CN107014583B - 一种多功能两端开口压力振荡管测试平台 - Google Patents

Abstract

一种多功能两端开口压力振荡管测试平台，属于高、低压气体压力交换和冷热分离技术领域。该测试平台提供了一种兼顾管间影响、流场可测、管径管长可调、管型可变及可用于实际气体研究的多功能两端开口压力振荡管测试平台。它的主体由壳体、中心转轴、空腔转盘和两端开口压力振荡管四部分组成。可以够满足不同管径、管长、管型以及多管要求下的流场测试需要，为相关机理研究提供准确的数据，为优化相关结构、提高气波机性能提供依据，降低研究成本、缩短研究周期；可用于以天然气为介质的实验研究，为设计和优化用于天然气开采、集输的气波机提供更加精准的实验数据。此平台结构简单、操作简便，既可用于实验研究，也可用于小型制冷及增压场合。

Description

一种多功能两端开口压力振荡管测试平台

技术领域

本发明涉及一种多功能两端开口压力振荡管测试平台，属于高、低压气体压力交换和冷热分离技术领域。

背景技术

气波技术是一种利用压力振荡管内的波系运动实现高低压气体之间的能量交换，从而达到制冷、增压或是引射的目的。经过几十年的发展，气波技术已经从最初的静止式气波制冷机，历经旋转式气波制冷机，发展到了目前的压力交换式气波机。该气波机的工作核心是两端开口压力振荡管，由一簇压力振荡管环向排列组成的转毂是气波机的转动部件，气波机喷嘴为静止部件。工作时，由于转毂的旋转，高压气体通过喷嘴周期性地射入两端开口压力振荡管中，在管中产生包括激波、压缩波和膨胀波在内的波系运动，完成能量转换。

随着对气波机的研究更加深入，需要对其内部机理展开更加全面的研究，实现进一步提高气波机工作性能的目的。因此需要对管内的波系运动、温度变化、冷凝液滴的分布等众多流场参数进行详细测量和分析，然而现有的气波机由于转毂为转动部件，很难对压力振荡管内的流场进行测量。专利“一种单管式气波制冷器及其制冷方法”（CN1818510A）首次提出了关于旋转式气波制冷机的单管实验平台，但是其核心部件是一端开口一端封闭的压力振荡管，该管型与两端开口压力振荡管工作过程完全不同，无法实现对两端开口压力振荡管流场中重要内容的测量。专利“一种基于相对运动的简化内燃波转子实验装置”（CN104458269A）是对两端开口管静止、喷嘴转动形式的一种尝试，但该专利未考虑相邻振荡管之间的影响，不能实现管长等几何尺寸的变化，导致其结构很难满足气波机深入研究的需要。

另外，两端开口压力振荡管的管型、管径以及管长等因素对气波机性能影响较大，以往的实验平台需要加工整套不同型号的气波机转毂进行测试，费用高昂，研究周期漫长。其次，气波机在天然气工业中有着广泛的应用，然而不论是上述专利设备还是文献中现有的整机实验平台，均不能对天然气工况进行测试，使得实际气体工况下装置性能仍依赖于理论推算，设计适用于天然气介质的试验测试装置具有较好的现实意义。

发明内容

为了克服现有技术中存在的问题，本发明提供一种多功能两端开口压力振荡管测试平台，该测试平台应考虑流场可测、管径管长可调、管型可变、可用于实际气体研究的多功能两端开口压力振荡管的测试。

本发明采用的技术方案是：一种多功能两端开口压力振荡管测试平台，它包括壳体、电机、磁力联轴器和中心转轴，它还包括左空腔转盘、右空腔转盘和两端开口压力振荡管；所述壳体包含筒体、设有高压进气口、左端低温排气腔及低温排气口的左端高压进气腔体和设有高温排气口、右端中压进气腔及中压进气口的右端高温排气腔体；左端高压进气腔体与左空腔转盘之间、右端高温排气腔体与右空腔转盘之间采用迷宫密封结构，在左空腔转盘和右空腔转盘上设有喷嘴基座，高压喷嘴和高温喷嘴通过螺钉分别固定于左空腔转盘和右空腔转盘的喷嘴基座上，在高压喷嘴和高温喷嘴上射气孔的长度为两端开口压力振荡管管径的1.5到3倍；在左空腔转盘上开有不穿透的定位销孔，轴向开设环槽，使得左空腔转盘和右空腔转盘的空腔分别与左端高压进气腔体和右端高温排气腔体相连；两端开口压力振荡管通过夹具固定于壳体上，套筒式结构的筒体适应两端开口压力振荡管的长度变化而任意伸缩；针对两端开口压力振荡管的特定管长在改变筒体的长度后，由外支撑板和第一锁紧螺母固定筒体相对于轴承的位置，从而消除轴向自由度；不同的两端开口压力振荡管的管长对应着不同长度的外支撑板；随着两端开口压力振荡管管长的改变，右空腔转盘的位置也要发生相应变化，右空腔转盘在中心转轴右端任意滑动，由内支撑板和第二锁紧螺母共同限制其轴向位移，改变两端开口压力振荡管管长只需更换不同长度的内支撑板；在中心转轴右端，每隔一段距离开有一周偏角顶丝槽，偏角顶丝顶入偏角顶丝槽中，固定右空腔转盘相对于中心转轴的轴向位置。

