CN103410743A - 一种固液两相流泵耐久性试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种固液两相流泵耐久性试验装置及试验方法。该试验装置由主回路、温度调节装置、吸入高度调节机构以及流量调节装置等组成。在固液两相流泵磨损试验中，引入了旁路循环系统，保证介质中固体颗粒不沉淀。以橡胶软管的弹性变形减小过流面积为原理，方便快捷地调节系统流量并减小装置磨损。基于两相流介质自动沉降分层规律，设计泵进口吸入管位置调节装置，解决了不同浓度两相流的获取难题。在混合罐外焊接铝合金散热片，以满足可靠性试验的散热要求。提出固液两相流泵耐久性试验方法，通过设计两相流泵系统进、出口压力采集装置，实现泵压力实时监控和采集，并通过称重法或逆向三维重现技术分析叶轮和泵体等过流部件磨损量与性能的关系。

Description

一种固液两相流泵耐久性试验装置及试验方法

技术领域

本发明为一种固液两相流泵耐久性试验装置及其试验方法，解决试验管路等的磨损问题，属于泵试验装置领域。

背景技术

渣浆泵是输送固液两相流介质的关键性设备。由于其可以输送不同固体颗粒密度、粒径、体积浓度、硬度等两相流体，并且输送的固体颗粒半径范围大，固液混合流体流速较高、流量较大，所以广泛应用于采矿、冶金、煤炭、水力、电力、交通、造纸、环保等行业。但由于渣浆泵的使用条件一般比较恶劣、零部件的破坏极为严重，泵的磨损问题尤其突出，所以目前渣浆泵试验中研究的主要内容为其耐磨性问题。目前国内外尚未有完善的真实两相流耐久性试验台，对泵的过流部件的耐磨性进行长期可靠性测试，本发明在此背景下提出，本发明即为一种两相流泵耐久性试验装置及其试验方法。在渣浆泵磨损试验中，引入了旁路循环系统解决了颗粒沉降问题，采用橡胶软管的弹性变形原理，发明了一种可调节过流面积以达到节流和调节流量的特种阀门；基于两相流渣浆在容器中具有自动沉降分层的作用，在混合罐不同位置两相流渣浆的浓度不同，从而解决不同浓度渣浆的获得问题。因此该试验台具有稳定性和可靠性，能够大大地提高渣浆泵试验台的耐磨性和使用寿命。

经检索，渣浆泵固液两相流三维湍流及冲蚀磨损特性研究(吴波.渣浆泵固液两相流三维湍流及冲蚀磨损特性研究.中南大学.2010.pp.109～110)一文中涉及的渣浆泵性能试验台主要由电机、试验泵、压力表、流量计、管路、阀门、料浆池、料浆调配装置以及测试系统构成。但该试验台中阀门是通过串联几个闸阀来解决其开度过小的问题，然而并没有从本质上解决其磨损性问题，而且该试验台中没有考虑温度对试验台的影响情况，且没有充分利用其渣浆自身的沉降作用，明显存在缺陷，不适合长久可靠性试验。

发明内容

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

该固液两相流泵试验台主要由主回路、冷却水循环回路以及两相流流量控制回路等相关回路组成，其中主回路由混合罐、水泵固定基座、试验泵、水泵入口、耐磨橡胶软管、流量计、水泵出口、冷却水管路等管路组成。主回路从混合罐下部吸入两相流，两相流流经管路进入试验泵进口，试验泵把两相流介质打出再通过出水管路从混合罐的上部流入混合罐内，实现介质循环和泵耐久性试验。

本发明的创新点之一：流量调节装置。在管路系统通常采用阀门调节水泵的扬程，但在阀门关小时，通过阀门的渣浆两相流流速很高，并在阀门前后产生漩涡，对阀门内部产生严重磨损，因而传统意义上一般采用串联几个闸阀的形式以解决单个阀门开度过小的问题，虽闸阀流体阻力小、开闭较省力介质、流向不受限制然而这并没有从本质上解决阀门的磨损问题，因此本发明提出一种固液两相流流量调节装置，该装置由支撑板、橡胶软管、弹性挤压板、调节杆、随动板、凸轮、控制手轮组成。

所述的凸轮为圆形偏心轮。

所述的橡胶软管为耐磨橡胶波纹管，试验充分利用其极好地耐磨性和压缩性，从而极大地提高试验台的使用寿命并且方便地调节吸入口的高度。

所述的支撑板件为方形盒状金属元件，其手轮旋转的一侧左右两侧各有一小块金属板以使橡胶波纹管和圆形偏心轮进口于其内部，偏心轮旋转中心处通过元件固定于支撑板内部使其旋转中心的相对位置不变。该支撑板件一侧焊接于法兰处其宽度大于橡胶软管、圆形偏心轮的距离之和以满足旋转空间，随动板宽度略小于支撑板的宽度，以保证其能够调节橡胶软管的过流面积而不左右晃动，偏心轮的大径略大于橡胶软管的过流宽度，橡胶波纹管的宽度为实际阀门宽度的1.3倍以考虑实际工作时软管的变形。

