CN106224256A - 一种用于离心泵叶轮全流道的piv流场测试的实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于离心泵叶轮全流道的PIV流场测试的实验装置，包括带有叶轮腔的壳体，该叶轮腔内设有叶轮，叶轮处安装有泵轴，叶轮和壳体为透明材料制成，叶轮上开设有带内螺纹的盲孔，泵轴的轴端设有与盲孔螺纹配合的螺纹段，该螺纹段处设有与该内螺纹相配合的外螺纹；泵轴和叶轮间还设有用于阻止泵轴旋转退出盲孔的止逆单元。通过止逆单元保证泵轴采用解锁旋向时，阻止泵轴旋转退出盲孔。实验过程中，通过泵轴实现动力的传输，盲孔相对于传统的轴孔而言，盲孔不会贯穿叶轮，其孔深只是原来的极小部分，不会阻挡侧部入射的激光光路，保证激光光路的通畅，保证全流道观察时的清晰度，提高实验的精度和准确性。

Description

一种用于离心泵叶轮全流道的PIV流场测试的实验装置

技术领域

本发明涉及一种流场测试装置，尤其是一种用于离心泵叶轮全流道的PIV流场测试的实验装置。

背景技术

粒子图像测速技术(PIV)是近年发展起来的一种新型内部流动测试技术，它突破传统单点测量限制，可瞬时无接触测量流场中一个截面上的速度分布，并且有较高的测量精度，在诸如超声速射流、剪切层流动、超燃冲压内流以及诸如拐角流、尖劈附着激波和圆柱脱体激波等超声速流场测量中得到了很好的测量结果。由于PIV测量属于非接触式测量手段，不但具有不干扰流场的特点，而且精确度较高，更能够获得整个流场的流动情况。

目前，PIV测试技术已广泛应用于离心泵的内部流场研究。扬州大学硕士学位论文“离心泵内部流场PIV实验研究”、“半开式离心泵内部流场PIV实验研究”和中国矿业大学硕士学位论文“离心泵动静叶栅内流模拟及优化分析”均对离心泵内部流场进行了PIV测试。但是，由于他们的实验采用通孔叶轮，而离心泵的泵轴会反射或散射实验中的激光光路，从而影响测试的结果。申请公布号为CN102425550A的中国专利“可视内流场测试离心泵”中就公开了一种离心泵，该离心泵包括壳体、叶轮、导叶、主轴、支撑装置，其特征在于，壳体、叶轮、导叶为透明材料制成的；壳体固定在支撑装置上，壳体具有中空的引水室；叶轮位于壳体内，并且固定在主轴的一端；主轴穿过壳体和支撑装置，并由支撑装置上的轴承支撑。在泵盖外侧放置一个CCD相机，厚度约为1mm的片光源以垂直泵轴的方向入射叶轮腔内，利用示踪粒子对光的折射作用，记录下两次脉冲激光曝光时粒子的图像，得到两帧图片，图片上记录的是待测区域的粒子图像，通过后处理软件根据互相关算法，可以得到每个粒子在该极短时间内的位移，从而计算出该粒子的速度，最终得到整个速度场。但是，主轴和叶轮间的固定方式为传统的轴和轴孔的固定方式，即叶轮上开设有轴孔，该轴孔为通孔，而主轴整体穿过轴孔并通过螺母进行固定。而螺母和主轴并非透明结构，当通过透明的壳体对叶轮处流体进行拍摄时，主轴处的螺母将影响激光光路的通过，而且还影响照相机的拍摄效果，不利于保证实验的严谨性。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种结构简单，能避免螺母部件对壳体内流体观察时的干扰，能更好地满足全流道观察的用于离心泵叶轮全流道的PIV流场测试的实验装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于离心泵叶轮全流道的PIV流场测试的实验装置，包括带有叶轮腔的壳体，该叶轮腔内设有叶轮，叶轮处安装有泵轴，叶轮和壳体为透明材料制成，与泵轴轴线垂直的平面为横截面，所述叶轮上开设有带内螺纹的盲孔，所述泵轴的轴端设有与盲孔螺纹配合的螺纹段，该螺纹段处设有与该内螺纹相配合的外螺纹；

