CN102619761A - 一种用于粒子图像测速的轴流泵及其粒子图像测速的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于粒子图像测速的新型轴流泵，其主要用于轴流泵内部流动的速度场测量，该轴流泵由导水锥、叶轮叶片、叶轮轮毂、导叶叶片、导叶轮毂、方形有机玻璃外筒、流线型肋板、导叶体法兰、螺栓、轴、弯管段、轴承、螺钉、轴套、油封及滚动轴承及联轴器等零件组成。本发明的有益结果是：提高了轴流泵粒子图像测速（PIV）的测量精度，创新了新型轴流泵的结构，实现了轴流泵内部真实流场采用粒子图像测速，提高了用于粒子图像测速的新型轴流泵的使用寿命，并使得试验用轴流泵的流场更接近于真实产品泵的流场，并可同时观测和测量叶轮和导叶内部真实的流动。

Description

一种用于粒子图像测速的轴流泵及其粒子图像测速的方法

技术领域

本发明涉及到一种用于粒子图像测速的轴流泵及其测速方法，主要用于轴流泵叶轮和导叶内部流动的速度场测量。

背景技术

粒子图像测速（Particle Image Velocimetry ，以下简称PIV）技术是近年来从流场显示技术基础上发展起来的一种新型流速测量技术，其基本原理为：激光片光源照射在某流场测量面上，通过相机连续拍摄2张示踪粒子在片光源面上显示的照片，根据示踪粒子在两幅照片上的位移差和时间差求得流场速度方向和大小。由于PIV测量技术既能克服流场单点测量的局限性，又能进行全流场瞬时、非接触测量，因此在旋转机械的内部流动研究中得到广泛应用。

轴流泵属于低扬程、大流量泵型，主要用于农田排灌，工业热电站输送循环水、城市给排水、船坞升降水位或其它水利工程用水，使用范围十分广泛。目前，传统的PIV测量的轴流泵具有以下特点：(1)为了固定泵轴，需要在叶轮进口前重新设计一副直导叶，导致直导叶后的水迹尾流使叶轮进口的水流不均匀；(2)在直导叶后面加装一透明的圆形转轮室，并在转轮室外面包围一透明的有机玻璃长方体小水箱，结构复杂，增加了加工成本；(3)为了模拟后导叶轮毂，在叶轮轮毂的后面紧跟一根不锈钢管，这与真实的轴流泵结构有所差异。(4)仅是叶轮转轮室制作为透明的结构，试验泵结构与传统的轴流泵结构一样，未发现结构创新。扬州大学硕士学位论文“轴流泵叶轮出口流场的3D-PIV测量”（2005年）、“轴流泵叶轮与导叶内部流场的3D-PIV测量”（2006年）和上海交通大学硕士学位论文“轴流泵内流场的数值模拟与PIV实验研究”（2008年）所用的轴流泵都具有上述特点。

经检索，在PIV测量的泵方面，江苏大学 “一种用于三维PIV测量的离心泵”（申请号：201010520430）的发明专利申请，两个发明的共同点是都是针对用于PIV测量的泵，但是研究对象分别属于离心泵与轴流泵，离心泵与轴流泵是两种完全不同的叶片泵，无论是使用的场合还是结构形式都相差甚远。已有的发明专利申请侧重保护离心泵PIV的高标定精度，而本专利侧重保护能够提高轴流泵叶轮和导叶有机玻璃外筒寿命，且能够用于叶轮和导叶内部流场粒子图像测速的新型轴流泵结构。

发明内容

为了实现轴流泵粒子图像测速测量，增强粒子图像测速测量轴流泵的使用寿命，本发明提供了一种用于粒子图像测速的新型轴流泵，该泵不仅成本较低，而且结构更加合理、测量精度高。

一种轴流泵，包括叶轮、导叶轮、透明有机玻璃筒、泵轴、流线型肋板和弯管段。叶轮与泵轴固定，随泵轴一起旋转；透明有机玻璃筒与弯管段之间连接有法兰；叶轮、导叶轮均在透明有机玻璃筒的内部；流线型肋板的一端与导叶轮上的导叶轮轮毂固定连接，流线型肋板另一端与法兰固定连接；导叶轮上的导叶轮轮毂内设有轴承，实现与泵轴的滚动连接，并控制叶轮旋转时的径向位置和跳动。

上述的透明有机玻璃筒的断面形状采用外方内圆形结构，有机玻璃的折射率接近于水，避免激光直接通过透明有机玻璃筒产生的光折射误差，提高了测量精度。流线型肋板的断面形状是一种流线型翼形，与从导叶流出的水流方向基本一致。

为了更好达到技术效果，叶轮叶片外缘与透明有机玻璃筒的径向间隙设为0.5mm，当叶轮随轴旋转运行时，叶轮叶片不会因泵轴的微小跳动擦伤有机玻璃，同时0.5mm的间隙对泵的性能影响较小。

