CN103712784A - 阀门、气动装置负载性能与喷水水动力学特性检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阀门、气动装置负载性能与喷水水动力学特性检测装置，包括补水系统、带压蓄水罐，补水系统通过输入管路与所述带压蓄水罐连接，并且该带压蓄水罐上带有排水管路、供气管路和排气管路；该检测装置还包括供水管路和模拟喷水装置，供水管路连接所述带压蓄水罐和所述模拟喷水装置，待测阀门安装在所述供水管路上，供水管路为“U”形，待测阀门前后供水管路采用变径管过渡；模拟喷水装置包括均压器、进水引管、喷嘴阵列、喷嘴安装法兰；在带压蓄水罐罐体或罐端盖、模拟喷水装置的均压器、阀前的供水管路的直管段设置均设有压力测点。本发明可用于检测大型阀门和气动装置模拟实际负载工况下的响应特性和工作特性。

Description

阀门、气动装置负载性能与喷水水动力学特性检测装置

技术领域

本发明涉及火箭发射领域，尤其涉及一种阀门、气动装置负载性能与喷水水动力学特性检测装置。 

背景技术

阀门与气动装置的工作性能（如阀门流阻、阀门密封特性、气动装置输出力矩等）是衡量阀门与气动装置产品质量的关键指标，阀门与气动装置制造厂家均需在出厂时标识阀门与气动装置的工作性能。目前限阀门与气动装置制造厂家试验能力及试验经费限制，主要标识阀门与气动装置空载试验性能参数，或者标识为阀门与气动装置性能计算参数，一些情况下阀门与气动装置仅标识密封等级、工作压力、额定扭矩推算值，在很大情况下由于阀门主要用途为截止密封功能，气动装置用途为执行启闭阀门功能，用户可以基于这些参数选择配套相应性能的阀门与气动装置。 

但是，对于执行动作响应要求严格的使用环境，如执行快速响应动作的特殊技术领域（如消防与火箭发射技术领域），阀门与配套气动装置各自负载（也称带载）工作性能及负载匹配工作性能不能仅简单地依托工程估算或试验外推方法确定，必须通过严格的专业试验检测条件确定。 

现有技术中，具备通径DN450以下阀门负载工作性能综合检验装置，但不具备DN450以上阀门负载工作性能综合检验装置，一些厂家也仅具备无背压条件的DN450以上阀门瞬间开启特性检验装置。大型阀门配套气动装置与此客观情况相对对应，只能基于估算扭矩等参数开展模拟试验，大型阀门与气动装置匹配条件下的具体负载性能仍然缺乏评估条件。因此，需要开发一套能够评估大型阀门与气动装置匹配负载性能的检测装置。 

大流量喷水技术目前已经在工业很多部门得到应用。评价大流量喷水技术很重要的一项工作是评价大流量喷水水动力学特性（如喷水推进规律、空间雾化特性、水射流之间干涉效应等），但现有技术中尚没有评估大流量喷水水动力学特性检测装置。 

发明内容

本发明的目的是提供一种既能评估大型阀门与气动装置匹配负载性能的检测装置，也能评估大流量喷水水动力学特性的检测装置，即大型阀门、气动装置负载性能与大流量喷水水动力学特性综合检测装置。 

上述目的是通过下述方案实现的： 

一种阀门、气动装置负载性能与喷水水动力学特性检测装置，其特征在于，所述检测系统包括补水系统、带压蓄水罐，所述补水系统通过输入管路与所述带压蓄水罐连接，并且该带压蓄水罐上带有排水管路、供气管路和排气管路；该检测装置还包括供水管路和模拟喷水装置，所述供水管路连接所述带压蓄水罐和所述模拟喷水装置，待测阀门安装在所述供水管路上，所述供水管路为“U”形，所述待测阀门前后供水管路采用变径管过渡；所述模拟喷水装置包括均压器、进水引管、喷嘴阵列、喷嘴安装法兰；在所述带压蓄水罐罐体或罐端盖上设置压力测点，在模拟喷水装置的均压器设置压力测点，在阀前的供水管路的直管段设置压力测点，在待测阀门轴销上安装扭矩传感器，在气动装置回转轴销或拨叉上安装角位移传感器或角速度传感器，在气动装置进出口端管路上设置压力测点，在气动装置控制阀门进气段、排气段管路设置压力或流量测点。

