專利名稱：一種熔鹽模型泵外特性和內(nèi)部流動(dòng)測(cè)量試驗(yàn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種泵試驗(yàn)裝置，具體為一種熔鹽模型泵的外特性和內(nèi)部流動(dòng)測(cè)量試驗(yàn)裝置，該裝置主要用于測(cè)量熔鹽模型泵的外特性和內(nèi)部速度場(chǎng)，以及對(duì)泵內(nèi)高速流動(dòng)進(jìn)行拍攝研究。
背景技術(shù)：
熔鹽泵是離心泵的一種，應(yīng)用于輸送高溫熔鹽(硝酸鹽)，適用于三聚氰胺項(xiàng)目、氧化鋁項(xiàng)目、片堿項(xiàng)目等精細(xì)化工行業(yè)，以及太陽(yáng)能光熱發(fā)電項(xiàng)目中的儲(chǔ)能介質(zhì)輸送。熔鹽泵的外特性(主要包括:揚(yáng)程、流量、軸功率和效率等)是泵選型的主要依據(jù)，直接影響生產(chǎn)過(guò)程中的工況參數(shù)；熔鹽泵的內(nèi)部流動(dòng)(主要包括:吸水室、葉輪流道和壓水室內(nèi)的流動(dòng))直接影響熔鹽泵的外特性，通過(guò)改善泵的內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)可以有效提高泵的外特性。離心泵外特性測(cè)量技術(shù)是一門較為成熟的技術(shù)。流量可采用標(biāo)準(zhǔn)孔板、標(biāo)準(zhǔn)噴嘴、標(biāo)準(zhǔn)文丘里噴嘴、水堰、容器、渦輪流量計(jì)等進(jìn)行測(cè)量。采用測(cè)壓儀表測(cè)量泵進(jìn)出口壓力，根據(jù)泵進(jìn)出口壓力、進(jìn)出口高度差和進(jìn)出口的流速，計(jì)算得到泵的揚(yáng)程。測(cè)壓儀表可選擇液柱壓力計(jì)、彈簧壓力計(jì)、重力壓力計(jì)或滿足精度要求的其它型式壓力計(jì)。轉(zhuǎn)速的測(cè)量可用直接顯示的數(shù)字儀表測(cè)出測(cè)量時(shí)間內(nèi)的轉(zhuǎn)數(shù)，對(duì)于交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的泵，可由平均頻率觀測(cè)值和轉(zhuǎn)差率確定。扭矩可采用天平式測(cè)功計(jì)和扭矩式測(cè)功計(jì)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量扭矩的同時(shí)測(cè)定轉(zhuǎn)速，采用扭轉(zhuǎn)力矩法可計(jì)算出軸功率。根據(jù)泵效率的定義，由上述測(cè)量值可計(jì)算出泵的效率。提高各參量的測(cè)量精度是外特性測(cè)量成功的關(guān)鍵，增強(qiáng)測(cè)量數(shù)據(jù)的后處理能力，自動(dòng)生成H-Q、N-Q、h-Q性能曲線圖可大大減少對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理工作量。離心泵內(nèi)部流動(dòng)測(cè)量技術(shù)主要有非光學(xué)測(cè)量技術(shù)和流動(dòng)顯示技術(shù)。非光學(xué)測(cè)量技術(shù)主要包括探針和熱線熱膜技術(shù)，如多孔探針、旋轉(zhuǎn)探針、熱線熱膜風(fēng)速儀和渦量探針等，其缺點(diǎn)是探針和熱線/熱膜的介入均會(huì)擾動(dòng)真實(shí)流場(chǎng)，且需配置復(fù)雜的遙測(cè)技術(shù)，將采集信號(hào)從轉(zhuǎn)子傳遞到靜止參考系。流動(dòng)顯示技術(shù)可分為傳統(tǒng)的流動(dòng)顯示技術(shù)和現(xiàn)代的流動(dòng)顯示技術(shù)。傳統(tǒng)的流動(dòng)顯示技術(shù)又可分為壁面顯跡法、絲線法、示蹤法和光學(xué)法4類，具體有氫氣泡法、彩色氦氣泡法、油流法、絲線法、陰影法、紋影法、干涉法等?，F(xiàn)代非接觸流動(dòng)顯示技術(shù)包括激光多普勒測(cè)速(LDV)技術(shù)、相位多普勒(PDPA)技術(shù)、粒子圖像測(cè)速(PIV)技術(shù)、激光誘發(fā)熒光(LIF)技術(shù)、激光分子測(cè)速(LMV)技術(shù)和壓敏涂層測(cè)壓(PSP)技術(shù)等。PIV技術(shù)與其它技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn):(1)它為非接觸激光測(cè)量技術(shù)，不會(huì)對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生干擾；
(2)不僅可以得到速度的平 均值，而且可以得到速度的瞬態(tài)信息；(3)可以實(shí)現(xiàn)同一時(shí)刻的全流場(chǎng)測(cè)量；(4)測(cè)量精度高。近年來(lái)還發(fā)展了一種內(nèi)窺高速成像技術(shù)，將內(nèi)窺鏡伸入泵內(nèi)，可以對(duì)泵內(nèi)部的高速流動(dòng)進(jìn)行連續(xù)拍攝(最高分辨率達(dá)150000幀/秒)，獲得泵內(nèi)流動(dòng)的瞬時(shí)信息。