所述夹具是由夹具基座和夹具盖两部分构成的扇形模块，夹具基座与夹具盖均为扇形，扇形的弧形与左空腔转盘和右空腔转盘上高压喷嘴和高温喷嘴的运动轨迹一致，弧长由需要研究的两端开口压力振荡管的数量来决定；夹具基座两侧设有挡板，限制两端开口压力振荡管的周向位移，夹具盖通过螺钉固定于夹具基座上，限制两端开口压力振荡管的上下位移；若在夹具基座上开一个通气口，则用于一个两端开口压力振荡管的单管实验，若按照多管排列方式开多个通气口，则用于多管实验；因此要进行单管和多管实验只需更换夹具，通气孔的尺寸和形状由两端开口压力振荡管的管径和管型决定。

上述技术方案的指导思想是：利用透明可视材料、分段加工、扇形模块等措施模拟多根压力振荡管同时工作状态，便于内部流场信息的非接触式光学测量；通过更换压力振荡管、支撑板及喷嘴等，可实现两端开口压力振荡管轴向长度调节，从而测试管长、管型、管径等因素对气波机性能的影响；利用固定键和偏角顶丝等结构，可实现左、右空腔转盘角度的调节，从而实现两端开口压力振荡管波系匹配测试；采用封闭式壳体、磁力联轴器等部件解决介质外漏问题，可用于天然气等实际气体制冷性能研究。该试验装置可有效降低研究成本，提高研究效率。

本发明的有益效果是：

1. 两端开口压力振荡管静止，可实现管内流场的测量，便于温度、压力等传感器的安放以及激光测粒等实验手段的实施。有助于深入了解气波机内波系的运动及温度、湿度的分布，从而为提高气波机的制冷、增压或脱水脱烃性能提供基础。

2. 通过改变空腔转盘的可拆装喷嘴结构以及改变夹具结构，能在同一台设备上进行不同管径和管型的研究。筒体为套筒结构，可伸缩，右空腔转盘位置可调，从而可以在同一设备上适应不同管长的研究。有助于更高效的研究压力振荡管结构尺寸对气波机性能的影响，为选取最佳尺寸的转毂提供依据。

3. 通过封闭式壳体和磁力联轴器可以解决动密封带来的气体泄漏问题，从而可以安全地应用于天然气工况的研究，能对实际工况做到真实还原，提高研究成果的可信度。

4. 设计了扇形模块，该夹具上可以固定多根两端开口压力振荡管，从而实现多管运行。能够模拟管与管之间真实的相互影响情况，更加准确和全面的研究管内流场分布，并对比分析管间泄漏对于气波机性能的影响。

5. 以上研究内容均可在一台设备上进行，只需对少量部件进行更换，有效降低研究成本，缩短研究周期。

附图说明

图1是一种多功能两端开口压力振荡管测试平台的结构图。

图2是图1中的A-A视图。

图3是图1中的B-B视图。

图4是图3中的C-C视图。

图5是图1中的局部放大图。

图中：1、电机，2、磁力联轴器，3、中心转轴，4、左端高压进气腔体，5、高压进气口，6、固定键，7、左空腔转盘，8、高压喷嘴，9、夹具，9a、夹具两端挡板，9b、夹具盖，10、两端开口压力振荡管，11、筒体，12、外支撑板，13、内支撑板，14、高温喷嘴，15、右空腔转盘，16、偏角顶丝，17、第一锁紧螺母，18、偏角顶丝槽，19、第二锁紧螺母、20、右端高温排气腔体，21、高温出气口，22、右端中压进气腔，23、中压进气口，24、平衡固定架，25、定位销，26、左端低温排气腔，27、低温排气口。