    根据上述的检测装置，其特征在于，所述喷嘴阵列为单排喷嘴阵列或前后两排交错排列的喷嘴阵列。 

    根据上述的检测装置，其特征在于，在模拟喷水装置的喷嘴处压力测点，喷嘴处的压力测点安放压力传感器后组成压力传感器阵列。 

    根据上述的检测装置，其特征在于，在紧邻阀门安装法兰附近的供水管路某一截面上按周向布置均布的阵列压力传感器。 

根据上述的检测装置，其特征在于，在“U”形供水管路水平段按介质流动方向均布的阵列压力传感器。 

    根据上述的检测装置，其特征在于，在喷嘴处压力测点处安置示踪仪。 

根据上述的检测装置，其特征在于，在喷水高度方向、推进方向、横向均布矩形栅格网，在矩形栅格网外围一定距离与角度内设有摄影机或摄像机。 

本发明的有益效果： 

（1）基于本发明能够便捷地检测阀门在流体介质负载作用下的流阻系数、开启关闭扭矩等工作特性；

（2）基于本发明能够便捷地检测气动装置模拟实际负载工况下的响应特性和工作特性；

（3）基于本发明能够便捷地检测阀门和气动装置在负载工况下的综合工作特性，并可用于阀门、气动装置的可靠性试验检测；

（4）基于本发明能够便捷地检测喷水特别是大流量喷水水动力学特性。

附图说明

图1是本发明的大型阀门、气动装置带载性能及大流量喷水水动力学特性综合检测系统方案的整体结构示意图； 

图2是试验系统供输及控制原理图；

图3是阀门与气动装置带载工作特性综合测试方案示意图；

图4是均压型喷水装置的一种结构示意图；

图5是图4的俯视图；

图6是均压型喷水装置“二”型错位喷嘴阵列示意图；

图7是阀门附近管路上均布的阵列压力传感器示意图；

图8是示踪仪安放示意图；

图9是喷水水团前进轨迹及范围定位栅格网正视图；

图10是喷水水团前进轨迹及范围定位栅格网俯视图。

具体实施方式

参见图1-图3，本发明的一种阀门、气动装置负载性能与喷水水动力学特性检测装置包括补水系统1、带压蓄水罐4，补水系统1通过输入管路与带压蓄水罐4连接，并且带压蓄水罐4上带有排水管路11、供气管路和排气管路2；检测装置还包括供水管路17和模拟喷水装置16，供水管路17（供水管路主要由连接待测阀门、带压蓄水罐、模拟喷水装置的专用管路、配套法兰组成）连接带压蓄水罐4和模拟喷水装置16，待测阀门18安装在供水管路17上，待测阀门18前后供水管路采用变径管过渡；模拟喷水装置16包括均压器、进水引管、喷嘴阵列、喷嘴安装法兰；在带压蓄水罐4罐体或罐端盖上设置压力测点，在模拟喷水装置16的均压器设置压力测点，在阀前的供水管路的直管段设置压力测点，在待测阀门轴销上安装扭矩传感器，在气动装置回转轴销或拨叉上安装角位移传感器或角速度传感器，在气动装置进出口端管路上设置压力测点。 

补水系统1主要由水源12、蓄水设施13、输入管路组成，试验前向带压蓄水罐、阀门前后供水管路供水，提供所需水量。

带压蓄水罐4由带压蓄水罐罐体、上、下专用端盖3、8组成，试验过程中用于蓄水、带压充气以提供阀前水压条件及输水动力。 

输气系统9包括供气管路、减压阀、截止阀及气源，试验前参试阀门保持关闭状态，补气系统向充进一定水量的蓄水罐充气（参见图1的气体9），充气所需压力基于阀门前后压差条件确定。 

为模拟阀门初始工作负载背压条件，可将供水管路17特设成“U”形，从而供水管路17与模拟喷水装置16组合起来，利用水介质自重条件形成阀后初始背压条件。模拟初始工作状态阀前负载压力则直接设定输气系统输出压力。需要调节阀门背压、阀前压力条件时，调节阀后供水管路高度及输气系统输出压力即可；需要调节阀门前后压差条件时，可基于一定阀后背压条件匹配阀前输气系统输出压力。 

需要系统研究阀门流阻变化特性时，可在调节阀门前后压差条件基础上，进一步调节模拟喷水装置喷水流通面积（也即调节喷水节流效果）。调节模拟喷水装置喷水流通面积具体方法见后面说明内容。 

