/2，并且原系统为两组仪器，数据处理，误差放大，精度提高约为1.93倍。
2、电参数、转速仪相同，管道为原系统一半长度，系统温升(机械能与液体动能相互转化产生热能损耗)和管道损耗，电子测功机不确定度代入系统精度，与此相比，未对系统精度产生影响。
3、超速离合器造成的能量损耗无法测量，使原系统精度损失约0.15-0.2倍。
4、管道为刚性联接，安装误差(测试管路长度为1/2)累积产生机械损耗，产生精度提高0.05-0.1倍。
5、数据采集同步性和计算误差形成的精度损失之比约为0.03-0.07倍。
以上合计精度至少提高2.15倍，加之原系统繁琐，造成随机误差，本系统精度比原系统提高至少2.5倍。
国内外现有测试系统为间接测试法，即二步法。本项目为直测法，即一步法，测试方法及系统精确、简单、直接、高效。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。
