CN106050684A - 一种离心泵内粗颗粒固液两相流高速摄影拍摄试验台 - Google Patents

Abstract

本发明属于泵试验装置相关领域，公布了一种离心泵内粗颗粒固液两相流高速摄影拍摄试验台。该试验台由固液两相流循环回路、供水回路和三维高速摄影拍摄系统组成。固液两相流循环回路由两相流离心泵、出口闸阀、三通管Ⅰ、滤网、三通管Ⅱ、漏斗、三通管Ⅲ和颗粒定向滤网等组成。供水回路由储水箱和进口闸阀等组成。三维高速摄影拍摄系统由计算机控制系统、LED灯Ⅰ、高速摄像机Ⅰ、LED灯Ⅱ和高速摄像机Ⅱ等组成。本发明不仅能方便地实现颗粒的加入和回收及颗粒浓度的配置，而且还大大减少了试验所需颗粒数和管路中的含气量，提高高速摄影可视化拍摄的质量，同时还能保证颗粒的精确定向流入叶轮，有利于拍摄结果的科学对比和分析。

Description

一种离心泵内粗颗粒固液两相流高速摄影拍摄试验台

技术领域

本发明提供一种离心泵内粗颗粒固液两相流高速摄影拍摄试验台，属于泵试验装置相关领域。

背景技术

粗颗粒泵送系统广泛应用于城市污水处理、深海采矿、泥沙清淤和水力采煤等领域。由于粗颗粒物理特性与流体的差别较大，使得粗颗粒泵送系统中两相流泵普遍存在效率低、磨损严重及易堵塞等问题，严重影响到了泵送系统的运行可靠性。当前有关粗颗粒固液两相流泵研究还相当缺乏。因此，为了能给粗颗粒两相流泵的设计提供理论依据，急需开展泵内粗颗粒固液两相流动规律的可视化研究。

经检索，与本发明相关的专利有“一种用于固液两相流输送试验大颗粒加入方法及装置(公开号：102381564A)”。该发明专利通过在储液罐里加装颗粒漏斗和颗粒注入管路实现颗粒浓度的控制及颗粒的注入和回收；但该颗粒漏斗装在储液罐内给颗粒的注入及回收带来不便，当颗粒密度小于水的密度时颗粒物极易漂浮到储液罐内使得颗粒的浓度变得不准确，并且两相混合物回收管路与漏斗直连易在漏斗内形成“射流与卷吸”效应，将气泡带入管路中来，从而极大地影响两相流泵内颗粒运动规律的可视化拍摄。

相关的文献有农业机械学报《离心泵内固液两相流动的图像测量》(2006年第12期)。该文基于高速摄影技术对离心泵叶轮内的固液两相流动进行了图像测量，获得了不同密度颗粒的运动轨迹及其分布规律；但该方法只获取了单个流道内颗粒的二维运动规律，且试验用的颗粒粒径普遍较小；另外，试验中采用加稳流板来控制颗粒在水箱中的均匀性，这不仅增加了试验的成本，而且也使得操作更为复杂，同时也不能保证颗粒在同等条件下流入泵叶轮内，最终使得试验结果具有较大的随机性。

发明内容

本发明的目的是提供一种离心泵内粗颗粒固液两相流高速摄影拍摄试验台。传统的两相流试验台试验无法实现颗粒运动规律的科学比较，同时颗粒的加入、回收和浓度的调节也比较繁琐，且成本也较高。本发明通过在管路中加装三通管和漏斗、在叶轮进口安装颗粒定向滤网的方法来建立离心泵内粗颗粒固液两相流高速摄影拍摄试验台，不仅能够方便地加入和回收颗粒，快捷地调节浓度，而且能保证在进口条件基本一致的情况下比较颗粒运动规律，测试结果更有指导性。