近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外科研人員開發(fā)了一些泵性能試驗(yàn)裝置，對(duì)泵的外特性和內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行了大量研究，但是，現(xiàn)有的試驗(yàn)裝置存在以下不足之處:(1)功能單一，如:僅可對(duì)外特性進(jìn)行測(cè)量，或僅可采用一種測(cè)量流動(dòng)測(cè)量技術(shù)進(jìn)行內(nèi)部流動(dòng)測(cè)量；(2)試驗(yàn)用模型泵的設(shè)計(jì)不夠合理，內(nèi)部流動(dòng)的可測(cè)量范圍小，無(wú)法對(duì)泵內(nèi)全流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量；(3)操作復(fù)雜、自動(dòng)化程度低。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有熔鹽模型泵試驗(yàn)裝置的不足，本發(fā)明提供一種熔鹽模型泵外特性和內(nèi)部流動(dòng)測(cè)量試驗(yàn)裝置，該裝置不僅能高精度地測(cè)量熔鹽模型泵的外特性，而且能方便地測(cè)量泵內(nèi)部速度場(chǎng),并對(duì)泵內(nèi)高速流動(dòng)進(jìn)行拍攝。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是:
一種熔鹽模型泵外特性和內(nèi)部流動(dòng)測(cè)量試驗(yàn)裝置，該裝置包括管路系統(tǒng)、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、模型泵和外特性數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)；
外特性數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)單元、泵進(jìn)出口壓力傳感器、渦輪流量計(jì)、扭矩轉(zhuǎn)速傳感器幾部分，各部分的信號(hào)輸出端分別與計(jì)算機(jī)單元相連；
動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)包括電機(jī)、聯(lián)軸器、傳動(dòng)軸、軸承座、軸承座支座各部分；
所述管路系統(tǒng)包括儲(chǔ)罐、球閥、泵進(jìn)口管路、泵出口管路和調(diào)節(jié)閥各部分；
該裝置還設(shè)有內(nèi)部流動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括泵內(nèi)部速度場(chǎng)Piv測(cè)量系統(tǒng)；
所述泵內(nèi)部速度場(chǎng)Piv測(cè)量系統(tǒng)主要由同步控制器、激光器、CCD相機(jī)和霍爾傳感器組成；所述激光器和CCD相機(jī)的控制端分別與同步控制器相連，同步控制器和CCD相機(jī)的輸出端與所述計(jì)算機(jī)單元相連，霍爾傳感器的信號(hào)采集端安裝在傳動(dòng)軸上，其輸出端與同步控制器相連。本發(fā)明的進(jìn)一步設(shè)計(jì)在于:
所述內(nèi)部流動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)還包括泵內(nèi)部流動(dòng)內(nèi)窺高速成像系統(tǒng),泵內(nèi)部流動(dòng)內(nèi)窺高速成像系統(tǒng)主要由高速相機(jī)、內(nèi)窺鏡和LED冷光源組成；與之對(duì)應(yīng)所述模型泵的吸水室和泵前蓋板上均設(shè)有內(nèi)窺測(cè)量孔；所述內(nèi)窺鏡從模型泵上開設(shè)的內(nèi)窺測(cè)量孔伸入泵內(nèi)，高速相機(jī)與內(nèi)窺鏡相連，高速相機(jī)的輸出端口與所述計(jì)算機(jī)單元相連。管路系統(tǒng):
一、模型泵進(jìn)、出口與所述泵進(jìn)、出口管路與之間分別采用軟管進(jìn)行連接，以補(bǔ)償安裝誤差及防止運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)造成模型泵的損壞；
二、模型泵進(jìn)口前等徑直管段(包括軟管段)長(zhǎng)度>12倍管徑(指該段等徑直管段的管徑)。渦輪流量計(jì)的上游側(cè)留有> 15倍管徑(指該段等徑直管段的管徑)長(zhǎng)度的等徑直管段，下游側(cè)留有> 5倍管徑(指該段等徑直管段的管徑)長(zhǎng)度的等徑直管段，保證測(cè)量的精度。三、儲(chǔ)罐底部坡度為1:100 3:100，優(yōu)選的坡度為2:100,以便更換試驗(yàn)介質(zhì)時(shí)能夠全部從排液閥排凈；
四、管路系統(tǒng)中所有過(guò)流部件均采用不銹鋼制品，以防止生銹污染試驗(yàn)介質(zhì)，影響內(nèi)部流動(dòng)測(cè)量效果；
五、儲(chǔ)罐內(nèi)液面高于模型泵的安裝位置，泵啟動(dòng)時(shí)無(wú)需灌泵； 六、所設(shè)計(jì)的管路走向?yàn)閮?nèi)部流動(dòng)測(cè)量留有足夠空間，以利于試驗(yàn)的開展；
七、儲(chǔ)罐內(nèi)的介質(zhì)可根據(jù)試驗(yàn)需要更換，以便采用冷態(tài)介質(zhì)模擬熔鹽泵內(nèi)熱態(tài)介質(zhì)的真實(shí)流動(dòng)，以及研究輸送不同粘度介質(zhì)和兩相流介質(zhì)時(shí)熔鹽泵的性能。八、儲(chǔ)罐上安裝有儲(chǔ)罐蓋，以防止雜物進(jìn)入儲(chǔ)罐而污染介質(zhì)。動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng):
一、扭矩轉(zhuǎn)速傳感器安裝在電機(jī)與傳動(dòng)軸之間，測(cè)量電機(jī)傳遞給泵傳動(dòng)軸的扭矩和轉(zhuǎn)