叶轮轮毂与泵轴的轴肩之间连接有轴套，可以通过调节轴套的长度控制叶轮与导叶轮之间的距离，实现轴流泵内叶轮和导叶轮间不同距离时内部流场的测量。

泵轴轴端端面设有螺钉，螺钉将导水锥固定连接在叶轮轮毂前部，对叶轮进水起到导流作用，并且用来锁定叶轮轮毂的轴向位置。

本发明的有益结果是：提高了轴流泵粒子图像测速（PIV）的测量精度，创新了新型轴流泵的结构，实现了轴流泵内部真实流场采用粒子图像测速，提高了用于粒子图像测速的新型轴流泵的使用寿命，并使得试验用轴流泵的流场更接近于真实产品泵的流场，并可同时观测和测量叶轮和导叶内部真实的流动。

附图说明

下面结合附图和对本发明进一步说明。

图1是一种用于粒子图像测速的新型轴流泵的装配示意图。

图2是导叶叶片、导叶轮毂、导叶体法兰及流线型肋板的连接关系示意图。

图3是图2中流线型肋板的B-B截面图。

图4是一种用于粒子图像测速的新型轴流泵的总装图A-A方向示意图。

图5是一种用于粒子图像测速的新型轴流泵的试验测量原理图。

图中 1.导水锥，2.透明方形有机玻璃筒，3.叶轮叶片，4.叶轮轮毂，5.导叶轮叶片，6.导叶轮轮毂，7.流线型肋板，8.法兰，9.螺栓，10. 弯管段，11.泵轴，12.油封A，13.深沟球轴承A，14.联轴器，15.螺钉，16.轴套，17.油封B，18.深沟球轴承B，19. 油封C，20. 1号相机，21. 2号相机，22.激光片光源。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案做详细的说明。

在图1和图2中，该轴流泵由导水锥1、叶轮叶片3、叶轮轮毂4、导叶轮叶片5、导叶轮轮毂6、透明方形有机玻璃筒2、流线型肋板7、法兰8、螺栓9、泵轴11、弯管段10、深沟球轴承A13、深沟球轴承B18、螺钉15、轴套16、油封A12、、油封B17、油封C19及联轴器14等零件组成。叶轮叶片3和叶轮轮毂4以焊接固定方式组合成叶轮，导叶轮叶片5和导叶轮轮毂6以焊接固定方式组合成导叶轮，叶轮、导叶轮均在透明有机玻璃筒的内部；叶轮叶片3外缘与透明方形有机玻璃筒2的径向间隙为0.5mm，在叶轮随泵轴11旋转运行时，叶轮叶片3不会因泵轴的微小跳动擦伤透明方形有机玻璃筒2，同时0.5mm的间隙对泵的性能影响较小。螺钉15将导水锥1固定在叶轮轮毂4前端，对叶轮进水起到导流作用，同时螺钉15在轴端还可以锁定叶轮轮毂4在泵轴11上的轴向位置。法兰8位于透明方形有机玻璃筒2与弯管段10之间并通过螺栓9与其固定连接。流线型肋板7的断面形状是一种流线型翼形，与从导叶流出的水流方向基本一致，保证了导叶出口水流的稳定性，减小了泵内部的水力损失。流线型肋板7的一端与导叶轮毂6固定连接，流线型肋板7的另一端与法兰8固定连接，即导叶叶片5、导叶轮毂6、流线型肋板7与法兰8固定连接为一个整体。叶轮轮毂4与泵轴11的轴肩之间连接有轴套16，可以通过调节轴套16的长度控制叶轮与导叶轮之间的距离，实现轴流泵内叶轮和导叶轮间不同距离时内部流场的测量。导叶轮轮毂6内置深沟球轴承B18与泵轴11配合，用来控制叶轮旋转时的径向位置和跳动。在深沟球轴承B18左侧设置油封B17，在深沟球轴承B18右侧设置油封C19，防止杂质不进入深沟球轴承B18。在弯管段10右侧设置油封A12和深沟球轴承A13，联轴器15连接泵轴12和电机轴。

图3中，透明方形有机玻璃筒2采用折射率接近于水的有机玻璃。有机玻璃外筒的断面形状采用外方内圆形结构，内侧圆形空间区域在试验过程中充满了透明的水，则透明方形有机玻璃筒2构成一个类似截面呈正方形的实心透明长方体。当激光片光源22垂直射向透明方形有机玻璃筒2表面，光路将垂直于透明方形有机玻璃筒2的平面进入轴流泵内部，此时若有机玻璃与水的折射率完全相等，激光片光源22将不产生折射，垂直水平面射入轴流泵内部指定的测量面。采用该结构有效降低了圆管曲面产生的折射，提高了PIV的测量精度和试验泵的运行稳定性。

透明方形有机玻璃筒2与导叶轮叶片5在装配上采用间隙配合，两者间可留有一定间隙，间隙值在0.1mm到0.5mm之间，待安装完毕后，使用玻璃胶密封该间隙，保证与导叶轮叶片5之间不泄漏，导叶轮叶片与透明方形有机玻璃筒的间隙配合既方便安装导叶体，也不会划伤有机玻璃而影响相机拍摄，且使得转子系统传递的径向力通过流线型肋板传递到法兰，则透明方形有机玻璃筒不受转子的影响，提高了透明方形有机玻璃筒的使用寿命，且流线型肋板与来流方向一致，并不影响轴流泵的性能。

