离心泵极端工况瞬态性能试验系统

摘要

本发明涉及离心泵性能试验系统，旨在提供一种完成叶轮快速启动或停机等极端工况下瞬态性能测试任务的试验系统。该系统包括由泵体、管路和水罐组成的循环回路，还包括蓄能驱动及制动装置和瞬态性能测控系统；蓄能驱动及制动装置包括依次连接的变频电机、链式联轴器和驱动轴；驱动轴上还套装有至少一组由蓄能盘与静态离合器从动端相接合所组成的蓄能装置，其中蓄能盘通过轴承支撑于驱动轴上，静态离合器通过离合器固定环固定于驱动轴上；本发明可实现多种转速和管路阻力下离心泵稳态水力性能测试的基本功能，完成变频电机直连启停和变转速过程、不同蓄能盘蓄能启动以及制动装置强制紧急停机等多种极端工况瞬态水力性能的测试任务。

说明书

技术领域

本发明涉及一种离心泵性能试验系统，具体说是由蓄能驱动及制动装置、循环管路和测控系统完成叶轮快速启动或停机等极端工况下瞬态性能测试任务的试验系统。

背景技术

离心泵是一类典型的水力旋转机械，广泛应用于生产生活的各个领域。通常情况下其转速和水力性能基本不变或缓慢变化，即在稳定条件下工作，对离心泵稳定工作条件下的水力性能研究已经较成熟。

随着工程应用和科技的发展和进步，研究的热点已逐渐深入到处于极端工作条件下的离心泵瞬态水力性能中，其中瞬时启动和紧急停机是两种典型的离心泵极端工况。在某些特殊应用场合中，如火力发电机组锅炉备用给水泵，要求离心泵转速和流量在极短时间内从静止迅速增加至最大值，该过程的内流和水力性能将表现出明显区别于稳态性能的瞬态效应，如转速、流量、扬程和负载的快速变化，进口压力瞬间降低，无量纲扬程在极短时间内产生峰值，瞬时流量呈近似三次曲线的增长方式等特点。在其他常规应用场合，离心泵突然启动过程引起的瞬间压力脉动和负载可能导致机组设备和电网的冲击破坏。此外在复杂管路系统中，由于某些原因使主泵发生紧急停机时所产生的瞬时阻力可能对管网和设备造成影响，严重时可能发生水锤引起重大安全事故。

因此如何通过实验获得离心泵极端工况下的瞬时转速、流量、扬程和功率等水力特性是亟需解决的一个实际问题。

目前大多数的离心泵实验台是专门为测试稳态条件下的泵水力性能而设计的，所使用的仪表和传感器等仅适用于稳态性能的采集和处理，控制系统也很少涉及到瞬态极端工况，因此在普通的离心泵性能测试实验台上很难实现极端工况下的瞬时性能测试。

在需要对极端工况进行测试的特殊情况下，采用大功率电机或汽轮机直接带动叶轮可以实现离心泵的快速启动，由于大功率电机不适宜在实验室中采用，而汽轮机采用高压气源驱动，无法实现稳态工况的测试，通用性较差。对于离心泵紧急停机以及其他极端工况专用的测试实验台也未见报道。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种同时适用于稳态和极端工况，并具有自动控制和数据采集以及操作安全等特点的离心泵极端工况瞬态性能试验系统。

本发明通过以下技术方案以实现上述发明目的：

提供一种离心泵极端工况瞬态性能试验系统，包括由泵体、管路和水罐组成的循环回路，还包括蓄能驱动及制动装置和瞬态性能测控系统；

所述蓄能驱动及制动装置包括：依次连接的变频电机、链式联轴器和驱动轴，驱动轴通过一对轴承支撑于轴承座上，驱动轴的另一端装有由半联轴器与动态离合器从动端相接合所组成的瞬时接合装置；半联轴器依次通过转速转矩测量仪和弹性联轴器与离心泵叶轮轴相连，半联轴器上套设制动装置；驱动轴上还套装有至少一组由蓄能盘与静态离合器从动端相接合所组成的蓄能装置，其中蓄能盘通过轴承支撑于驱动轴上，静态离合器通过离合器固定环固定于驱动轴上；

所述瞬态性能测控系统包括：转速转矩测量仪、设于泵体进口管路上的进口压力传感器和进口电磁流量计、设于泵体出口管路上的出口压力传感器和出口电磁流量计，均通过屏蔽线连接至信号转换电路，信号转换电路与工控机上的PCI板卡以信号线相连；变频电机、静态离合器、动态离合器和制动装置通过信号线连接至变频控制器。

作为一种改进，所述制动装置包括：支座和依次连接的刹车片、刹车杆、连杆、杠杆、撑压件、弹簧、拉力杆、电磁铁，弹簧接于撑压件下部；电磁铁通过常闭开关与主电源相接，该常闭开关安装在动态离合器的接触器辅助触点上。