为适应不同口径阀门负载特性及流阻特性试验研究需求，临近阀门前后供水管路采用一定长度的变径（也称异径）管过渡，一般情况下采用大进口通径、小出口通径的变径过渡管方案，以较好地满足阀前压力保持要求。 

参考图4-图6，模拟喷水装置主要由均压器23、进水引管27、“二型”错位喷嘴阵列（如图所示前排喷嘴阵列24和后排喷嘴阵列25）、喷嘴安装法兰26组成，其中“二型”错位喷嘴阵列主要由前后两排喷嘴阵列构成，各排喷嘴之间等距布置，各阵列喷嘴结构形式一致。 

试验过程中，水流经进水引管进入均压器23后，由于均压器23起到均压、缓流的效果，可以比较均匀地分配各喷嘴流量，同时试验过程中，根据阀门工作状态阀门预设流量件选择数量及喷嘴直径，“二型”错位喷嘴阵列起到了控制喷水速度的作用，从而对经阀门流出的水流起到一定的阻碍、憋压作用，从而形成预期背压效果。 

如试验过程需要进一步调节背压，可通过改变喷嘴数量（如“二型”位喷嘴阵列变成“一型”位喷嘴阵列），或者更换不同直径喷嘴，或者改变喷嘴直径结合喷嘴数量的方法实现调节阀门工作状态背压的要求。 

下面描述短管条件下大口径阀门流量与流阻特性评估方案，参考图3和图4，在带压蓄水罐罐体或罐端盖上设置压力测点（也可利用连接蓄水罐的气路压力测点），测试罐内水压作为阀前压力，在模拟喷水装置均压器设置压力测点，测试模拟喷水装置均压器内压力作为阀后压力，由于本系统所用管段长度较小，管段口径较大，管路沿程损失较小，同时所测位置压力相对均匀，两者差值可作为阀门存在的压阻损失。 

当需要全面考虑阀门打开瞬间阀门前后附近局部瞬态压力变化时，参考附图3、附图7，可在紧邻阀门安装法兰附近管路均布压力传感器阵列28，阀门来流方向一侧法兰附近压力传感器充分反映来流压力瞬态变化规律及沿管路周向空间变化规律，阀门另一侧法兰附近压力传感器充分反映受阀门影响的压力瞬态变化规律及沿管路周向空间变化规律，从而可以评估阀门特殊实体结构存在的管路局部流阻的细节影响。 

如所需修正模拟喷水装置均压器的均压作用存在的局部流阻损失，可在模拟喷水装置16的均压器的进水引管设置压力测点，测试该测点压力与均压器测点压力差值，该差值即是所需局部流阻损失修正值。 

当需要确定阀门的局部流阻系数时，必须测定阀前来流速度。为此，在阀前供水管路的直管段设置压力测点，在该测点位置附近沿管路轴向布置线阵列压力传感器或压差计测试来压力损失，基于压力损失确定阀前来流速度，也可利用压力测点位置直接安放皮托测量计确定阀前来流速度。当来流速度确定后，基于局部流阻与来流动压关系即可确定阀门的局部流阻系数。 

确定来流速度确定后，基于阀门通径可以初步确定阀门动作过程中瞬态流量及流量系数。为进一步降低短管条件下速度不均匀的影响，有意在带压蓄水罐内设置动态水位计，利用水位计变化确定阀门动作过程中瞬态流量、流量系数；同时利用模拟喷水装置阵列喷嘴小口径条件下流量可测特点，在模拟喷水装置阵列喷嘴设置流量计，直接测试模拟喷水装置喷出流量来确定阀门动作过程中瞬态流量、流量系数。 

下面描述气动装置动作特性综合检测方案，参见图2、图3，首先基于气动装置19额定工作压力及安装接口，按照模拟工作状态配套必要供气系统，包括试验用换向阀（如电磁阀）、蓄能器、截止阀、蓄能器等。然后基于参试阀门与气动装置组合匹配条件，在阀门轴销上安装扭矩传感器测试试验过程气动装置动态输出扭矩，在气动装置回转轴销或拨叉上安装角位移传感器或角速度传感器测试气动装置回转轴销或拨叉动态角位移或角速度。进一步在气动装置进出口端管路上设置压力测点测试气动装置进出口管路动态气压条件。 