速；
二、傳動(dòng)軸上安裝有霍爾傳感器，用于內(nèi)部速度場(chǎng)PIV測(cè)量時(shí)給出圖像采集觸發(fā)信號(hào)；
三、電機(jī)為離心泵提供動(dòng)力，通過(guò)變頻器實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，以開展不同轉(zhuǎn)速下泵性能的研究。模型泵:模型泵由吸水室、內(nèi)窺測(cè)量孔、泵前蓋板、加強(qiáng)螺栓、蝸殼、法蘭、硅膠墊、泵支座、葉輪、加強(qiáng)筋、排液孔、排氣管、光學(xué)補(bǔ)償盒、輸液管等組成。一、為了能夠采用PIV技術(shù)測(cè)量泵內(nèi)部流動(dòng)，蝸殼、吸水室、泵前蓋板、法蘭和光學(xué)補(bǔ)償盒采用透光性好的有機(jī)玻璃制成，它們之間采用高強(qiáng)度膠進(jìn)行粘接，為了保證有機(jī)玻璃模型泵的強(qiáng)度，在泵前蓋板和法蘭之間采用加強(qiáng)螺栓進(jìn)行加強(qiáng)；
二、葉輪和泵支座采用不銹鋼制成，在采用PIV技術(shù)進(jìn)行泵內(nèi)部速度場(chǎng)測(cè)量時(shí)，用黑色亞光漆將葉輪和泵支座涂黑，以降低光反射造成的光污染，影響測(cè)量結(jié)果；
三、為了達(dá)到良好的密封效果，又不形成過(guò)大的密封比壓，法蘭與泵支座之間采用硅膠墊進(jìn)行密封；
四、在泵支座下方設(shè)有排液孔，在泵停止運(yùn)行時(shí)，通過(guò)此孔將試驗(yàn)介質(zhì)排盡；
五、為了減小光折射造成的測(cè)量誤差，蝸殼采用矩形截面蝸殼；
六、為了能夠測(cè)量到泵內(nèi)部盡可能廣的區(qū)域，模型泵的結(jié)構(gòu)與實(shí)型泵的結(jié)構(gòu)有所不同(如:葉片采用進(jìn)出口等寬的二維葉片，葉輪采用半開式結(jié)構(gòu))，但保證水力性能基本一致；
七、在考慮試驗(yàn)介質(zhì)性能的基礎(chǔ)上，根據(jù)流體力學(xué)中的流動(dòng)相似原理，保證流動(dòng)的雷諾數(shù)相等，設(shè)計(jì)模型泵的具體結(jié)構(gòu)尺寸，以便從熔鹽泵模型的冷態(tài)流動(dòng)的試驗(yàn)結(jié)果換算得到熔鹽泵內(nèi)真實(shí)流動(dòng)的情況；
八、測(cè)量葉輪流道和壓水室內(nèi)部速度場(chǎng)時(shí)，不安裝光學(xué)補(bǔ)償盒；測(cè)量吸水室內(nèi)部速度場(chǎng)時(shí)，安裝上光學(xué)補(bǔ)償盒，從輸液管充液排氣管排氣，保證光學(xué)補(bǔ)償盒內(nèi)部充滿與試驗(yàn)介質(zhì)相同的液體，以抵消光折射造成的測(cè)量誤差；拍攝葉輪進(jìn)口附近流動(dòng)時(shí)，內(nèi)窺鏡從內(nèi)窺測(cè)量孔伸入泵內(nèi)進(jìn)行拍攝。模型泵的其它結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可根據(jù)工程需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，通用性強(qiáng)。外特性數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng):該系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)單元為核心，傳感器將各種被測(cè)參數(shù)(如:泵進(jìn)出口壓力、泵的流量、扭矩和轉(zhuǎn)速等)轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號(hào)，通過(guò)放大器進(jìn)行放大或衰減，并經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，通過(guò)輸入接口與計(jì)算機(jī)單元相連。試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)計(jì)算機(jī)單元，經(jīng)軟件設(shè)計(jì)可對(duì)被測(cè)參數(shù)進(jìn)行巡回檢測(cè)、采集、儲(chǔ)存，并根據(jù)相關(guān)公式計(jì)算得到流量、揚(yáng)程、效率、軸功率等泵外特性。試驗(yàn)結(jié)果可以以數(shù)據(jù)、表格、曲線或擬合公式的形式通過(guò)外圍設(shè)備(打印機(jī)、繪圖儀)給出。內(nèi)部流動(dòng)測(cè)量系統(tǒng):該系統(tǒng)主要包括兩個(gè)子系統(tǒng)，即泵內(nèi)部速度場(chǎng)PIV測(cè)量系統(tǒng)和泵內(nèi)部流動(dòng)內(nèi)窺高速成像系統(tǒng)。在泵內(nèi)部速度場(chǎng)PIV測(cè)量時(shí)，在流場(chǎng)中撒布合適的示蹤粒子，用脈沖激光片光源照射所測(cè)流場(chǎng)區(qū)域，通過(guò)同步控制器保證激光器和CCD相機(jī)同步工作，將計(jì)算機(jī)單元采集的兩次曝光的PIV圖像用互相關(guān)的方法進(jìn)行處理，獲得每一查詢區(qū)中粒子圖像的平均位移，由此確定流場(chǎng)的速度。在進(jìn)行定常速度場(chǎng)測(cè)量時(shí)，采樣頻率由計(jì)算機(jī)單元內(nèi)同步控制；在進(jìn)行非定常速度場(chǎng)測(cè)量時(shí)，采樣頻率由霍爾傳感器產(chǎn)生的外觸發(fā)信號(hào)同步控制。在泵內(nèi)部流動(dòng)內(nèi)窺高速成像時(shí)，在流場(chǎng)中撒布合適的示蹤粒子，用LED冷光源照亮所測(cè)流場(chǎng)區(qū)域，內(nèi)窺鏡從內(nèi)窺測(cè)量孔伸入泵內(nèi)，通過(guò)高速相機(jī)對(duì)泵內(nèi)流動(dòng)進(jìn)行拍攝，數(shù)據(jù)傳入計(jì)算機(jī)單元進(jìn)行處理分析。本發(fā)明涉及的內(nèi)部流動(dòng)測(cè)量裝置正是為了滿足PIV技術(shù)和內(nèi)窺高速成像技術(shù)的使用要求而設(shè)計(jì)的。本發(fā)明的有益效果是:
(I)裝置功能全。本裝置能夠同時(shí)滿足不同介質(zhì)和不同工況(流量、揚(yáng)程、轉(zhuǎn)速)下熔鹽模型泵外特性和內(nèi)部流動(dòng)測(cè)量的需要，能夠同時(shí)滿足模型泵內(nèi)部流動(dòng)定常測(cè)量和非定常測(cè)量的需要，能夠同時(shí)滿足工程測(cè)試和理論研究的需要。(2)測(cè)量區(qū)域廣。吸水室和壓水室的全部區(qū)域、葉輪流道的大部分區(qū)域的速度場(chǎng)可采用PIV技術(shù)進(jìn)行測(cè)量，葉輪流道的進(jìn)口區(qū)域可采用內(nèi)窺高速攝像技術(shù)進(jìn)行拍攝，采用這兩種技術(shù)能夠?qū)δＰ捅萌鞯肋M(jìn)行測(cè)量，可測(cè)量的區(qū)域較廣。(3)操作簡(jiǎn)便。泵的安裝位置低于儲(chǔ)罐液位，泵啟動(dòng)時(shí)無(wú)需灌泵。采用了可拆卸的光學(xué)補(bǔ)償盒，在變換測(cè)量區(qū)域時(shí)，光學(xué)補(bǔ)償盒裝拆方便。合理的管路布置保證了 PIV測(cè)量和內(nèi)窺高速測(cè)量具有寬松的操作空間。(4)與工程接近。為滿足速度場(chǎng)測(cè)量和冷態(tài)流動(dòng)模擬真實(shí)流動(dòng)的要求，模型泵在結(jié)構(gòu)上作了必要的簡(jiǎn)化，但是這種由結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化所導(dǎo)致的熔鹽泵水力性能的變化較小，模型泵的性能仍與工程實(shí)際中應(yīng)用的泵的性能接近，不會(huì)影響對(duì)熔鹽泵外特性和內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律的研究。(5)自動(dòng)化程度高。所有數(shù)據(jù)均由計(jì)算機(jī)單元進(jìn)行采集。對(duì)離心泵外特性數(shù)據(jù)采集后，經(jīng)軟件處理可以自動(dòng)生成H-Q、N-Q、h-Q性能曲線圖，大大減少對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理工作量；對(duì)離心泵內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行拍攝后，經(jīng)計(jì)算機(jī)單元數(shù)字圖像處理，直接輸出速度矢量圖、速度云圖和流線圖等。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。圖1為本發(fā)明的總裝結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明的管道布置空視圖。圖3-1為本發(fā)明的不帶光學(xué)補(bǔ)償盒的模型泵結(jié)構(gòu)示意圖。圖3-2為圖3-1的側(cè)視圖。圖4-1為本發(fā)明的帶光學(xué)補(bǔ)償盒的模型泵結(jié)構(gòu)示意圖。圖4-2為圖4-1的側(cè)視圖。圖5為葉輪流道和壓水室內(nèi)部速度場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)布置示意圖。圖6為吸水室內(nèi)部速度場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)布置示意圖。
圖7為葉輪流道內(nèi)可拍攝范圍示意圖。圖8為栗內(nèi)部流動(dòng)內(nèi)窺聞速成像系統(tǒng)布置不意圖。圖中:1.泵進(jìn)口壓力傳感器，2.泵進(jìn)口，3.泵出口，4.泵出口軟管，5.泵出口壓力傳感器，6.調(diào)節(jié)閥，7.傳動(dòng)軸，8.軸承座，9.扭矩轉(zhuǎn)速傳感器，10.聯(lián)軸器，11.渦輪流量計(jì)，12.管路出口，13.儲(chǔ)罐蓋，14.排液閥，15.儲(chǔ)罐，16.管路進(jìn)口，17.球閥，18.電機(jī)，19.電機(jī)支座，20.底座，21.扭矩轉(zhuǎn)速傳感器支座，22.軸承座支座，23.霍爾傳感器，24.霍爾傳感器支座，25.固定螺栓，26.填料密封，27.模型泵，28.泵進(jìn)口軟管，29.管道支架，30.泵出口管路，31.泵進(jìn)口管路，32.吸水室，33.內(nèi)窺測(cè)量孔，34.內(nèi)窺測(cè)量孔，35.泵前蓋板，36.加強(qiáng)螺栓，37.蝸殼，38.法蘭，39.硅膠墊，40.泵支座，41.葉輪，42.加強(qiáng)筋，43.排液孔，44.排氣管，45.光學(xué)補(bǔ)償盒，46.輸液管，47.同步控制器，48.計(jì)算機(jī)單元，49.C⑶相機(jī)，50.激光器，51.高速相機(jī)，52.內(nèi)窺鏡，53.LED冷光源。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述:
實(shí)施例一:
熔鹽模型泵外特性和內(nèi)部流動(dòng)測(cè)量試驗(yàn)裝置包括5個(gè)主要部分:管路系統(tǒng)、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、模型泵、外特性數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)、內(nèi)部流動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。該試驗(yàn)裝置具有模型泵的外特性測(cè)量、模型泵內(nèi)部速度場(chǎng)PIV測(cè)量和模型泵內(nèi)部流動(dòng)內(nèi)窺高速成像測(cè)量3種功能，可實(shí)現(xiàn)對(duì)泵外特性和內(nèi)部全流場(chǎng)的試驗(yàn)研究。在圖1中，本發(fā)明的管路系統(tǒng)由儲(chǔ)罐(15)、球閥(17)、泵進(jìn)口軟管(28)、泵出口軟管(4)、調(diào)節(jié)閥(6)以及相應(yīng)的連接管道組成。除軟管外的所有過(guò)流部件均采用不銹鋼制品，以防止生銹污染水質(zhì)，影響內(nèi)部流動(dòng)測(cè)量效果。儲(chǔ)罐(15)底部的坡度為2:100，排液閥(14)安裝在水槽底部最低處，以便試驗(yàn)介質(zhì)時(shí)能夠全部排凈，儲(chǔ)罐(15)上安裝有儲(chǔ)罐蓋
(13)，以防止雜物進(jìn)入儲(chǔ)罐而污染介質(zhì)，儲(chǔ)罐內(nèi)液面高于模型泵的安裝位置，泵啟動(dòng)時(shí)無(wú)需灌泵。在圖1中，本發(fā)明的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)由電機(jī)(18)、聯(lián)軸器(10)、傳動(dòng)軸(7)、軸承座
(8)、軸承座支座(22)、扭矩轉(zhuǎn)速傳感器支座(21)、電機(jī)支座(19)等組成，整個(gè)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)固定螺栓(25)安裝在底座(20)上。電機(jī)(18)通過(guò)聯(lián)軸器(10)將動(dòng)力傳給扭矩轉(zhuǎn)速傳感器(9)，再通過(guò)聯(lián)軸器傳給傳動(dòng)軸(7)，最終將動(dòng)力傳給模型泵(27)。電機(jī)(18)的轉(zhuǎn)速由變頻器進(jìn)行調(diào)節(jié)，采用扭矩轉(zhuǎn)速傳感器(9)測(cè)量，變頻器能在5Hz IOOHz的范圍內(nèi)平滑無(wú)級(jí)調(diào)速，滿足試驗(yàn)研究的要求。模型泵(27)與傳動(dòng)軸(7)之間采用填料密封(26)進(jìn)行密封?；魻杺鞲衅?23)安裝在霍爾傳感器支座(24)上，用于感應(yīng)傳動(dòng)軸(7)的轉(zhuǎn)動(dòng)。其中外特性數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)單元、泵進(jìn)出口壓力傳感器(1，5)、渦輪流量計(jì)(11)、扭矩轉(zhuǎn)速傳感器(9)幾部分，各部分的信號(hào)輸出端分別與計(jì)算機(jī)單元相連。在圖1中，泵的流量由渦輪流量計(jì)(11)進(jìn)行測(cè)量，泵進(jìn)出口壓力由壓力傳感器(1、5)進(jìn)行測(cè)量，扭矩和轉(zhuǎn)速由扭矩轉(zhuǎn)速傳感器(9)進(jìn)行測(cè)量，將全部測(cè)量得到的信號(hào)傳輸至計(jì)算機(jī)單元
(48)。根據(jù)所測(cè)得的流量、泵進(jìn)出口壓力、泵進(jìn)出口直徑、泵進(jìn)出口高度差，計(jì)算得到泵的揚(yáng)程。根據(jù)所測(cè)得的扭矩和轉(zhuǎn)速，計(jì)算得到軸功率。根據(jù)泵效率的定義，由所測(cè)得的上述數(shù)據(jù)計(jì)算得到泵的效率。在圖2中，所設(shè)計(jì)的管路走向?yàn)閮?nèi)部流動(dòng)測(cè)量留有足夠空間，以利于試驗(yàn)的開展。試驗(yàn)介質(zhì)從管路進(jìn)口( 16 )流入，途經(jīng)球閥(17 )、泵進(jìn)口管路(31 )、泵進(jìn)口軟管(28 )、模型泵(27)、泵出口軟管(4)、泵出口管路(30)、調(diào)節(jié)閥(6)、渦輪流量計(jì)(11)，從管路出口(12)流出。泵進(jìn)口(2)前等徑直管段長(zhǎng)度不小于12倍管徑，渦輪流量計(jì)(11)的上游側(cè)留有不小于15倍管徑長(zhǎng)度的直管段，下游側(cè)留有不小于5倍管徑長(zhǎng)度的直管段，保證測(cè)量的精度。泵進(jìn)出口(2、3)與進(jìn)出口管路(31、30)采用軟管進(jìn)行連接，以補(bǔ)償安裝誤差及防止運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)造成模型泵的損壞。在出口管路(30)中采用調(diào)節(jié)閥(6)進(jìn)行流量調(diào)節(jié)，以便能夠較精確地控制泵的流量，入口管路(31)采用啟閉方便的球閥(17 )。在圖3-1和圖3-2中，為了能夠采用PIV技術(shù)測(cè)量泵內(nèi)部流動(dòng)，模型泵的蝸殼