在图4中，激光片光源22通过透明方形有机玻璃筒2表面垂直入射到流场待测区域，即叶轮叶片3及导叶轮叶片5的流场区域中，激光片光源22通过透明方形有机玻璃筒2后，避免激光直接通过透明方形有机玻璃筒2产生的光折射误差，2部PIV测量专用相机与片光源互成45度方向（即1号相机和2号相机的夹角为90度）对准该区域，利用示踪粒子在激光区域的曝光作用，记录下两次脉冲激光粒子曝光时的图像，形成两幅粒子分布图片，图片上记录的是整个待测区域的粒子图像，然后根据示踪粒子在两幅照片上的位移差和时间差求得流场空间速度方向和大小。

本专利优点之一：通过结构创新，将导叶轮轮毂通过流线型肋板和法兰固定连接，导叶轮叶片与外缘透明方形有机玻璃筒进行分离，两者成为相互独立的两个零件，保证泵运行时两者互不干扰，从而提高了透明方形有机玻璃筒的寿命和可靠性。本专利优点之二：创新了叶轮和导叶体之间的泵壳一体化筒式结构，即本发明叶轮和导叶外部采用透明方形有机玻璃筒，替代了传统的叶轮转轮室单个铸铁零件和导叶体外缘铸铁外壁单个零件之间通过法兰连接，由于采用的是透明方形有机玻璃筒，可同时观测到叶轮和导叶内部的真实流动。本专利优点之三，轴套置于叶轮轮毂与泵轴轴肩之间，可以通过调节轴套的长度控制叶轮与导叶间的距离，实现轴流泵内叶轮和导叶间不同距离时内部流场的测量。由于该泵扬程较低，采用骨架油封进行轴端密封，在弯管侧设置双深沟球轴承的轴承座，既可承受两个方向的轴向力，也可承受叶轮产生径向力，可以保证轴系稳定运行。

Claims (8)

1.一种用于粒子图像测速的轴流泵，其特征在于，包括叶轮、导叶轮、透明有机玻璃筒（2）、泵轴（11）、流线型肋板（7）和弯管段（10）；所述叶轮与所述泵轴（11）固定连接，随泵轴一起旋转；所述透明有机玻璃筒（2）与所述弯管段（10）之间连接有法兰（8）；所述叶轮、所述导叶轮均在所述透明有机玻璃筒（2）的内部；所述流线型肋板（7）的一端与所述导叶轮上的导叶轮轮毂（6）固定连接，所述流线型肋板（7）另一端与所述法兰（8）固定连接；所述导叶轮的导叶轮轮毂（6）内设有轴承（18），实现与所述泵轴（11）的滚动连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于粒子图像测速的轴流泵，其特征在于，所述透明有机玻璃筒（2）的断面形状采用外方内圆形，所述透明有机玻璃筒（2）的有机玻璃折射率接近于水。

3.根据权利要求1所述的一种用于粒子图像测速的轴流泵，其特征在于，所述流线型肋板（7）的断面形状是一种流线型翼形，与从所述导叶流出的水流方向基本一致。

4.根据权利要求1所述的一种用于粒子图像测速的轴流泵，其特征在于，所述叶轮的叶轮轮毂（4）与所述泵轴（11）的轴肩之间连接有轴套（16）。

5.根据权利要求1或4所述的一种用于粒子图像测速的轴流泵，其特征在于，所述泵轴（11）的轴端端面设有螺钉（15），所述螺钉（15）将导水锥固定连接在所述叶轮的叶轮轮毂（4）前部，并且用来锁定叶轮轮毂（4）的轴向位置。

6.根据权利要求1所述的一种用于粒子图像测速的轴流泵，其特征在于，所述叶轮的叶轮叶片（3）的外缘与所述透明有机玻璃筒（2）的径向间隙为0.5mm。

7.根据权利要求1所述的一种用于粒子图像测速的轴流泵，其特征在于，所述透明方形有机玻璃筒（2）与所述导叶轮的导叶轮叶片（5）在装配时采用间隙配合，间隙值控制在0.1mm到0.5mm之间，待安装完毕后，使用玻璃胶密封该间隙。

8.一种利用权利要求1所述的粒子图像测速轴流泵的粒子图像测速的方法，包含以下步骤：

A 激光片光源（22）通过透明方形有机玻璃筒（2）表面垂直入射到流场待测区域，即叶轮叶片（3）及导叶轮叶片（5）的流场区域中；

B 设置PIV测量用的1号相机和2号相机，使其与片光源互成45度方向并保持1号相机和2号相机的夹角为90度,对准流场待测区域后利用示踪粒子在激光区域的曝光作用，记录下两次脉冲激光粒子曝光时的图像，形成两幅粒子分布图片；

C 根据示踪粒子在两幅照片上的位移差和时间差求得流场空间速度方向和大小。

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