一种泵自吸过程内外特性协同测试系统

摘要

本发明涉及一种泵自吸过程内外特性协同测试系统，包括水箱和自吸离心泵，自吸离心泵的出口管道和入口管道均与水箱连接，自吸离心泵的出口管道上设有第一闸阀、电磁流量计和出口压力传感器；自吸离心泵的入口管道上依次设有第二闸阀、科式质量流量计和进口压力传感器，自吸离心泵与电机连接，电机上安装有轴编码器，自吸离心泵旁设有高速摄影机和LED光源，高速摄影机依次连接信号采集器和计算机；科式质量流量计、进口压力传感器、出口压力传感器和轴编码器分别通过NI虚拟仪器与计算机连接。本发明在测量泵的水力性能和自吸性能等外特性的同时通过高速摄影系统观测自吸过程气液吸入、气液混合、气液分离、气体排出和水回流等内部流动特性。

说明书

技术领域

本发明属于流体机械实验领域，具体为一种泵自吸过程的内外特性协同测试系统，主要用于同时测量泵自吸性能外特性和气液两相流动内特性。

背景技术

自吸泵是一种特殊的离心泵，只需要第一次启动的时候灌水，以后每一次启动都能把管道和泵体里的空气排出，然后正常地输水。它是轻小型灌溉机组的关键部件，广泛地应用于农村移动灌溉、流动工作、启动频繁和灌液困难的场合。自吸泵除了流量、扬程、效率等水力性能参数以外，还有自吸时间、自吸高度等参数作为自吸性能的重要评价指标。研究自吸泵的自吸机理，提高泵的自吸性能对于发展节水灌溉技术甚至加快国家的农业装备创新都有一定的积极作用。

目前对于自吸泵的试验研究方面大多侧重于自吸泵局部结构尺寸对自吸性能的影响上，以及局部压力变化和外特性的变化上，而对于泵自吸过程气液两相流动内特性微观变化，以及这种微观变化与流量、扬程、效率等外特性的宏观变化之间的关系的研究还很少。

经检索，一种高吸程自吸泵自吸高度测试台（201210140932.7）通过在泵回水管上增加可调变频增压泵以补充射流装置喷射器进口处的压头，增加电动定差减压阀以增加泵进口的压降，最终实现不改变测试台的实际安装高度满足高吸程自吸泵测试的需要。但是该试验台仅适用于自吸泵自吸性能外特性的试验，进行自吸泵自吸过程内部流场测试分析时，需要重新搭建试验台，提高了时间成本和经济成本，降低了使用效率。因此，为了研究泵自吸过程的气液两相流动规律，提高泵的自吸性能，甚至深入理解泵的自吸机理，对泵自吸过程自吸性能外特性和气液两相流动内特性同时测量是自吸泵试验研究的重要手段。

发明内容

本发明的目的是针对当前自吸泵试验台功能单一，结构复杂等局限性，提供了一种泵自吸过程的内外特性协同测试系统，该系统主要用于泵自吸过程的测试，可以同时测量泵水力性能、自吸性能等外特性和气液两相流动内特性，得到泵自吸过程进出口压力、气液相流量以及叶轮转速的瞬态变化以及自吸泵中气液混合、气液分离、气泡排出、液体回流和气泡在叶轮、蜗壳、气液分离室内运动的具体过程。

本发明的技术方案是：一种泵自吸过程内外特性协同测试系统，包括水箱和自吸离心泵，所述自吸离心泵的出口管道和入口管道均与所述水箱连接，所述自吸离心泵的出口管道上从水箱侧开始依次设有第一闸阀、电磁流量计和出口压力传感器；所述自吸离心泵的入口管道上从水箱侧开始依次设有第二闸阀、科式质量流量计和进口压力传感器，所述自吸离心泵与电机连接，所述电机上安装有轴编码器，所述自吸离心泵旁还设有高速摄影机和LED光源，所述高速摄影机依次连接信号采集器和计算机；所述科式质量流量计、所述进口压力传感器、所述出口压力传感器和所述轴编码器也分别通过NI虚拟仪器与所述计算机连接。