本发明的具体方案如下：

一种离心泵内粗颗粒固液两相流高速摄影拍摄试验台由固液两相流循环回路、供水回路和三维高速摄影拍摄系统组成。

所述固液两相流循环回路由两相流离心泵、电磁流量计、出口闸阀、三通管Ⅰ、三通管Ⅱ、漏斗、三通管Ⅲ组成。

所述供水回路由储水箱和进口闸阀组成。

两相流离心泵的出口管路上依次设有电磁流量计、出口闸阀，出口闸阀和三通管Ⅰ的第一端口通过管路连接，三通管Ⅰ的第二端口通过管路与储水箱连接，储水箱的底部通过管路连接有进口闸阀，进口闸阀通过管路与三通管Ⅱ的第一端口连接，三通管Ⅱ的第二端口通过管路与两相流离心泵的进口连接；三通管Ⅰ的第三端口通过管路与三通管Ⅲ的第一端口连接，三通管Ⅲ的第二端口和第三端口置于漏斗中，漏斗的下端通过管路与三通管Ⅱ的第三端口连接。

所述试验台还包括出口压力变送器和进口压力变送器，所述出口压力变送器通过测压管连接在两相流离心泵出口和电磁流量计之间的管路上；所述进口压力变送器通过测压管接在两相流离心泵进口和三通管Ⅱ之间的管路上。

所述试验台还包括滤网，滤网装在所述三通管Ⅰ的第二端口处；

所述试验台还包括颗粒定向滤网，颗粒定向滤网通过扣环固定在两相流离心泵叶轮进口处，可实现颗粒在泵进口处的定向导入；

所述三维高速摄影拍摄系统由计算机控制系统、LED灯Ⅰ、高速摄像机Ⅰ、LED灯Ⅱ和高速摄像机Ⅱ组成；LED灯Ⅰ和LED灯Ⅱ以一定的角度错开放置给两相流离心泵打光，高速摄像机Ⅰ和高速摄像机Ⅱ连接到计算机控制系统用来捕获两相流离心泵内颗粒运动信息。

本发明所述的一种离心泵内粗颗粒固液两相流高速摄影拍摄试验台，在漏斗中添加颗粒，待管路中颗粒稳定后，试验台中固液两相流在三通管Ⅰ处分流，这其中少部分固液两相流中清水经滤网流到储水箱中，大部分固液两相流经三通管Ⅲ流入漏斗至三通管Ⅱ，并在三通管Ⅱ与来自储水箱的清水混合；混合后的固液两相流中颗粒在叶轮进口经颗粒定向滤网流入泵中，最后两相流离心泵把固液两相流输送至三通管Ⅰ，从而实现固液两相流的循环。固液两相流输送过程中，通过高速摄影拍摄系统中计算机控制系统控制高速摄像机Ⅰ和高速摄像机Ⅱ同步拍摄获得两相流离心泵内颗粒运动状态。

本发明所述的一种离心泵内粗颗粒固液两相流高速摄影拍摄试验台，其固液两相流循环回路中两相流离心泵的过流部件，包括叶轮、蜗壳(或导叶)和吸水室，均采用有机玻璃加 工，以便于可视化拍摄。

本发明所述的一种离心泵内粗颗粒固液两相流高速摄影拍摄试验台，其固液两相流循环回路中颗粒的数目n，由整个固液两相流循环回路的体积V_g、颗粒等效直径d_s和颗粒体积分数C_v确定，

本发明所述的一种离心泵内粗颗粒固液两相流高速摄影拍摄试验台，其固液两相流循环回路中三通管Ⅲ的布置，既消除了直管连接时“射流卷吸”带入管路中的气泡，又改变了固液两相流流动的方向，提高了颗粒分布的均匀性；本发明所述的一种离心泵内粗颗粒固液两相流高速摄影拍摄试验台，其固液两相流循环回路中漏斗由厚度为3mm的不锈钢制作而成，漏斗窄的一端插入到管路中实现固定，漏斗的扩口段接收从三通管Ⅲ流出的固液两相流；放入和回收颗粒均在漏斗中完成，回收颗粒时在漏斗中放入一张筛网即可。

本发明所述的一种离心泵内粗颗粒固液两相流高速摄影拍摄试验台，其固液两相流循环回路中颗粒定向滤网，通过扣环固定在叶轮进口处，颗粒定向滤网由20目筛孔的筛网设计而成。

