CN104455898B - 一种具有轴向伸缩调节功能的管路压力自主平衡器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有轴向伸缩调节功能的管路压力自主平衡器，该方法的特征为：由上游侧管段和下游侧管段两部件构成了一个嵌套式的柔性结构，上述两部件的重叠部分构成了两个沿水流方向的隔离密闭压力作用腔，压力作用腔活塞与下游侧管段的作用面积相等。将上游侧管段的压力引入下游侧的隔离密闭压力作用腔中，则下游侧的隔离密闭压力作用腔内就会在活塞上产生一个与模型试验装置上受到的水作用力大小相同的反向平衡作用力，从而保证了作用在模型试验装置上的水压作用力为零。同时，通过向一侧的隔离密闭压力作用腔中注入带压流体，就可以使活塞在该隔离密闭压力作用腔中压力作用下带动下游侧管段沿轴线方向伸缩。

Description

一种具有轴向伸缩调节功能的管路压力自主平衡器

技术领域：

本发明涉及一种具有轴向伸缩调节功能的管路压力自主平衡器。

背景技术：

随着水力机械模型试验台测量精度和试验能力的不断提高，试验水头呈现不断提高的趋势，而模型试验装置对试验过程中自身的位置要求则更加趋于严格。而对于像水力机械模型试验台上的与模型试验装置连接的上游高压直管路这种类似于直管路存在急剧变向或更有甚者存在封闭盲端的情况，仅仅靠水力机械试验台本身的刚度和施加外部支撑来阻止模型装置在试验水头的作用下产生不应有的位移是不经济和非常困难的，有些情况下也是不可能实现的。

同时,对于水力机械模型试验台而言,上游高压直管路的位置会随着不同模型装置外形和连接形式的差异而发生变化,特别是上游高压直管路的长度会随之发生变化。水力机械模型试验台上游高压直管路与模型试验装置连接过程中存在一个能够完成沿上游高压直管路中心线轴向伸缩调节功能的柔性结构单元对于保证水力机械模型试验台与模型装置的安装精度是非常必要的。

再者，为保证水力机械模型试验台上游高压直管路侧来流条件良好，应尽可能保证上游高压直管路流道光滑顺畅，减少连接部件数。

有鉴于此，有必要开发一种在水力机械模型试验台上游高压直管路上同时具有平衡由于试验水头作用在上游高压直管路投影面积上产生的轴向作用力和轴向伸缩调节功能的机构，从而从根本上保证模型试验装置不会因上述作用力的作用而产生不应有的位移且上游高压直管路流道光滑顺畅。

发明内容：

本发明要解决的技术问题是针对水力机械模型试验台上游高压直管路这种类似于直管路存在急剧变向或封闭盲端的情况，提供一种具有轴向伸缩调节功能的管路压力平衡器。

本发明的技术方案是：.由上游侧管段(1)和下游侧管段(2)两部件构成了一个嵌套式的柔性结构，通过上游侧管段(1)上游侧法兰和下游侧管段(2)下游侧法兰与水力机械模型试验台上游高压直管路连接在一起，上游侧管段(1)和下游侧管段(2)的重叠部分构成了沿水流方向的上游隔离密闭压力作用腔(4)和下游隔离密闭压力作用腔(5)，带有第一阀门(9)的上游隔离密闭压力作用腔(4)通过上游侧密封(7)和下游隔离密闭压力作用腔(5)通过下游侧密封(8)实现了与外部的密封隔离,下游侧管段(2)上的活塞(6)通过活塞密封(11)将上游隔离密闭压力作用腔(4)和下游隔离密闭压力作用腔(5)隔离开,活塞(6)在下游隔离密闭压力作用腔(5)中的环形作用面积与下游侧管段(2)的作用面积相等，引压管(3)将上游侧管段(1)与下游隔离密闭压力作用腔(5)通过第二阀门(10)连通在一起，当试验管路产生压力时，第一阀门(9)处于开启状态，使上游隔离密闭压力作用腔(4)与大气相通且第二阀门(10)处于开启状态，保证引压管(3)将上游侧管段(1)内的试验管路水压力引至下游隔离密闭压力作用腔(5)中，从而产生一个始终与模型试验装置受到的水作用力相等且方向相反的水作用力，而通过向上游隔离密闭压力作用腔(4)和下游隔离密闭压力作用腔(5)中注入带压流体即可实现上游高压直管路长度沿轴向伸缩调节的功能。

工作原理：

当水力机械模型试验台开始试验时，模型试验装置会受到一个由水压力引起的方向指向下游侧的水作用力,该作用力的大小为上游高压直管路中的压力与管路面积的积。由本发明的上游侧管段将水力机械模型试验台上游高压直管路中的压力引入下游侧的隔离密闭压力作用腔中，由于此时下游侧管段与下游侧的隔离密闭压力作用腔的压力相同，只要下游侧的隔离密闭压力作用腔的作用活塞的面积与下游侧管段的作用面积相等，且考虑到模型试验装置受到的水作用力等于下游侧管段的作用面积与下游侧管段压力的积，则具有轴向伸缩调节功能的管路压力平衡器下游侧的隔离密闭压力作用腔内就会在活塞上产生一个与模型试验装置上受到的水作用力大小相同的反向平衡作用力，上述两个作用力在水力机械模型试验台上游高压直管路中心线上的合力为零，从而从理论上保证了作用在模型试验装置上的由试验水头引起的水力机械模型试验台上游高压直管路上的水压作用力为零。