泵轴和叶轮间还设有用于阻止泵轴旋转退出盲孔的止逆单元。

本发明的有益效果是：叶轮上设置的盲孔结构用于固定泵轴，泵轴和盲孔间通过螺纹配合的方式实现相对固定，泵轴往一个方向旋转时，泵轴将进入并锁紧于盲孔内，该旋转方向为锁紧旋向；反之退出盲孔的旋向为解锁旋向。若泵轴采用解锁旋向进行转动时，容易造成泵轴和叶轮间的松脱，所以需要增加止逆单元，通过止逆单元保证泵轴采用解锁旋向时，阻止泵轴旋转退出盲孔，从而保证泵轴正转、反转都不影响实用装置的正常工作。实验过程中，通过泵轴实现动力的传输，盲孔相对于传统的轴孔而言，盲孔不会贯穿叶轮，其孔深只是原来的极小部分，不会阻挡侧部入射的激光光路，保证激光光路的通畅，保证全流道观察时的清晰度，提高实验的精度和准确性。

其中，泵轴上相邻螺纹段的部位设有止逆段，所述止逆单元包括有：凸设于止逆段周壁上的棘齿；叶轮盲孔处还开设有定位凹槽，该定位凹槽的横截面形状为非圆形结构；止逆段处还套设有止逆环，该止逆环的横截面形状与定位凹槽的横截面形状相一致、且卡设于定位凹槽内；止逆环的内壁处凸设有与所述棘齿相配合、且用于限制泵轴旋转退出盲孔的棘爪。止逆环内的棘爪和止逆段上的棘齿相配合，从而使得泵轴在止逆环内的单向旋转。即泵轴进入盲孔时的锁紧旋向与单向旋转方向相一致，而当泵轴退出盲孔时的解锁旋向恰遇止逆环的止逆方向相一致，而同时，止逆环卡设于定位凹槽内，从而在泵轴周向上保证止逆环和叶轮间的联动，使得泵轴依次通过棘齿、棘爪和止逆环后，将动力传递到叶轮上，并带动叶轮反向旋转。

定位凹槽的横截面形状为正六边形，正六边形结构类似六角螺母，相对制作工艺较为简单、成熟，而且正多边形的稳定性更好。

为了防止止逆环在振动中从定位凹槽内脱出，因此泵轴上还套设有与止逆环相抵靠、且用于限制止逆环退出定位凹槽的限位套，该限位套和泵轴间为过盈配合。

优选设置为，限位套为轴套。轴套本身是离心泵的必备结构，因此将轴套的结构进行改进，使其在泵轴轴向上抵靠止逆环，从而避免止逆环脱出，不仅减少了部件，而且方便安装和拆卸。

另一种实施方案，泵轴上相邻螺纹段的部位设有止逆段，所述止逆单元包括有：凸设于止逆段周壁上的棘齿；叶轮上盲孔所在侧还开设有定位凹槽；止逆段处还套设有止逆环，该止逆环上固定有与定位凹槽相配合、且插设于定位凹槽内的定位凸起；止逆环的内壁处凸设有与所述棘齿相配合、且用于限制泵轴旋转退出盲孔的棘爪。先将止逆环套设于泵轴上，然后使泵轴绕锁紧旋向进入盲孔，接着将止逆环靠近叶轮、并使止逆环上定位凸起卡入定位凹槽内，从而使得止逆环和叶轮保持相对静止且联动配合，通过定位凸起和定位凹槽的配合，实现泵轴在沿解锁旋向转动时，泵轴依次通过棘齿、棘爪、止逆环上定位凸起、叶轮上定位凹槽，将动力传递到叶轮上，并带动叶轮反向旋转。