根据叶轮进口参数确定颗粒定向滤网上圆孔的数目n₁为：

当时，n₁＝12；

当时，n₁＝8；

当时，n₁＝4。

颗粒定向滤网上圆孔直径d_k为：所述

颗粒定向滤网上各个圆孔圆心所在圆环直径d_t为：

式中：D_j为叶轮进口直径，d_B为叶轮进口泵轴直径，d_s0为试验中最大的颗粒粒径且C₀为圆孔直径系数，当D_j≤120mm时，C₀＝0.80；当120mm<D_j≤180mm时，C₀＝0.85；当D_j>180mm时，C₀＝0.90。

本发明的优点在于：

(1)建立了独立的固液两相流循环回路，大大减少了试验所需颗粒数，可以简单的确定 本实验所需的颗粒数目，有效记录颗粒的运动图像。

(2)通过漏斗及三通管的安装，既让颗粒的加入、回收及浓度的调节变得更加便捷，又降低了管路中的含气量，提高了颗粒运动图像的拍摄质量。

(3)通过在泵进口安装颗粒定向滤网，实现了颗粒在泵进口处的定向导入，使得测试结果更具可比性。

附图说明

图1为本发明所述的一种离心泵内粗颗粒固液两相流高速摄影拍摄试验台示意图。

图2为泵进口颗粒定向滤网安装示意图。

图3为漏斗主视图和俯视图。

图4为叶轮平面内12mm颗粒的相对运动轨迹。

附图标记说明：

1.两相流离心泵，2.出口压力变送器，3.电磁流量计，4.出口闸阀，5.三通管Ⅰ，6.滤网，7.储水箱，8.进口闸阀，9.三通管Ⅱ，10.漏斗，11.三通管Ⅲ，12.进口压力变送器，13.电机，14.扭矩仪，15.计算机控制系统，16.LED灯Ⅰ，17.高速摄像机Ⅰ，18.LED灯Ⅱ，19.高速摄像机Ⅱ，20.叶轮，21.叶轮叶片，22.叶轮进口，23.颗粒定向滤网。

具体实施方式

实施实例：

本发明所述的一种离心泵内粗颗粒固液两相流高速摄影拍摄试验台，各个工况下两相流泵的扬程H由泵进出口压力传感器(或压力表)测量得到，各个工况下泵的功率P由电测法(或扭矩法)测量得到，各个工况下泵的流量Q由泵出口管路系统上的电磁流量计(或涡轮流量计)测量得到，各个工况下泵的效率η由公式η＝(ρgQH)/P计算得到，其中ρ为两相流离心泵输送介质的密度，g为重力加速度，g＝9.8m/s²。

一比转速为110.7的悬臂式单级单吸双叶片两相流离心泵，其设计参数流量Q＝25.86m³/h、扬程H＝2.68m、转速n＝750r/min。

如图1，一种离心泵内粗颗粒固液两相流高速摄影拍摄试验台由固液两相流循环回路、供水回路和三维高速摄影拍摄系统组成。所述的一种离心泵内粗颗粒固液两相流高速摄影拍摄试验台，其固液两相流循环回路由双叶片两相流离心泵1、出口压力变送器2、电磁流量计3、出口闸阀4、三通管Ⅰ5、滤网6、三通管Ⅲ11、漏斗10、三通管Ⅱ9、进口压力变送器12和颗粒定向滤网23等组成。所述固液两相流循环回路中固液两相流在三通管Ⅰ5处分流，这其中少部分固液两相流中清水经滤网6流到储水箱7中，大部分固液两相流经三通管Ⅲ11流 入漏斗10至三通管Ⅱ9，并在三通管Ⅱ9与来自储水箱7的清水混合；混合后的固液两相流中颗粒在叶轮进口22同一位置经颗粒定向滤网23进入双叶片两相流离心泵1中。所述固液两相流循环回路中三通管Ⅲ11是三头内径均为90mm的塑料管。所述固液两相流循环回路中双叶片两相流离心泵1的叶轮20和蜗壳均由透明的有机玻璃制成，以便可视化拍摄。

所述的一种离心泵内粗颗粒固液两相流高速摄影拍摄试验台，其三维高速摄影拍摄系统中LED灯Ⅰ16和LED灯Ⅱ18及高速摄像机Ⅰ17和高速摄像机Ⅱ19均呈90度角摆放在双叶片两相流离心泵1两侧。