具体实施方式

图1、2示出了一种多功能两端开口压力振荡管测试平台的结构图。图中，这种多功能两端开口压力振荡管测试平台包括壳体、电机1、磁力联轴器2、中心转轴3、左空腔转盘7、右空腔转盘15和两端开口压力振荡管10。壳体包含筒体11、设有高压进气口5、左端低温排气腔26及低温排气口27的左端高压进气腔体4和设有高温排气口21、右端中压进气腔22及中压进气口23的右端高温排气腔体20。左端高压进气腔体4与左空腔转盘7之间、右端高温排气腔体20与右空腔转盘15之间采用迷宫密封结构，在左空腔转盘7和右空腔转盘15上设有喷嘴基座，高压喷嘴8和高温喷嘴14通过螺钉分别固定于左空腔转盘7和右空腔转盘15的喷嘴基座上，在高压喷嘴8和高温喷嘴14上射气孔的长度为两端开口压力振荡管10管径的1.5到3倍。在左空腔转盘7和右空腔转盘15上开有不穿透的定位销孔，轴向开设环槽，使得左空腔转盘7和右空腔转盘15的空腔分别与左端高压进气腔体4和右端高温排气腔体20相连。两端开口压力振荡管10通过夹具9固定于壳体上，套筒式结构的筒体11适应两端开口压力振荡管10的长度变化而任意伸缩。针对两端开口压力振荡管10的特定管长在改变筒体11的长度后，由外支撑板12和第一锁紧螺母17固定筒体11相对于轴承的位置，从而消除轴向自由度。不同的两端开口压力振荡管10的管长对应着不同长度的外支撑板12。随着两端开口压力振荡管10管长的改变，右空腔转盘15的位置也要发生相应变化，右空腔转盘15在中心转轴3右端任意滑动，由内支撑板13和第二锁紧螺母19共同限制其轴向位移，改变两端开口压力振荡管10管长只需更换不同长度的内支撑板13。在中心转轴3右端，每隔一段距离开有一周偏角顶丝槽18，偏角顶丝16顶入偏角顶丝槽18中，固定右空腔转盘15相对于中心转轴3的轴向位置。

图3、4、5示出了夹具的结构图。夹具9是由夹具基座和夹具盖9b两部分构成的扇形模块，夹具基座与夹具盖9b均为扇形，扇形的弧形与左空腔转盘7和右空腔转盘15上高压喷嘴8和高温喷嘴14的运动轨迹一致，弧长由需要研究的两端开口压力振荡管10的数量来决定。夹具基座两侧设有挡板9a，限制两端开口压力振荡管的周向位移，夹具盖9b通过螺钉固定于夹具基座上，限制两端开口压力振荡管的上下位移。若在夹具基座上开一个通气口，则用于一个两端开口压力振荡管10的单管实验，若按照多管排列方式开多个通气口，则用于多管实验。因此要进行单管和多管实验只需更换夹具9，通气孔的尺寸和形状由两端开口压力振荡管10的管径和管型决定。

以制冷过程为例：

确定需要进行实验的两端开口压力振荡管10的管长、管径和管型。

调整筒体11长度。拉伸筒体11的长度，选用相应尺寸的两个外支撑板12，用第一锁紧螺母17抵住外支撑板12，从而固定筒体11与中心转轴3的相对位置。选择相应长度的平衡固定架24均布于筒体11上，用以增加装置的稳定性。

固定左空腔转盘7、右空腔转盘15,根据两端开口压力振荡管10的管径和管型选择相应的高压喷嘴8和高温喷嘴14，用螺钉固定于空腔转盘上。左空腔转盘7靠固定键6固定于中心转轴3，右空腔转盘15轴向位移由内支撑板13和第二锁紧螺母19共同限制，相对于中心转轴3的转动由偏角顶丝16限制。

调整偏角,偏角是指高压喷嘴8和高温喷嘴14之间的环向角度，该角度影响着管内的波系匹配。在调整偏角时，先插入定位销25固定左空腔转盘7，从而也固定了中心转轴3；转动右空腔转盘15调节至设定偏角，用偏角顶丝16固定右空腔转盘15。在中心转轴3的右端每隔一段距离开有一周偏角顶丝槽18，偏角顶丝16顶入偏角顶丝槽18以保证右空腔转盘15不会相对中心转轴3发生转动。

通过螺栓装配两侧气腔。

安放两端开口压力振荡管10。根据管径、管型以及实验所需要的管数，选择相应的夹具9，先用螺钉固定好夹具基座，再将管束放到相应位置，两端开口对准两侧通气孔，最后用夹具盖9b压紧。