作为一种改进，所述水罐包括大水罐和小水罐，泵体出口、小水罐、大水罐和泵体入口依次通过管路连接形成循环回路，进口电磁流量计与其之前的闸阀间设支线管路连接小水罐，泵体出口与小水罐之间设气动球阀，其它管路上设若干闸阀。

作为一种改进，与泵体连接的进出口水管为有机玻璃透明管，其他管路之间设有若干橡胶挠性软连接。

作为一种改进，所述气动球阀的控制器通过信号线和信号转换器连接至工控机。

作为一种改进，所述静态离合器是牙嵌式电磁离合器；所述动态离合器是摩擦片式离合器或磁粉式离合器其中任意一种。

作为一种改进，所述压力传感器是可控硅压电式压力传感器。

本发明的有益效果在于，本发明不仅可实现多种转速和管路阻力下离心泵稳态水力性能测试的基本功能，特别的是，可以完成变频电机直连启停和变转速过程、不同蓄能盘蓄能启动以及制动装置强制紧急停机等多种极端工况瞬态水力性能的测试任务，弥补了现有测试方法的不足。

附图说明

图1是离心泵极端工况瞬态性能试验系统示意图；

图2是蓄能驱动机构示意图；

图3是制动装置示意图。

图中附图标记为：进口压力传感器1，进出口透明管2，叶轮3，泵体4，梅花形弹性联轴器5，转速转矩测量仪6，制动装置7，蓄能驱动机构8，信号转换电路9，工控机10，变频控制器11，小水罐12，大水罐13，橡胶挠性软连接14，闸阀15，压力传感器16，橡胶挠性软连接17，气动球阀18，进口电磁流量计19，出口压力传感器20，出口电磁流量计21，变频电机22，链式联轴器23，轴承侧盖24，轴承上盖25，轴承26，牙嵌式电磁离合器27，驱动轴28，摩擦片式电磁离合器29，半联轴器30，转速转矩测量仪支座31，轴承32，轴承底座33，小蓄能盘34，离合器固定环35，轴套36，大蓄能盘37，轴承38，电机座39，制动装置支座40，刹车片41，刹车杆42，连杆43，杠杆44，撑压件45，弹簧46，拉力杆47，电磁铁48。

具体实施方式

本发明中的离心泵极端工况瞬态性能试验系统由四大部分组成，分别为蓄能驱动8及制动装置7、泵体4、循环管路和瞬态性能测控系统。

蓄能驱动8及制动装置7包括：依次连接的变频电机22、链式联轴器23和驱动轴28，驱动轴28通过轴承26、32支撑于轴承座上，轴承座由具有两个轴承孔的轴承底座33、轴承侧盖24和轴承上盖25组成，方便驱动轴的拆装。驱动轴28上的大蓄能盘37、小蓄能盘34各与一个静态离合器27从动端相接合，静态离合器27通过离合器固定环35固定于驱动轴28上。通过控制静态离合器27的咬合和脱开，可实现大蓄能盘37、小蓄能盘34与驱动轴28的同步或异步运动。驱动轴28另一端设有与半联轴器30接合的动态离合器29，半联轴器30上套设制动装置7。为防止零件松动飞出引起事故，在大蓄能盘37、小蓄能盘34周围区域可安装保护罩，保证人员安全。静态离合器27是牙嵌式电磁离合器；所述动态电磁离合器是摩擦片式离合器或磁粉式离合器其中任意一种。

制动装置7包括：制动装置支座40和支撑于其上的一对刹车杆42、依次连接的刹车片41、刹车杆42、连杆43、杠杆44、撑压件45、拉力杆47和电磁铁48，弹簧46接于撑压件45下部。刹车片41有一对，环绕在半联轴器30的颈部。电磁铁48通过常闭开关与主电源相接，该常闭开关安装在动态离合器29的接触器辅助触点上，可实现制动装置7与动态离合器29的状态互异，即制动装置7抱紧半联轴器30时，动态离合器29的主动与从动端脱开，反之亦然。

瞬态性能测控系统包括：转速转矩测量仪6、设于泵体4进口管路上的进口压力传感器1和进口电磁流量计19、设于泵体出口管路上的出口压力传感器20和出口电磁流量计21，压力传感器是可控硅压电式压力传感器。上述各信号测试仪所测得的信号均通过屏蔽线连接至信号转换电路9中，将各信号转换为0～5V的标准压力信号，信号转换电路9与工控机10以信号线相连，将信号传入到工控机10中的PCI板卡中，经过A/D转换成为数字信号，再由测试软件进行处理和分析。变频控制器11通过信号线连接至变频电机22、静态离合器27、动态离合器29和制动装置7，由变频控制器11完成控制和执行。