所述的手轮，通过其调节偏心轮的旋转角度来挤压橡胶软管，橡胶软管发生弹性变形改变两相流的过流面积，软管两端流场变化均匀、中部可节流，该回路实现了吸入口渣浆流量调节和节流的作用。

该回路结构简单，操作方便，从本质上解决了阀门处的磨损问题，极大地提高了阀门处的使用寿命，改善了其耐磨性能。

本发明的创新点之二：固液两相流泵试验台是闭式系统，所以在水泵运行的过程中，水泵对两相流介质做功转化的热量会使介质温度升高，当介质温度高于环境温度时，介质也会向周围散发热量。热量的变化会对泵的汽蚀性能产生影响，汽蚀又会影响试验泵的能量特性、引起震动和噪音，并破坏其过流部件表面，且汽蚀破坏可能会大大降低试验泵的使用周期，严重时甚至会产生叶片断裂或外壳穿孔等重大事故。所以为了保证试验的长期顺利进行，该发明引入了散热装置，散热片焊接于混合罐外，且为铝合金散热片，其价格低廉，重量较轻，具有良好的散热性能，可以满足散热的要求，并且便于安装和维修。

由于两相流在实际试验中的自动沉降分层作用，在试验的混合罐中，其不同的高度处两相流的浓度不同，因此可以通过调节吸入管的高度以在混合罐中获得不同浓度的流体。

吸入高度调节结构中，通过连接元件将螺杆的旋转运动转化为竖直方向的运动。固定该结构的支架上钻有螺纹孔，螺杆顶部焊接有手轮，螺杆螺纹部分与支架螺纹孔相配合，下部与连接元件相连接，该连接元件为中空圆柱形，螺杆与连接元件间有约2mm间隙，调节杆焊接于连接元件下部且固定于进口法兰处。手动旋转手轮从而使螺杆作旋转运动，带动连接部件运动，从而改变调节杆的竖直方向的位置，且橡胶波纹管具有可压缩性，在调节杆的带动下压缩波纹管改变进口法兰的位置，实现两相流吸入口高度的调节。

本发明的创新点之三：由于压力传感器的一次元件(如孔板、远传测量接头等)在渣浆泵管路中极易堵塞，从而使其在测量时出现故障。为解决此问题，本发明在测量出口压力时于压力传感器处引入了渣浆两相流过滤网装置，即在出口管路处连接一小管路，管路中置入过滤网片以过滤部分两相流渣浆从而防止压力传感器发生堵塞，保证试验过程中正常测量泵进出口压力，以监控泵的性能。结合发明的试验装置，并提出了一套适用于固液两相流泵耐久性试验方法。

本发明的有益之处在于：在固液两相流泵试验台运行时，能够通过进口阀门处橡胶软管的变形，改变过流面积，调节水泵两相流渣浆的流量，而不会对管路造成明显磨损，从而达到快捷、方便地控制吸入口渣浆流量的目的；在混合罐冷却循环回路外焊接铝合金散热片以满足散热要求；并且巧妙地利用两相流渣浆的自动沉降作用，在不同的高度方便地获得不同浓度的渣浆；通过带有滤网的采压装置，实现了泵进出口压力的采集，可对泵扬程进行实时监控，并提出一种试验方法；并且，在混合罐下方置有沉淀箱以回收利用该两相流，起到了环保的作用。

本发明解决了常规试验台阀门磨损问题，通过散热片热平衡设计延长了固液两相流泵的使用寿命，通过带有滤网的采压装置实现了压力测量，并提出了一种耐久性试验方法，且提高了其耐磨性和长期试验的可靠性。

附图说明

图1是固液两相流泵试验台示意图；

图2是固液两相流流量调节装置示意图；

图3是吸入高度调节机构示意图；

图4是压力传感器处两相流过滤装置示意图；

图5是压力传感器处两相流过滤滤网结构示意图；

图6是铝合金散热片外形主视图和俯视图。

图1中，1.进口测压罐过滤网片，2.进口压力传感器，3.出口压力传感器，4.散热片，5.法兰，6.橡胶软管，7.闸阀，8.沉淀箱，9.混合罐，10.吸入高度调节机构，11.循环回路固液两相流流量调节装置，12.两相流循环泵，13.高度调节支架，14.观望镜，15.主回路固液两相流流量调节装置，16.流量采集装置，17.两相流试验泵，18.转速转矩仪，19.联轴器，20.电机，21.试验泵安装固定基座。

图2中，22.支撑板，6.橡胶软管，23.弹性板，24.调节杆，25.随动板，26.偏心轮，27.旋转角度调节手轮。

图3中，28.高度调节手轮，29.垫片，30.螺杆，31.连接件，32.调节杆。

图5中，过滤滤网孔径为0.2mm。

图6中，散热片底部厚度为20mm，齿厚为16mm，齿高为150mm。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：