结合图2，颗粒定向滤网23由20目筛孔的筛网经过设计而成，通过扣环固定在叶轮进口22处；该双叶片两相流离心泵1的叶轮进口直径D_j＝90mm、叶轮进口22泵轴直径d_B＝40mm，最大颗粒直径d_s0＝15mm。由于故颗粒定向滤网23上圆孔的数目n₁＝4。由于D_j≤120mm，故圆孔直径系数C₀＝0.80，颗粒定向滤网23上各圆孔直径d_k为：故取d_k＝20mm；颗粒定向滤网23上各个圆孔圆心所在圆环直径d_t为：因而在所述颗粒定向滤网23中心开了直径为40mm的孔让泵轴穿过，并在同一半径处对称地设计了4个直径为20mm的圆孔来定向导入颗粒，在叶轮叶片21出口边做标记并给颗粒定向滤网23上设计的4个圆孔标号，这样可用来准确测定不同颗粒的运动规律。

结合图1和图3，由不锈钢加工而成的漏斗10放置在储水箱7的外部，双叶片两相流离心泵1正常运行时漏斗10和储水箱7内水位保持一致，水位需淹没三通管Ⅲ11并且在流量较大时水位还需略微升高，这样就能保证在加入和回收颗粒非常便捷的同时管路内不会出现气泡。

试验具体方法如下：

首先根据两相流试验的要求配置好不同粒径(10mm、12mm和15mm)的颗粒，将设计好的颗粒定向滤网23安装在双叶片两相流离心泵1叶轮进口22处，启动双叶片两相流离心泵1将泵内气体排干净，然后调节出口闸阀4使电磁流量计3显示的流量达到设计工况，均匀地把颗粒放入漏斗10，安装、启动并调节计算机控制系统15、LED灯Ⅰ16、高速摄像机Ⅰ17、LED灯Ⅱ18和高速摄像机Ⅱ19，直至计算机控制系统15内图像获取界面中的图像满意为止，调节出口闸阀4并收放颗粒获得不同颗粒的运动规律。

试验中固液两相流在三通管Ⅰ5处分流，这其中少部分固液两相流中清水经滤网6流到储水箱7中，大部分固液两相流经三通管Ⅲ11流入漏斗10至三通管Ⅱ9，并在三通管Ⅱ9与来自储水箱7的清水混合；混合后的固液两相流中颗粒在叶轮进口22同一位置经颗粒定向滤网23进入双叶片两相流离心泵1中，最后双叶片两相流离心泵1把固液两相流输送至三通管Ⅰ5，从而实现固液两相流的循环。固液两相流输送过程中，通过高速摄影测量系统扑捉获得不同条件下双叶片两相流离心泵1内颗粒运动轨迹、颗粒瞬态碰撞及速度等颗粒运动信息。流量Q＝25.86m³/h、转速n＝750r/min时，双叶片两相流离心泵1叶轮平面内12mm颗粒的相对运动轨迹如图4所示。颗粒需要回收时在漏斗10中放置好筛网即可回收所有颗粒。

通过计算机控制系统15实时监测泵的流量、扬程及效率等性能指标，设计工况下双叶片两相流离心泵1的扬程H由泵出口压力变送器2和进口压力变送器12测量得到，泵的功率P由扭矩法测量得到，泵的流量Q由泵出口管路系统上的电磁流量计3测量得到，双叶片两相流离心泵1的效率η由公式η＝(ρgQH)/P计算得到，其中ρ为双叶片两相流离心泵1输送介质的密度，g为重力加速度，g＝9.8m/s²。设计工况下双叶片两相流离心泵1外特性的结果为：H＝2.59m，P＝301.20W，η＝60.17％。

Claims (7)