进一步优选，泵轴上还套设有与止逆环相抵靠、且用于限制定位凸起退出定位凹槽的限位套，该限位套和泵轴间为过盈配合。

进一步优选，限位套为轴套。

附图说明

图1为本发明实施例一的结构示意图。

图2为图1的A部放大图。

图3为本发明实施例一叶轮的结构示意图。

图4为本发明实施例一泵轴和止逆环的装配图。

图5为本发明实施例一泵轴的主视图。

图6为本发明实施例一止逆环的结构示意图。

图7为本发明实施例一叶轮和泵轴的装配图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述：

实施例一：如图1～7所示，本实施例包括带有叶轮腔13的壳体1，壳体1包括泵体11和泵盖12，叶轮腔13开设于泵体11上，叶轮腔13内设有正对泵盖12的叶轮2，叶轮2处安装有泵轴3。叶轮2和壳体1均采用透明材料制成。其中，与泵轴3轴线垂直的平面为横截面。在叶轮2上开设有带内螺纹的盲孔21，泵轴3的轴端设有与盲孔21螺纹配合的螺纹段31，该螺纹段31处设有与该内螺纹相配合的外螺纹；在泵轴3上相邻螺纹段31的部位还设有止逆段32，止逆段32相对螺纹段31远离泵轴3的轴顶点。在泵轴3和叶轮2间还设有用于阻止泵轴3旋转退出盲孔21的止逆单元4，该止逆单元4包括有开设于叶轮2盲孔21开口处的定位凹槽41，该定位凹槽41的横截面形状为正六边形结构，在止逆段32的周壁处凸设有棘齿42，棘齿42环绕止逆段32轴向设置；在泵轴3的止逆段32还套设有止逆环43，该止逆环43的横截面形状与定位凹槽41的横截面形状相一致、且卡设于定位凹槽41内；在止逆环43的内壁处凸设有与棘齿42相配合、且用于限制泵轴3旋转退出盲孔的棘爪431。

叶轮2上设置的盲孔21结构用于固定泵轴3，泵轴3和盲孔21间通过螺纹配合的方式实现相对固定，泵轴3往一个方向旋转时，泵轴3将进入并锁紧于盲孔21内，该旋转方向为锁紧旋向；反之退出盲孔21的旋向为解锁旋向。止逆环43内的棘爪431和止逆段32上的棘齿42相配合，从而使得泵轴3在止逆环43内的单向旋转，该单向旋转方向与锁紧旋向相一致。其中，泵轴3进入盲孔21时的锁紧旋向与单向旋转方向相一致，而当泵轴3退出盲孔21时的解锁旋向恰遇止逆环43的止逆方向相一致，而同时，止逆环43卡设于定位凹槽41内，从而在泵轴3周向上保证止逆环43和叶轮2间的联动，使得泵轴3依次通过棘齿42、棘爪431和止逆环43后，将动力传递到叶轮2上，并带动叶轮2反向旋转。其中，定位凹槽41横截面形状除了采用正六边形结构外，只要采用非圆形结构即可，如三角形、矩形、不规则多边形等。

为了防止止逆环43在振动中从定位凹槽41内脱出，因此泵轴3上还套设有与止逆环43相抵靠、且用于限制止逆环43退出定位凹槽41的限位套44，该限位套44和泵轴3间为过盈配合。此处的限位套44可以采用轴套替代。

本发明中，若泵轴3采用解锁旋向进行转动时，容易造成泵轴3和叶轮2间的松脱，所以需要增加止逆单元4，通过止逆单元4保证泵轴3采用解锁旋向时，阻止泵轴3旋转退出盲孔21，从而保证泵轴3正转、反转都不影响实用装置的正常工作。实验过程中，在泵盖12外侧放置一个CCD相机，厚度约为1mm的片光源以垂直泵轴3的方向入射叶轮腔13内，利用示踪粒子对光的折射作用，记录下两次脉冲激光曝光时粒子的图像，得到两帧图片，图片上记录的是待测区域的粒子图像，通过后处理软件根据互相关算法，可以得到每个粒子在该极短时间内的位移，从而计算出该粒子的速度，最终得到整个速度场。通过泵轴3实现动力的传输，盲孔21相对于传统的轴孔而言，盲孔21不会贯穿叶轮2，其孔深只是原来的极小部分，不会阻挡侧部入射的激光光路，保证激光光路的通畅，保证全流道观察时的清晰度，提高实验的精度和准确性。