请参见附图1，试验具体方法为：根据两相流试验要求，配制两相流介质的粒度和浓度，启动两相流循环泵(12)，保证混合罐(9)中的两相流介质的均匀性，防止沉淀或不均匀。两相流试验泵(17)、电机(20)固定于试验泵安装固定基座(21)上，启动两相流试验泵(17)，该试验从混合罐(9)内部吸入两相流介质，进入橡胶波纹管(6)，流经法兰(5)，两相流介质沿管路流动至观望镜(14)处，通过观望镜(14)可以观察到管路内部的流动情况，由泵进口压力传感器(3)和出口压力传感器(2)测量压力的大小，在该处由过滤滤网(1)的过滤作用将杂质过滤，防止传感器堵塞，保证实验的准确性。两相流介质进入试验泵(17)，此处联轴器(19)与电机(20)相连，并通过转速转矩仪(18)测量两相流试验泵(17)的转速和扭矩，进而可得泵的功率。固液两相流介质经过试验泵打出后，由系统流量采集装置(16)可测量泵的流量，流量调节装置(11)改变介质流量，实现不同流量工况下的试验，该循环回路中两相流介质最终沿着管路进入混合罐(9)内部。

两相流循环泵(12)持续地从混合罐(9)中部吸入两相流介质，在流量调节装置(11)处改变介质流量，并将其打入混合罐(9)内，使试验连续进行，采用计算机数据采集系统可实时监控泵的性能(即泵的扬程、流量、输入功率、效率等指标)。在完成规定的试验后，可停止试验，将试验泵过流部件拆开，采用称重法对叶轮和泵体等部件分别进行称重，定量分析泵过流部件磨损量与泵性能的关系，确定耐磨试验结果的评价指标；也可通过三维逆向成型技术将磨损后过流部件再次三维成型，深入分析叶轮、泵体及前后盖板等不同部分的磨损量及其规律，定量分析不同部位的磨损程度。

流量调节装置，请参见附图2，偏心轮(26)固定于支撑板(22)内部，其旋转中心的位置不改变。两相流介质流经橡胶软管时通过手轮(27)调节偏心轮(26)的旋转角度，偏心轮(26)推动随动板(25)从而带动调节杆(24)、弹性板(23)运动，从而弹性板(23)挤压橡胶软管(6)，软管发生弹性变形改变两相流的过流面积，从而快速地实现了对两相流流量的调节，当偏心轮(26)旋转到一定位置时可以实现对整个回路的节流。

试验泵进口管路的高度调节装置，请参见附图3，吸入高度调节机构(10)由支架(13)支撑，垫片(29)增大接触面积，避免了螺杆(30)与支架(13)连接的损坏。通过高度调节手轮(28)的旋转带动螺杆(30)旋转，在连接件(31)处将螺杆(30)的旋转运动变为垂直方向的运动，从而改变调节杆(32)的垂直位置，进而改变进口法兰(3)的位置，实现对吸入口高度的调节。混合罐(9)内的位置不同，两相流介质的浓度不同。

两相流介质从混合罐(9)流出，通过闸阀(7)控制两相流介质流出的流量，从而该两相流介质进入沉淀箱(8)，实现两相流介质的回收利用。

在混合罐出口处通过取样法，测量出口处两相流介质的质量m、体积v，即由浓度公式m/v计算可得固体两相流的浓度。

Claims (5)

1.一种固液两相流泵耐久性试验装置，包括主回路、温度调节装置(4)、吸入高度调节机构(10)、固液两相流流量调节装置(11)以及两相流循环回路组成，所述主回路与固液两相流流量调节装置(11)通过法兰(5)连接，主回路与两相流循环回路也是通过法兰(5)相连接，吸入高度调节机构(10)焊接于固液两相流流量调节装置(11)之上；其特征在于所述固液两相流流量调节装置(11)内置凸轮为圆形偏心轮，通过手轮(27)调节偏心轮(26)的旋转角度来挤压橡胶软管(6)，橡胶软管(6)发生弹性变形改变渣浆的过流面积，橡胶软管(6)两端流场变化均匀、中部可节流，实现渣浆流量调节和节流的作用；吸入高度调节机构(10)由两种元件连接在一起，通过调节两者间的相对位置关系调节高度；温度调节装置(4)通过焊接散热片实现温度的调节。

2.如权利要求1所述的固液两相流泵耐久性试验装置，其特征在于吸入高度调节机构(10)为螺纹连接且通过连接元件(31)将螺杆(30)的旋转运动转化为竖直方向的运动。

3.如权利要求1所述的固液两相流泵耐久性试验装置，其特征在于温度调节装置(4)的散热片焊接于混合罐(9)外面，散热片为铝合金散热片，实现自然冷却散热。

4.如权利要求1所述的固液两相流泵耐久性试验装置，其特征在于在主回路压力测量处引出一段管路，管路中置入过滤网片(1)以过滤部分两相流杂质从而防止压力传感器(2)发生堵塞，保证实验的正常进行。

5.一种固液两相流泵耐久性试验方法，通过两相流自动沉降分层作用，可在不同位置获得不同浓度的两相流，方便快速获得不同浓度的两相流渣浆；通过设计固液两相流泵进口压力采集装置(3)、出口压力采集装置(2)实现泵压力实时监控和采集，并通过称重或逆向三维重现技术分析叶轮和泵体等过流部件的磨损量与性能的关系。

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