而当水力机械模型试验台重新更换模型试验装置时，通过向具有轴向伸缩调节功能的管路压力平衡器的一侧隔离密闭压力作用腔中注入带压流体，使活塞在该隔离密闭压力作用腔中压力作用下带动下游侧管段沿水力机械模型试验台上游高压直管路轴线方向向未注入带压流体的隔离密闭压力作用腔方向运动，从而实现了在安装不同外形尺寸的模型试验装置时，水力机械模型试验台上游高压直管路具有轴向伸缩调节功能的目的。

技术效果：

由于受到由水压力引起的方向指向下游侧的水作用力使模型试验装置具有向下游侧运动的趋势，为保证模型试验装置不致因上述原因发生较大的位置偏差，业内一般都采用在模型试验装置下游侧加装机械支撑的方式来实现。随着目前对模型试验水头的要求从过去的0.2～0.3MPa上升至0.6MPa甚至更高，模型试验装置上所受到的水作用力也会相应地增大2～3倍，这就给传统的机械支撑的设计和布置以及对将上述机械支撑上的力传递到基础上的受力结构提出了更高的要求，对于按照传统理念设计的水力机械模型试验台而言，满足上述所有要求是相当困难的，有时甚至无法实现。

如果采用本发明所公开的的一种具有轴向伸缩功能的管路压力自主平衡器的话，就不会发生传统的水力机械模型试验台由于试验压力的提高导致的模型试验装置位置精度无法保证的问题。

采用本发明公开的一种具有轴向伸缩功能的管路压力自主平衡器，不仅传统的水力机械模型试验台上为保证模型试验装置位置偏差采用在模型试验装置下游侧加装的机械支撑部件全部都可以省略，更重要的是，不论水力机械模型试验台试验水头如何变化，利用本发明下游侧的隔离密闭压力作用腔内自动在活塞上产生一个与模型试验装置上受到的水作用力大小相同的反向平衡作用力且上述两个作用力在水力机械模型试验台上游高压直管路中心线上的合力为零的特点，从理论上保证了作用在模型试验装置上的由试验水头引起的水力机械模型试验台上游高压直管路上的水压作用力为零，也就从根本上解决了传统的水力机械模型试验台由于试验压力的提高导致的模型试验装置位置精度无法保证的问题。

由于不同模型装置外形和连接形式的差异，水力机械模型试验台上游高压直管路的长度也要求能够随之在轴线方向上快速、灵活地变化。传统的解决方式是在水力机械模型试验台上游高压直管路上安装一台伸缩节。水力机械模型试验台上游高压直管路上采用过的伸缩节大致上可分为两类：一类为波纹管式伸缩节，另一类为套管式伸缩节。波纹管式伸缩节由金属波纹管制成，能够沿轴线方向伸缩，也可以少量弯曲。但由于波纹管会影响上游高压直管路中水流的流动状态且其寿命较短，目前已经很少在水力机械模型试验台上采用。目前在水力机械模型试验台上比较常见的为套管式伸缩节。套管式伸缩节由能够做轴向相对运动的内外套管组成，内外套管之间采用填料函密封。在试验压力比较低时，套管式伸缩节能够满足水力机械模型试验台的试验要求。但随着试验压力的提高，套管式伸缩节填料函式密封经轴向移动后密封性较差和对其两端装设的导向支架的推力较大的缺点就很明显地显现出来了。

采用本发明公开的一种具有轴向伸缩功能的管路压力自主平衡器后，由于下游侧管段的管径与水力机械模型试验台上游高压直管路的管径相同，从而保证了水力机械模型试验台上游高压直管路能够具有足够长的平直管路段，使模型装置来流管路中的流动状态能够尽可能满足无穷远处有势流动的来流条件，也就解决了波纹管式伸缩节干扰来流流动状态的问题。同时，由于本发明公开的一种具有轴向伸缩功能的管路压力自主平衡器将作用在套管式伸缩节导向支架上的沿管路中心线方向作用在模型装置上的外力转化为作用在下游侧管段作用活塞上的内力，从而从根本上解决了套管式伸缩节导向支架受力较大的问题。另外，本发明公开的一种具有轴向伸缩功能的管路压力自主平衡器上的上游侧密封、下游侧密封和活塞密封均采用了主要用于静密封和往复运动密封的“O”型密封圈，由于“O”型密封圈密封作用好，具有很强的自补偿能力，特别是随着工作压力的增加，上述特点更加突出，从而成功地克服了套管式伸缩节填料函密封经轴向移动后密封性变差的缺点。