上述方案中，所述水箱底部还设有排水阀。

上述方案中，所述水箱为透明水箱，外侧设有直接反映自吸离心泵自吸高度的刻度尺。

上述方案中，所述自吸离心泵为透明有机玻璃，所述自吸离心泵的进口管路和出口管路均为不锈钢。

上述方案中，所述电机为变频电机。

上述方案中，所述自吸离心泵、所述电磁流量计、所述科式质量流量计、所述第一闸阀和所述第二闸阀与均通过法兰连接在管路上。

上述方案中，所述刻度尺的零刻度线在所述自吸离心泵进口管路中心线所在的直线上。

本发明具有以下特点：（1）本发明由自吸离心泵及管路系统、动态测试系统和高速摄影系统三大系统组成，可以同时测量自吸离心泵水力性能、自吸性能等外特性以及自吸过程气液两相流动内特性，结构简单，功能多样。（2）本发明进口管路的流量计采用科式质量流量计，倒三角状安装时测量进口管路液相流量，正三角状安装时测量进口管路气相流量，可以同时根据气体流量和液体流量分析泵自吸过程的气液两相流动特性。（3）通过排水阀控制水箱中液面的高度，进而控制自吸离心泵的自吸高度，方便研究不同自吸高度下的内外特性。

附图说明

图1是本发明的内外特性协同测试系统的示意图。

图2是科式质量流量计倒三角安装的示意图。

图3是科式质量流量计正三角安装的示意图。

图中：1.水箱；2.第一闸阀；3.电磁流量计；4.科式质量流量计；5.进口压力传感器；6.出口压力传感器；7.自吸离心泵；8.电机；9.轴编码器；10.排水阀；11.刻度尺；12.第二闸阀；13.信号采集器；14.计算机；15.高速摄影机；16.LED光源；17.NI虚拟仪器。

具体实施方式

附图1是本发明的一个具体实施例，下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。本发明的内外特性协同测试系统，包括自吸离心泵及管路系统，动态测试系统和高速摄影系统等。动态测试系统包括电磁流量计3、科式质量流量计4、进口压力传感器5、出口压力传感器6、轴编码器9、NI虚拟仪器17、LabVIEW编程平台和计算机14。高速摄影系统包括高速摄影机15、信号采集器13、计算机14及LED光源16。自吸离心泵7出口管路垂直布置，依次连接出口压力传感器6、电磁流量计3、第一闸阀2后伸入水箱1。自吸离心泵7进口管路水平布置，按流体的流动方向依次连接水箱1、第二闸阀12、科式质量流量计4、进口压力传感器5。水箱1为透明水箱，下端设有排水阀10，外侧设有直接反映自吸离心泵7自吸高度的刻度尺11，水箱1中实时的液面位置对应的刻度尺11的刻度即为此时自吸离心泵的自吸高度。高速摄影机15依次连接信号采集器13、计算机14。电磁流量计3、科式质量流量计4、进口压力传感器5、出口压力传感器6、轴编码器9依次连接NI虚拟仪器17和计算机14。科式质量流量计4采用德国科隆的OPTIMASS6000型质量流量计，如图2和图3所示，倒三角状安装时测量进口管路液相流量，正三角状安装时测量进口管路气相流量。此外，自吸离心泵7是以65ZB-40C型外混式喷灌自吸泵为原型设计的透明有机玻璃，进出口管路为不锈钢，电机8为变频电机。自吸离心泵7、电磁流量计3、科式质量流量计4、第一闸阀2、第二闸阀12与管路的连接均采用法兰连接，刻度尺11的零刻度线在自吸离心泵7进口管路中心线同一水平位置。

试验开始前，打开第一闸阀2和第二闸阀12，关闭排水阀10，保持水箱1中的液面与自吸离心泵7进口管路中心线保持同一水平位置，初始自吸高度为零，启动水泵，在叶轮的作用下，自吸离心泵7中的水和进口管路及泵体内的空气进行气液混合和气液分离，经过一段时间后进口管路及泵体内的气体被完全排出，自吸完成，进入正常输水过程。在此自吸过程中，进口压力传感器5测量泵自吸过程的进口压力变化信号，出口压力传感器6测量泵出口压力的变化信号，电磁流量计3测量泵出口管路的液体流量的变化信号，改变科式质量流量计4的安装方式，先反三角安装测量泵进口管路的液体流量变化信号，再正三角安装测量泵进口管路的气体流量变化信号，轴编码器9测量叶轮转速的变化信号，这些信号被NI虚拟仪器17采集后经过计算机14的处理，通过LabVIEW直接输出自吸过程压力、流量、转速等随时间变化的曲线图。在进行高速摄影拍摄前，先通过三角架和相机的镜头对被拍摄的叶轮及蜗壳等区域进行清晰地对焦，通过LED光源对被拍摄区域补光，高速摄影机15拍摄到的泵自吸过程的图像经过信号采集器13存储在计算机14中。打开排水阀，减少水箱中的水量，分别在0.2m、0.4m、0.6m、0.8m、1m和1.2m的自吸高度下重复上述操作。