半联轴器30与叶轮轴间通过转速转矩测量仪6、弹性联轴器5相连接。

循环管路包括大水罐13和小水罐12，泵体4、大水罐13与小水罐12依次通过管路形成循环回路；进口电磁流量计19与其之前的闸阀间设支线管路连接小水罐12，泵体4与小水罐12之间设气动球阀18，其它管路上设若干闸阀15。气动球阀18的控制器通过信号线和信号转换器连接至工控机10。泵体4的进出口安装进出口透明管2，可观测泵体进出口的流动状态，循环管路上还设有橡胶挠性软连接14、17以吸收管路间的变形和振动。通过切断和打开管路中的闸阀15可选择不同的循环回路，采用PCI板卡的D/A输出控制气动球阀18的转角可以控制管路阻力。

系统的实验测试方法：

稳态工况：接通动态离合器，稳态工况下即可以断开也可以咬合静态离合器27，通过变频控制器设置变频电机22的转速，控制气动球阀18至所要位置，启动变频电机22和工控机10中的数据采集软件即可实现稳态工况试验测试。

变频电机直连启动工况：接通动态离合器29，该工况下即可以断开也可以咬合静态离合器27，通过变频控制器11设置变频电机22的转速和启动时间，启动变频电机22和工控机10中的数据采集软件即可实现电机直连启动工况试验测试。

极端快速启动工况：接通主电源，电磁铁48吸合，驱动刹车片41抱紧叶轮轴，使之保持绝对静止，同时弹簧46被压缩，由于动态离合器29的接触器未接通，因此动态离合器29主动端与从动端为脱开状态。接通静态离合器27，即将大蓄能盘37、小蓄能盘34与驱动轴28同步。通过变频控制器11设定转速值后，启动变频电机22，此时为变频电机22、驱动轴28、大蓄能盘37和小蓄能盘34同步旋转蓄能阶段。待旋转稳定后，接通动态离合器29，使其主动端和从动端瞬时接合，于此同时由于辅助触点的作用使常闭开关打开，电磁铁48失去电源，弹簧46驱动刹车片41放开叶轮轴，即实现叶轮3从静止开始的极端快速启动过程。

紧急停机工况：为降低紧急停机时刹车片41的摩擦程度，延长其寿命，在模拟紧急停机工况时最好断开大蓄能盘37、小蓄能盘34与静态离合器27的连接。叶轮3稳定旋转时，动态离合器29为接通状态，由于制动装置7与动态离合器29的状态互异，因此制动装置7为放开状态，此时切断动态离合器29，使其主动端和从动端瞬时脱开，电磁铁48瞬时吸合，带动刹车片41快速抱紧叶轮轴，即可实现叶轮3稳定旋转时的紧急停机过程。

在工控机10上编制了瞬态性能专用测试软件，在启动稍前时刻由测试软件上发出采集命令，通过PCI板卡读取转速转矩测量仪6、压力传感器1、16、20和电磁流量计19、21传输至信号转换电路9中的数据，并保存在工控机10的存储设备中，以便后期处理。

需要注意的是，在操作过程中，静态离合器27必须在蓄能盘37、34和驱动轴28均静止时咬合和放开，不可在驱动轴28旋转时接合静态离合器，否则将发生齿间撞击，击碎静态离合器的严重后果。

实施例

选用22kw变频电机22作为动力源，通过链式联轴器23与驱动轴28相连，驱动轴28两端通过轴承26、32支撑于轴承座上，轴承座由具有两个轴承孔的轴承底座33、轴承侧盖24和轴承上盖25组成，方便驱动轴的拆装。驱动轴28上安装大蓄能盘37、小蓄能盘34，蓄能盘通过内孔的轴承38支撑在驱动轴28上，蓄能盘侧面与静态离合器27从动端相连。驱动轴28另一端安装动态离合器29，其最短接合时间为0.35s，动态离合器29从动端通过半联轴器30与瞬时转速转矩测量仪6相连。一对刹车片21环绕在半联轴器30颈部，支座40、刹车片41、刹车杆42、连杆43、杠杆44、撑压件45、弹簧46、拉力杆47和电磁铁48组成制动装置7。

转速转矩测量仪6另一端通过梅花形弹性联轴器5与泵叶轮轴相接。本例中的离心泵比转速为352，叶轮外径为238mm。

泵进出口管径分别为200mm和150mm，大水罐13、小水罐12的进出口管径分别为200mm、200mm和150mm、100mm、200mm，管路间通过橡胶挠性软连接14、17吸收振动和热胀冷缩引起的变形等，泵出口电磁流量计21和小水罐12间安装了气动球阀18，闸阀15的作用是控制不同的循环回路，循环管路间分别安装了压力传感器1、16、20和电磁流量计19、21以测试瞬时扬程和流量；变频电机22、静态离合器27和制动装置7通过变频控制器11控制，瞬时转速、转矩、压力和流量经过信号转换电路9转换为0～5V标准电压信号，再传入PCI板卡经过A/D转换进入工控机10进行处理和分析。

应该理解到的是：上述实施方式只是对本发明的说明，而不是对本发明的限制，任何不超出本发明精神范围内的发明创造，均落入本发明的保护范围之内。