在工作时，电机1通过磁力联轴器2带动两端的空腔转盘随中心转轴3一同旋转。当左端空腔转盘7上的高压喷嘴8对准两端开口压力振荡管10时，左端高压进气腔体4与两端开口压力振荡管10接通，高压气射入两端开口压力振荡管10，压缩管内原有气体使其升温升压，入射气体降温减压。随着高压喷嘴8转离管口后，左端空腔转盘7上的凸台将密封住两端开口压力振荡管10左端口，高压射入气体进一步膨胀冷却。接着右空腔转盘15上的高温喷嘴14与两端开口压力振荡管10右开口接通，经压缩升温后的管内原有气体经右空腔转盘17的内腔排入右端高温排气腔体20。当右端凸台转离两端开口压力振荡管10开口后，压力振荡管右端开口与右端中压进气腔22接通，同时左端空腔转盘7的凸台转离压力振荡管开口，两端开口压力振荡管10左端开口与左端低温排气腔26接通，中压气体射入压力振荡管并推动膨胀后的低温气体从低温排气腔26排出。中压气体再次变成管内原有气体参与到下一个工作周期。从而利用两端开口压力振荡管10内的波系运动，能实现高低压气体之间的能量交换，从而达到制冷的目的。

Claims (2)

1.一种多功能两端开口压力振荡管测试平台，它包括壳体、电机（1）、磁力联轴器（2）和中心转轴（3），其特征是：它还包括左空腔转盘（7）、右空腔转盘（15）和两端开口压力振荡管（10）；所述壳体包含筒体（11）、设有高压进气口（5）、左端低温排气腔（26）及低温排气口（27）的左端高压进气腔体（4）和设有高温排气口（21）、右端中压进气腔（22）及中压进气口（23）的右端高温排气腔体（20）；左端高压进气腔体（4）与左空腔转盘（7）之间、右端高温排气腔体（20）与右空腔转盘（15）之间采用迷宫密封结构，在左空腔转盘（7）和右空腔转盘（15）上设有喷嘴基座，高压喷嘴（8）和高温喷嘴（14）通过螺钉分别固定于左空腔转盘（7）和右空腔转盘（15）的喷嘴基座上，在高压喷嘴（8）和高温喷嘴（14）上射气孔的长度为两端开口压力振荡管（10）管径的1.5到3倍；在左空腔转盘（7）上开有不穿透的定位销孔，轴向开设环槽，使得左空腔转盘（7）和右空腔转盘（15）的空腔分别与左端高压进气腔体（4）和右端高温排气腔体（20）相连；两端开口压力振荡管（10）通过夹具（9）固定于壳体上，套筒式结构的筒体（11）适应两端开口压力振荡管（10）的长度变化而任意伸缩；针对两端开口压力振荡管（10）的特定管长在改变筒体（11）的长度后，由外支撑板（12）和第一锁紧螺母（17）固定筒体（11）相对于轴承的位置，从而消除轴向自由度；不同的两端开口压力振荡管（10）的管长对应着不同长度的外支撑板（12）；随着两端开口压力振荡管（10）管长的改变，右空腔转盘（15）的位置也要发生相应变化，右空腔转盘（15）在中心转轴（3）右端任意滑动，由内支撑板（13）和第二锁紧螺母（19）共同限制其轴向位移，改变两端开口压力振荡管（10）管长只需更换不同长度的内支撑板（13）；在中心转轴（3）右端，每隔一段距离开有一周偏角顶丝槽（18），偏角顶丝（16）顶入偏角顶丝槽（18）中，固定右空腔转盘（15）相对于中心转轴（3）的轴向位置。

2.根据权利要求1所述的一种多功能两端开口压力振荡管测试平台，其特征是：所述夹具（9）是由夹具基座和夹具盖（9b）两部分构成的扇形模块，夹具基座与夹具盖（9b）均为扇形，扇形的弧形与左空腔转盘（7）和右空腔转盘（15）上高压喷嘴（8）和高温喷嘴（14）的运动轨迹一致，弧长由需要研究的两端开口压力振荡管（10）的数量来决定；夹具基座两侧设有挡板（9a），限制两端开口压力振荡管的周向位移，夹具盖（9b）通过螺钉固定于夹具基座上，限制两端开口压力振荡管的上下位移；若在夹具基座上开一个通气口，则用于一个两端开口压力振荡管（10）的单管实验，若按照多管排列方式开多个通气口，则用于多管实验；因此要进行单管和多管实验只需更换夹具（9），通气孔的尺寸和形状由两端开口压力振荡管（10）的管径和管型决定。

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