实施例二：与实施例一的区别在于止逆单元4的不同，本实施例中，止逆单元4包括有开设于叶轮2盲孔21所在侧还开设有定位凹槽，及凸设于止逆段32周壁上的棘齿42；在止逆段32处还套设有止逆环43，该止逆环43上固定有与定位凹槽相配合、且插设于定位凹槽内的定位凸起；止逆环43的内壁处凸设有与棘齿42相配合、且用于限制泵轴3旋转退出盲孔21的棘爪431。先将止逆环43套设于泵轴3上，然后使泵轴3绕锁紧旋向进入盲孔21，接着将止逆环43靠近叶轮2、并使止逆环43上定位凸起卡入定位凹槽内，从而使得止逆环43和叶轮2保持相对静止且联动配合，通过定位凸起和定位凹槽的配合，实现泵轴3在沿解锁旋向转动时，泵轴3依次通过棘齿42、棘爪431、止逆环43上定位凸起、叶轮2上定位凹槽，将动力传递到叶轮2上，并带动叶轮2反向旋转。

此处，定位凸起除了是柱状外，开可以是其他任意形状的凸起，其目的是用于实现止逆环43和叶轮2间绕轴向的相对静止。

Claims (8)

1.一种用于离心泵叶轮全流道的PIV流场测试的实验装置，包括带有叶轮腔的壳体，该叶轮腔内设有叶轮，叶轮处安装有泵轴，叶轮和壳体为透明材料制成，与泵轴轴线垂直的平面为横截面，其特征是：所述叶轮上开设有带内螺纹的盲孔，所述泵轴的轴端设有与盲孔螺纹配合的螺纹段，该螺纹段处设有与该内螺纹相配合的外螺纹；

泵轴和叶轮间还设有用于阻止泵轴旋转退出盲孔的止逆单元。

2.根据权利要求1所述的用于离心泵叶轮全流道的PIV流场测试的实验装置，其特征是，所述泵轴上相邻螺纹段的部位设有止逆段，所述止逆单元包括有：

凸设于止逆段周壁上的棘齿；

叶轮盲孔处还开设有定位凹槽，该定位凹槽的横截面形状为非圆形结构；

止逆段处还套设有止逆环，该止逆环的横截面形状与定位凹槽的横截面形状相一致、且卡设于定位凹槽内；止逆环的内壁处凸设有与所述棘齿相配合、且用于限制泵轴旋转退出盲孔的棘爪。

3.根据权利要求2所述的用于离心泵叶轮全流道的PIV流场测试的实验装置，其特征是：所述定位凹槽的横截面形状为正六边形。

4.根据权利要求1～3任意一项所述的用于离心泵叶轮全流道的PIV流场测试的实验装置，其特征是：所述泵轴上还套设有与止逆环相抵靠、且用于限制止逆环退出定位凹槽的限位套，该限位套和泵轴间为过盈配合。

5.根据权利要求4所述的用于离心泵叶轮全流道的PIV流场测试的实验装置，其特征是：所述限位套为轴套。

6.根据权利要求1所述的用于离心泵叶轮全流道的PIV流场测试的实验装置，其特征是：所述泵轴上相邻螺纹段的部位设有止逆段，所述止逆单元包括有：

凸设于止逆段周壁上的棘齿；

叶轮上盲孔所在侧还开设有定位凹槽；

止逆段处还套设有止逆环，该止逆环上固定有与定位凹槽相配合、且插设于定位凹槽内的定位凸起；止逆环的内壁处凸设有与所述棘齿相配合、且用于限制泵轴旋转退出盲孔的棘爪。

7.根据权利要求6任意一项所述的用于离心泵叶轮全流道的PIV流场测试的实验装置，其特征是：所述泵轴上还套设有与止逆环相抵靠、且用于限制定位凸起退出定位凹槽的限位套，该限位套和泵轴间为过盈配合。

8.根据权利要求7所述的用于离心泵叶轮全流道的PIV流场测试的实验装置，其特征是：所述限位套为轴套。