(37)、吸水室(32)、泵前蓋板(35)和法蘭(38)采用透光性好的有機(jī)玻璃加工而成，它們之間采用高強(qiáng)度膠進(jìn)行粘接。為了保證有機(jī)玻璃模型泵的強(qiáng)度，在泵前蓋板(35 )和法蘭(38 )之間采用加強(qiáng)螺栓(36)進(jìn)行加強(qiáng)。葉輪(41)和泵支座(40)采用不銹鋼制成，為了保證泵支座(40)的剛度，采用加強(qiáng)筋(42)進(jìn)行加強(qiáng)。在采用PIV技術(shù)進(jìn)行泵內(nèi)部速度場(chǎng)測(cè)量時(shí)，用黑色亞光漆將葉輪和泵支座涂黑，以避免因光反射造成的光污染而影響測(cè)量結(jié)果。法蘭
(38)與泵支座(40)之間采用硅膠墊(39)進(jìn)行密封，在擰緊法蘭(38)與泵支座(40)之間的連接螺栓時(shí)，這種軟墊片可以避免有機(jī)玻璃法蘭破裂。在泵支座(40)下方設(shè)有排液孔
(43),在泵停止運(yùn)行時(shí)，通過(guò)此孔將試驗(yàn)介質(zhì)排盡。在吸水室和泵前蓋板上開設(shè)內(nèi)窺測(cè)量孔(33、34 )，內(nèi)窺鏡可從此孔伸入泵內(nèi)拍攝葉輪進(jìn)口附近流動(dòng)。在圖4-1和圖4-2中，由于吸水室(32)是圓柱形的，在采用PIV技術(shù)測(cè)量吸水室內(nèi)部速度場(chǎng)時(shí)，需在其外部安裝方形光學(xué)補(bǔ)償盒(45)，從輸液管(46)充液排氣管(44)排氣，將光學(xué)補(bǔ)償盒內(nèi)部充滿與試驗(yàn)介質(zhì)相同的液體，以抵消光折射造成的測(cè)量誤差；測(cè)量結(jié)束后再將光學(xué)補(bǔ)償盒(45)內(nèi)的液體從輸液管(46)排盡。輸液管(46)和排氣管(44)與光學(xué)補(bǔ)償盒(45 )之間采用高強(qiáng)度膠進(jìn)行粘接。光學(xué)補(bǔ)償盒(45 )與吸水室(32 )和泵前蓋板(35 )之間采用玻璃膠進(jìn)行粘接，以便拆卸。本發(fā)明還設(shè)有內(nèi)部流動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括泵內(nèi)部速度場(chǎng)PIV測(cè)量系統(tǒng)和泵內(nèi)部流動(dòng)內(nèi)窺高速成像系統(tǒng)。如圖5、圖6所示，泵內(nèi)部速度場(chǎng)PIV測(cè)量系統(tǒng)主要由同步控制器、激光器、(XD相機(jī)和霍爾傳感器組成。如圖8所示，泵內(nèi)部流動(dòng)內(nèi)窺高速成像系統(tǒng)主要由高速相機(jī)、內(nèi)窺鏡和LED冷光源組成。實(shí)施例二:
外特性測(cè)量的主要步驟為:
I)清除儲(chǔ)罐(15)中的雜物,將試驗(yàn)介質(zhì)裝入儲(chǔ)罐至合適液位。2)檢驗(yàn)各儀器設(shè)備是否正常。3 )將扭矩轉(zhuǎn)速傳感器(9 )與傳動(dòng)軸(7 )脫離，通過(guò)變頻器將電機(jī)(18 )調(diào)至試驗(yàn)轉(zhuǎn)速，然后對(duì)扭矩轉(zhuǎn)速傳感器(9)進(jìn)行調(diào)零。4)將電機(jī)(18)和傳動(dòng)軸(7)聯(lián)接，去掉泵內(nèi)葉輪(41)，調(diào)節(jié)變頻器將電機(jī)調(diào)至試驗(yàn)轉(zhuǎn)速，記錄模型泵的空載扭矩。
5)打開球閥(17)，進(jìn)行灌泵。6)接通各儀表電源，儀表開關(guān)處于“關(guān)”的位置，按下電機(jī)啟動(dòng)按鈕，啟動(dòng)模型泵(27 )。調(diào)節(jié)變頻器，使轉(zhuǎn)速由小到大逐漸增加至試驗(yàn)轉(zhuǎn)速。7 )逐漸打開調(diào)節(jié)閥(6 )至全開位置，這時(shí)流量達(dá)到最大值。8)待模型泵(27)運(yùn)行穩(wěn)定后，打開各儀表開關(guān)，對(duì)扭矩、轉(zhuǎn)速、流量、泵進(jìn)出口壓力進(jìn)行米集。9)慢慢關(guān)小調(diào)節(jié)閥(6)，使系統(tǒng)流量減小，同時(shí)使轉(zhuǎn)速恒定，待穩(wěn)定后再次對(duì)扭矩、轉(zhuǎn)速、流量、泵進(jìn)口和出口壓力進(jìn)行采集。10)重復(fù)步驟9)，測(cè)13個(gè)工況的數(shù)據(jù)。11)完成測(cè)量后，關(guān)閉泵出口流量調(diào)節(jié)閥(6)，按下電機(jī)停止按鈕，關(guān)閉各儀表的電源開關(guān)。對(duì)所測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，生成性能曲線圖。12)打開排液閥(14)，將管路和儲(chǔ)罐中的試驗(yàn)介質(zhì)排盡。13)打開排液孔(43)，將模型泵(27)內(nèi)的剩余試驗(yàn)介質(zhì)排盡。14)清理試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)。實(shí)施例三:
泵內(nèi)部速度場(chǎng)PIV測(cè)量的主要步驟為:
I)布置PIV測(cè)量系統(tǒng)。測(cè)量葉輪流道和壓水室內(nèi)部速度場(chǎng)時(shí)，PIV系統(tǒng)的布置如圖5所示?；魻杺鞲衅?br> (23)發(fā)出的觸發(fā)信號(hào)經(jīng)同步控制器(47)同時(shí)控制C⑶相機(jī)(49)和激光器(50)，C⑶相機(jī)