附图说明：

图1为本发明的结构剖视图

具体实施方式：

如图1所示，一种具有轴向伸缩调节功能的管路压力平衡器由上游侧管段1和下游侧管段2两部件构成了一个嵌套式的柔性结构。本发明上游侧管段1和下游侧管段2两部件的重叠部分构成了沿水流方向的上游隔离密闭压力作用腔4和下游隔离密闭压力作用腔5，上游隔离密闭压力作用腔4通过上游侧密封7实现了与水力机械模型试验台上游高压直管路内部水压力的隔离,下游隔离密闭压力作用腔5通过下游侧密封8实现了与外部大气的隔离,下游侧管段2上的活塞6通过活塞密封11将上游隔离密闭压力作用腔4和下游隔离密闭压力作用腔5隔离开,并能够沿上游高压直管路中心线在上述两个隔离密闭压力作用腔内运动。

当水力机械模型试验台开始试验时，下游侧管段2的作用表面的横截面积乘以该处的水压力即为上游高压直管路投影面积上产生的轴向作用力，方向为水流下游侧方向。此时，第一阀门9处于开启状态，上游隔离密闭压力作用腔4与大气相通；第二阀门10处于开启状态，通过引压管3将上游侧管段1内的水压力引至下游隔离密闭压力作用腔5中。下游隔离密闭压力作用腔5中的活塞6就会产生一个方向为水流上游侧的水作用力，其大小为活塞6在下游隔离密闭压力作用腔5中的环形作用面积与上游侧管段1处水压力的乘积。由于活塞6在下游隔离密闭压力作用腔5中的环形作用面积与下游侧管段2的作用面积相等，且上游侧管段1与下游侧管段2处的水压力相等，考虑到模型试验装置受到的水作用力等于下游侧管段的作用面积与下游侧管段压力的积，则在下游隔离密闭压力作用腔5中活塞6上产生的水作用力就始终与模型试验装置受到的水作用力相等且两个力方向相反,从而实现了作用在模型试验装置上的由试验水头引起的水力机械模型试验台上游高压直管路上的水压作用力为零自主平衡的目的。

而当水力机械模型试验台重新更换模型试验装置需要上游高压直管路长度沿轴向进行伸缩调节时，通过向上游隔离密闭压力作用腔4和下游隔离密闭压力作用腔5中注入带压流体即可实现。当上游高压直管路长度需要向上游侧伸缩时，只需第一阀门9处于开启状态，使上游隔离密闭压力作用腔4通大气，引压管3与上游侧管段1分离，通过引压管3和处于开启状态的第二阀门10向下游隔离密闭压力作用腔5中注入带压流体使活塞6带动下游侧管段2向上游侧运动，就实现了上游高压直管路长度向上游侧伸缩的调节功能；而当上游高压直管路长度需要向下游侧伸缩时，只需第二阀门10处于开启状态，使下游隔离密闭压力作用腔5通大气状态，通过处于开启状态的第一阀门9向上游隔离密闭压力作用腔4中注入带压流体，使活塞6带动下游侧管段2向下游侧运动，就实现了上游高压直管路长度向下游侧伸缩的调节功能。

Claims (1)

1.一种具有轴向伸缩调节功能的管路压力自主平衡器，其特征是：由上游侧管段(1)和下游侧管段(2)两部件构成了一个嵌套式的柔性结构，通过上游侧管段(1)上游侧法兰和下游侧管段(2)下游侧法兰与水力机械模型试验台上游高压直管路连接在一起，上游侧管段(1)和下游侧管段(2)的重叠部分构成了沿水流方向的上游隔离密闭压力作用腔(4)和下游隔离密闭压力作用腔(5)，带有第一阀门(9)的上游隔离密闭压力作用腔(4)通过上游侧密封(7)和下游隔离密闭压力作用腔(5)通过下游侧密封(8)实现了与外部的密封隔离,下游侧管段(2)上的活塞(6)通过活塞密封(11)将上游隔离密闭压力作用腔(4)和下游隔离密闭压力作用腔(5)隔离开,活塞(6)在下游隔离密闭压力作用腔(5)中的环形作用面积与下游侧管段(2)的作用面积相等，引压管(3)将上游侧管段(1)与下游隔离密闭压力作用腔(5)通过第二阀门(10)连通在一起，当试验管路产生压力时，第一阀门(9)处于开启状态，使上游隔离密闭压力作用腔(4)与大气相通且第二阀门(10)处于开启状态，保证引压管(3)将上游侧管段(1)内的试验管路水压力引至下游隔离密闭压力作用腔(5)中，从而在下游隔离密封压力作用腔(5)中的活塞(6)上产生一个始终与模型试验装置受到的水作用力相等且方向相反的水作用力，而通过向上游隔离密闭压力作用腔(4)和下游隔离密闭压力作用腔(5)中注入带压流体即可实现上游高压直管路长度沿轴向伸缩调节的功能。