1.一种离心泵内粗颗粒固液两相流高速摄影拍摄试验台，其特征在于，由固液两相流循环回路、供水回路和三维高速摄影拍摄系统组成；

所述固液两相流循环回路由两相流离心泵(1)、电磁流量计(3)、出口闸阀(4)、三通管Ⅰ(5)、三通管Ⅱ(9)、漏斗(10)和三通管Ⅲ(11)组成；

所述供水回路由储水箱(7)和进口闸阀(8)组成；

所述三维高速摄影拍摄系统由计算机控制系统(15)、LED灯Ⅰ(16)、高速摄像机Ⅰ(17)、LED灯Ⅱ(18)和高速摄像机Ⅱ(19)组成；

离心泵(1)的出口管路上依次设有电磁流量计(3)、出口闸阀(4)，出口闸阀(4)和三通管Ⅰ(5)的第一端口通过管路连接，三通管Ⅰ(5)的第二端口通过管路与储水箱(7)连接，储水箱(7)的底部通过管路连接有进口闸阀(8)，进口闸阀(8)通过管路与三通管Ⅱ(9)的第一端口连接，三通管Ⅱ(9)的第二端口通过管路与离心泵(1)的进口连接；所述三通管Ⅰ(5)的第三端口通过管路与三通管Ⅲ(11)的第一端口连接，三通管Ⅲ(11)的第二端口和第三端口置于漏斗(10)中，漏斗(10)的下端通过管路与三通管Ⅱ(9)的第三端口连接；

所述LED灯Ⅰ(16)和LED灯Ⅱ(18)以一定的角度错开放置给两相流离心泵(1)打光，高速摄像机Ⅰ(17)和高速摄像机Ⅱ(19)连接到计算机控制系统(15)用来捕获两相流离心泵(1)内颗粒运动信息。

2.根据权利要求1所述的一种离心泵内粗颗粒固液两相流高速摄影拍摄试验台，其特征在于，还包括出口压力变送器(2)和进口压力变送器(12)，所述出口压力变送器(2)通过测压管连接在两相流离心泵(1)出口和电磁流量计(3)之间的管路上；所述进口压力变送器(12)通过测压管接在离心泵(1)进口和三通管Ⅱ(9)之间的管路上。

3.根据权利要求1所述的一种离心泵内粗颗粒固液两相流高速摄影拍摄试验台，其特征在于，还包括滤网(6)和颗粒定向滤网(23)，所述滤网(6)装在所述三通管Ⅰ(5)的第二端口处；所述颗粒定向滤网(23)通过扣环固定在两相流离心泵(1)叶轮进口处。

4.根据权利要求1所述的一种离心泵内粗颗粒固液两相流高速摄影拍摄试验台，其特征在于，所述固液两相流循环回路中两相流离心泵(1)的过流部件，包括叶轮、蜗壳或导叶、吸水室，均采用有机玻璃加工，以便于可视化拍摄。

5.根据权利要求1所述的一种离心泵内粗颗粒固液两相流高速摄影拍摄试验台，其特征在于，所述固液两相流循环回路中颗粒的数目n，由整个固液两相流循环回路的体积V_g、颗粒等效直径d_s和颗粒体积分数C_v确定，

6.根据权利要求1所述的一种离心泵内粗颗粒固液两相流高速摄影拍摄试验台，其特征在于，所述固液两相流循环回路中漏斗(10)由厚度为3mm的不锈钢制作而成，漏斗(10)窄的一端插入到管路中实现固定，漏斗(10)的扩口段接收从三通管Ⅲ11流出的固液两相流；放入和回收颗粒均在漏斗(10)中完成，回收颗粒时在漏斗(10)中放入一张筛网即可。

7.根据权利要求1所述的一种离心泵内粗颗粒固液两相流高速摄影拍摄试验台，其特征在于，

(1)颗粒定向滤网23上圆孔的数目n₁为：

当时，n₁＝12；

当时，n₁＝8；

当时，n₁＝4；

(2)颗粒定向滤网23上圆孔直径d_k为：所述d_k>d_s0；

(3)颗粒定向滤网23上各个圆孔圆心所在圆环直径d_t为：

式中：D_j为叶轮进口直径，d_B为叶轮进口泵轴直径，d_s0为试验中最大的颗粒粒径且d_s0＝max{d_s1,d_s2,…,d_s(k-1),d_sk}，C₀为圆孔直径系数，当D_j≤120mm时，C₀＝0.80；当120mm<D_j≤180mm时，C₀＝0.85；当D_j>180mm时，C₀＝0.90。