扭矩传感器直接测试了气动装置输出动态扭矩，配合测试信号时统记录，可以初步确定气动装置驱动带载阀门的动作响应时间。气动装置驱动带载阀门的动作响应时间进一步可以利用压力传感器测试压力变化数据及角位移变化数据复核复验。 

气动装置19气缸内活塞对缓冲击器或端盖的动态冲击功、冲击力基于上述压力测试及角位移或角速度测试确定。由于气缸直线刚体运动，气缸带动阀门转动时，推动活塞运动的缸杆相对阀门回转轴中心线距离一定，测定角位移或角速度后，可以确定气动装置气缸内活塞运动加速度、速度、行程及气缸容积随时间变化规律，则活塞对缓冲击器或端盖的动态冲击功可以计算。同时，由于压力测试确定了气动装置进出口段压力后，基于气动装置进出口尺寸及气缸容积，利用气动元器件孔口气流流动规律可以等效确定活塞前后驱动压力及背压条件，从而可以确定活塞冲击状态气流有效推力，进一步结合气缸内活塞运动加速度条件，则气动装置气缸内活塞对缓冲击器或端盖的动态冲击力可以确定。 

需要关注气动装置动作特性包络性范围时，可采用调控气动装置前方供气蓄能器不同状态工作压力条件的方法实现，必要时可组合匹配调节气动装置工作背压条件的方法实现。 

最后描述大流量喷水水动力学特性简易检测方案，参考图1-图3、图8-图10，大流量喷水条件下喷水初始速度可以利用喷嘴处压力测点测试喷水水压确定，当喷嘴直径较小时可直接利用流量计测试，该法适用于相对稳定喷水状态。对于水量有限且阀门启闭影响速度情况下，参考图8-图10，在喷嘴处压力测点处安置示踪仪29，利用示踪仪29滴漏的示踪剂（如普通墨水）配合预先配套设置的栅格网、摄影机（或摄像机）可以确定任意时刻喷水水团推进速度（含初始速度）。 

当大流量喷水条件下光学摄影机（或摄像机）自身标定的栅格网仍然难以相对准确定位喷水水团推进速度、轨迹及影响范围定位时，可特别配套高度方向、推进方向、横向均布矩形栅格网，以配合测定喷水水团推进速度、轨迹及影响范围定位。 

喷水水团的气阻特性确定一方面基于喷水装置喷嘴阵列处设置的压力传感器测试的初始压力，一方面基于上述喷水水团速度测定确定喷水水团残余动压，两者差值可以初步估算气阻影响。校核气阻时可在上述栅格网内选定一系列位置布置压力测试传感器（如皮托测量计）确定喷水水团残余动压。 

Claims (7)

1. 一种阀门、气动装置负载性能与喷水水动力学特性检测装置，其特征在于，所述检测系统包括补水系统、带压蓄水罐，所述补水系统通过输入管路与所述带压蓄水罐连接，并且该带压蓄水罐上带有排水管路、供气管路和排气管路；该检测装置还包括供水管路和模拟喷水装置，所述供水管路连接所述带压蓄水罐和所述模拟喷水装置，待测阀门安装在所述供水管路上，所述供水管路为“U”形，所述待测阀门前后供水管路采用变径管过渡；所述模拟喷水装置包括均压器、进水引管、喷嘴阵列、喷嘴安装法兰；在所述带压蓄水罐罐体或罐端盖上设置压力测点，在模拟喷水装置的均压器设置压力测点，在阀前的供水管路的直管段设置压力测点，在待测阀门轴销上安装扭矩传感器，在气动装置回转轴销或拨叉上安装角位移传感器或角速度传感器，在气动装置进出口端管路上设置压力测点，在气动装置控制阀门进气段、排气段管路设置压力或流量测点。

2. 根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述喷嘴阵列为单排喷嘴阵列或前后两排交错排列的喷嘴阵列。

3. 根据权利要求1或2所述的检测装置，其特征在于，在模拟喷水装置的喷嘴处压力测点，喷嘴处的压力测点安放压力传感器后组成压力传感器阵列。

4. 根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，在紧邻阀门安装法兰附近的供水管路某一截面上按周向布置均布的阵列压力传感器。

5.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，在“U”形供水管路水平段按介质流动方向均布的阵列压力传感器。

6.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，在喷嘴处压力测点处安置示踪仪。

7. 根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，在喷水高度方向、推进方向、横向均布矩形栅格网，在矩形栅格网外围一定距离与角度内设有摄影机或摄像机。

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