(49)將拍攝的圖片傳輸?shù)接?jì)算機(jī)單元(48)。激光器(50)發(fā)出的片光厚度控制在Imm以內(nèi)，從蝸殼(37)側(cè)面照射模型泵內(nèi)部，CCD相機(jī)(49)正對(duì)激光片光照亮的區(qū)域，與激光片光保持合適的距離(約500 mm)，調(diào)節(jié)焦距，直至成像清晰。由于葉片為二元葉片，葉輪內(nèi)的主流面平行于泵前蓋板(35)，故可以將泵前蓋板作為基準(zhǔn)來(lái)調(diào)節(jié)激光片光的平行度。根據(jù)不同的測(cè)量區(qū)域，調(diào)節(jié)激光片光與前蓋板的距離以及激光片光照射的角度。測(cè)量吸水室(32)內(nèi)部速度場(chǎng)時(shí)，PIV系統(tǒng)的布置如圖6所示。線路的連接與測(cè)量葉輪流道和壓水室內(nèi)部速度場(chǎng)時(shí)相同。激光器(50)發(fā)出的垂直于方形補(bǔ)償盒上表面，以方形補(bǔ)償盒的外表面作為基準(zhǔn)調(diào)節(jié)激光片光的平行度，CCD相機(jī)(49)正對(duì)激光片光照亮的區(qū)域，與激光片光保持合適的距離(約500 mm)，調(diào)節(jié)焦距，直到成像清晰。2)選擇具有良好光散性和跟隨性的粒子作為示蹤粒子，撒入儲(chǔ)罐(15)中，保證試驗(yàn)介質(zhì)具有合適的粒子濃度。3)按照外特性測(cè)量時(shí)的相關(guān)步驟啟動(dòng)模型泵(27)，使其在所需工況下運(yùn)行。4)確定CXD相機(jī)(49)的雙曝光時(shí)間間隔和重復(fù)工作時(shí)間間隔。5)啟動(dòng)整個(gè)PIV系統(tǒng)，各工況下采集圖像100幅。6)對(duì)采集的圖像進(jìn)行互相關(guān)處理，得到各流動(dòng)區(qū)域的速度分布圖。7)清理試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)。在圖1中，激光片光的光源L從葉輪進(jìn)口照射葉輪流道，由于不銹鋼葉片的遮擋，葉輪流道內(nèi)僅AB⑶所包圍的區(qū)域片光能夠到達(dá)，可采用PIV技術(shù)進(jìn)行速度場(chǎng)測(cè)量，而葉輪流道的進(jìn)口區(qū)域及葉輪進(jìn)口區(qū)域無(wú)法采用PIV技術(shù)進(jìn)行測(cè)量，這些區(qū)域內(nèi)的流動(dòng)可采用內(nèi)窺高速成像技術(shù)進(jìn)行測(cè)量。
實(shí)施例四:
泵內(nèi)部流動(dòng)內(nèi)窺高速測(cè)量的主要步驟為:
I)布置內(nèi)窺高速測(cè)量系統(tǒng)。內(nèi)窺高速測(cè)量系統(tǒng)的布置如圖8所示。LED冷光源(53)調(diào)至合適亮度照射模型
(27)內(nèi)所需測(cè)區(qū)域。內(nèi)窺鏡(52)從模型泵上開設(shè)的內(nèi)窺測(cè)量孔伸入泵內(nèi)合適位置。高速相機(jī)(51)與內(nèi)窺鏡(52)相連，拍攝的數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)單元(48)。2)選擇合適的示蹤粒子撒入儲(chǔ)罐(15)中，保證試驗(yàn)介質(zhì)具有合適的粒子濃度。3)按照外特性測(cè)量時(shí)的相關(guān)步驟啟動(dòng)模型泵(27)，使其在所需工況下運(yùn)行。4)確定高速相機(jī)(51)的拍攝分辨率。5)啟動(dòng)整個(gè)內(nèi)窺高速測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)所測(cè)區(qū)域進(jìn)行拍攝。6)拍攝的數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)單元(48)，并進(jìn)行處理。7)清理試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)。
權(quán)利要求
1.一種熔鹽模型泵外特性和內(nèi)部流動(dòng)測(cè)量試驗(yàn)裝置，該裝置包括管路系統(tǒng)、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、模型泵和外特性數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)； 外特性數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)單元、泵進(jìn)出口壓力傳感器、渦輪流量計(jì)、扭矩轉(zhuǎn)速傳感器幾部分，各部分的信號(hào)輸出端分別與計(jì)算機(jī)單元相連； 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)包括電機(jī)、聯(lián)軸器、傳動(dòng)軸、軸承座、軸承座支座各部分； 所述管路系統(tǒng)包括儲(chǔ)罐、球閥、泵進(jìn)口管路、泵出口管路和調(diào)節(jié)閥各部分； 其特征是:該裝置還設(shè)有內(nèi)部流動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括泵內(nèi)部速度場(chǎng)PIV測(cè)量系統(tǒng)； 所述泵內(nèi)部速度場(chǎng)Piv測(cè)量系統(tǒng)主要由同步控制器、激光器、CCD相機(jī)和霍爾傳感器組成；所述激光器和CCD相機(jī)的控制端分別與同步控制器相連，同步控制器和CCD相機(jī)的輸出端與所述計(jì)算機(jī)單元相連，霍爾傳感器的信號(hào)采集端安裝在傳動(dòng)軸上，其輸出端與同步控制器相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量試驗(yàn)裝置，其特征是:所述內(nèi)部流動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)還包括泵內(nèi)部流動(dòng)內(nèi)窺高速成像系統(tǒng)，泵內(nèi)部流動(dòng)內(nèi)窺高速成像系統(tǒng)主要由高速相機(jī)、內(nèi)窺鏡和LED冷光源組成；與之對(duì)應(yīng)所述模型泵的吸水室和泵前蓋板上均設(shè)有內(nèi)窺測(cè)量孔；所述內(nèi)窺鏡從模型泵上開設(shè)的內(nèi)窺測(cè)量孔伸入泵內(nèi)，高速相機(jī)與內(nèi)窺鏡相連，高速相機(jī)的輸出端口與所述計(jì)算機(jī)單元相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的測(cè)量試驗(yàn)裝置，其特征是:所述模型泵的蝸殼、吸水室、泵前蓋板和法蘭均采用透光性好的有機(jī)玻璃制成，它們之間采用高強(qiáng)度膠進(jìn)行粘接；在泵前蓋板和法蘭之間通過(guò)加強(qiáng)螺栓連接；法蘭與泵支座之間采用硅膠墊進(jìn)行密封；葉輪和泵支座采用不銹鋼材料制成；在泵支座下方設(shè)有排液孔。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的測(cè)量試驗(yàn)裝置，其特征是:所述葉輪和泵支座上涂覆有黑色亞光漆。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的測(cè)量試驗(yàn)裝置，其特征是:所述蝸殼采用矩形截面蝸殼；葉片采用進(jìn)出口等寬的二維葉片，葉輪采用半開式結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的測(cè)量試驗(yàn)裝置，其特征是:所述模型泵還設(shè)有光學(xué)補(bǔ)償盒，該光學(xué)補(bǔ)償盒安裝在吸水室外，光學(xué)補(bǔ)償盒上裝有輸液管和排氣管。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的測(cè)量試驗(yàn)裝置，其特征是:所述光學(xué)補(bǔ)償盒采用透光性好的有機(jī)玻璃制成，光學(xué)補(bǔ)償盒與吸水室和泵前蓋板之間采用玻璃膠進(jìn)行粘接。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量試驗(yàn)裝置，其特征是:模型泵進(jìn)、出口與所述泵進(jìn)、出口管路與之間分別采用軟管進(jìn)行連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量試驗(yàn)裝置，其特征是:所述模型泵進(jìn)口前等徑直管段長(zhǎng)度> 12倍管徑，渦輪流量計(jì)的上游側(cè)留有> 15倍管徑長(zhǎng)度的等徑直管段，下游側(cè)留有> 5倍管徑長(zhǎng)度的等徑直管段。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量試驗(yàn)裝置，其特征是:所述儲(chǔ)罐底部坡度為1:100 3:100，如為 2 =IOO0
全文摘要
本發(fā)明提供一種熔鹽模型泵外特性和內(nèi)部流動(dòng)測(cè)量試驗(yàn)裝置，主要用于測(cè)量熔鹽模型泵的外特性和內(nèi)部速度場(chǎng)，以及對(duì)泵內(nèi)高速流動(dòng)進(jìn)行拍攝研究。該裝置主要包括管路系統(tǒng)、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、模型泵、外特性數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)和內(nèi)部流動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。管路系統(tǒng)的布置保證試驗(yàn)時(shí)具有足夠的操作空間、高的測(cè)量精度及試驗(yàn)的方便。動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)為泵的穩(wěn)定運(yùn)行提供動(dòng)力。模型泵的葉輪和泵支座采用不銹鋼制成，其他采用有機(jī)玻璃制成，具有水力性能好、強(qiáng)度高、可測(cè)量區(qū)域廣等特點(diǎn)。外特性數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)采集壓力、轉(zhuǎn)速、扭矩、流量等信號(hào)，處理分析后得到泵的外特性。內(nèi)部流動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)可對(duì)泵內(nèi)部速度場(chǎng)進(jìn)行PIV測(cè)量，對(duì)泵內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行內(nèi)窺高速成像，實(shí)現(xiàn)泵內(nèi)全流場(chǎng)的研究。
文檔編號(hào)F04D15/00GK103115001SQ20131003271
公開日2013年5月22日 申請(qǐng)日期2013年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月29日
發(fā)明者邵春雷, 顧伯勤, 董金善, 周劍鋒, 程文潔 申請(qǐng)人:南京工業(yè)大學(xué)