CN107676272A - 一种离心泵运行工况的快速调节装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种离心泵运行工况的快速调节装置，在泵的出口管路上安装气动调节阀，通过空气压缩机为气动调节阀提供气源，并在空气压缩机与气动调节阀安装一个调压阀门，用以调节为气动调节阀的供气压力，同时采用控制器根据气动调节阀的阀门的流量特性来控制阀门的开度，即可实现离心泵在不同工况下在超短时间内任意切换，本发明结构简单，安装方便，使用范围广，容易操作，精度高，为测量泵在各个运行工况下快速切换时的外特性、振动、噪声和压力脉动提供了试验条件，具有很强的使用价值。

Description

一种离心泵运行工况的快速调节装置

技术领域

本发明涉及流体机械试验领域，特指用于离心泵运行工况快速调节的试验装置。

背景技术

随着国民经济的发展，作为应用最广泛的流体机械，离心泵机组及其系统的复杂程度逐渐提高，离心泵除了在稳定工况下运行之外，还需短期在各种瞬态工况下运行，对离心泵的稳态和瞬态性能都提出了越来越高的要求。超大型或大型船舶在航行容易出现随时纵倾、横倾、调节吃水深度和稳定性的现象，以及装卸时实时调整船体平稳性和更换压载水，为了调节这些现象，需要在船舶上安装泵来进行调节，就需要这些泵等辅机设备随时根据需要快速调节工况；当舰载机在航空母舰跑道上进行短距起降、大仰角快速爬升以及完成“眼镜蛇”等高难度特技动作时，离心式航空燃油泵的转速和压力快速变化；当发射运载火箭时，涡轮泵快速启动使火箭获得最大推力，涡轮泵的启动过程通常只有短暂的数秒，当上一级火箭燃料耗尽后，下一级火箭涡轮泵瞬态启动，转速和流量在极短的时间内从来零快速增加到额定值，还伴随着和环境压力的快速降低等瞬态现象。瞬态现象引起的水力冲击、空化破坏以及强烈震动会对离心泵本身以及管路甚至整个系统的安全可靠运行产生严重影响。因此，需要深入对瞬态过程的进一步研究。

目前瞬态工况主要集中在以下几个方面：瞬态启动、工况突变、关机等。瞬态启动是叶轮转速从零很快增加到稳定转速的快速瞬变过程；工况突变则属于通过突然调节流量阀门开度的瞬态过程以及转速瞬间大幅度变化的瞬态过程；关机是由于电机突然关闭，即叶轮转速突然由稳定转动过程降为零的瞬变过程，各个瞬态工况之间性能的变化过程有着巨大的差别。

目前有关瞬态过程的实现以及泵瞬态性能测试试验台在国际以及国内有了一定的研究基础，江苏大学邵昌采用变频控制柜设置不同的启动加速度，但是加速度在2s以上；浙江大学李志峰采用具有较大功率余量且具有较大启动转矩电机的方法控制离心泵快速启动过程，使得启动过程缩短在了0.5s内；日本Tsukamoto采用电机启动完成后，通过电磁离合器使电机输出轴和水泵输入轴迅速对接进行了离心泵的快速启动阶段，这种启动方法所需的时间更短。关于关机过程大多采用的是断电以后让水泵自然停止。关于工况突变过程的调节，采用的是调流泵进行流量的调节，这种调节方法需要的时间较长，大概需要5-7s。

以上所述瞬态过程的实现都是基于机械、控制技术以及传感器检测技术于一体的综合性能测试系统，虽然可以实现工况调节的控制，但是仍然体现出以下两方面的缺陷：1)上述瞬态性能测试试验台结构比较复杂、造价较高；2)上述瞬态性能控制系统所需的相应时间较长，与实际运行过程中存在一定的差距，因此不宜推广使用。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种离心泵运行工况的快速调节装置，该装置通过控制器来控制气动调节阀的开度，实现泵能够随意切换任意工况。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种离心泵运行工况的快速调节装置，包括空气压缩机、调压阀、气动调节阀、出口控制阀门、进口控制阀门、水罐、泵、控制器、输气软管、电磁流量计、变频控制柜和电机；

所述泵的进口法兰通过第一管路与水罐的出水孔连通，所述第一管路上设有进口控制阀门，泵的出口法兰通过第二管路与水罐的回水孔连通，所述第二管路上依次沿靠近所述泵至远离所述泵的方向设有电磁流量计、启动调节阀和出口控制阀门，所述电磁流量计和气动调节阀位于出口控制阀与出口法兰之间；

所述空气压缩机上的排气孔通过输气软管与气动调节阀的进气孔连通，所述输气软管上设有调压阀；

所述泵的泵轴通过联轴器与电机的电机轴连接，所述电机与变频控制柜电连接，所述控制器的信号输出接口通过信号线与气动调节阀的信号输入接口电连接，控制器的电源接口与电源连接，控制器根据内置的程序控制气动调节阀的开度。

优选地，所述第一管路包括进口波纹管和进口直管，所述第二管路包括出口直管、出口波纹管和出口管路；

所述泵的进口法兰与进口直管的一端连接，所述进口直管的另一端与进口波纹管的一端连通，所述进口波纹管的另一端通过进口控制阀门连接到水罐的出水孔，泵的出口法兰与出口直管的一端连通，所述出口直管的另一端与出口波纹管的一端连通，所述出口波纹管的另一端与出口管路连通，所述出口管路的另一端通过出口控制阀门连接到水罐的回水孔，所述电磁流量计和气动调节阀设置在出口管路上。

优选地，还包括进口缩放管和出口缩放管，所述进口缩放管的一端与进口波纹管的另一端连通，进口缩放管的另一端与通过进口控制阀门连接到水罐的出水孔，所述出口缩放管的一端与出口管路的另一端连通，出口缩放管的另一端通过出口控制阀门连接到水罐的回水孔。

优选地，所述进口波纹管、进口缩放管和进口直管之间的管路均通过法兰固定连接；所述出口直管、出口波纹管、出口管路和出口缩放管之间的管路连接均通过法兰固定连接。

优选地，所述水罐包括液位计、出水孔、排水孔、排水管路、回水孔、排气孔、水罐底座、排水阀门；所述水罐底部开设排水孔，并采用焊接的方式与排水管路连通，所述排水管路上安装有排水阀门；所述水罐的侧面1/2高度处安装所述液位计；所述水罐的顶部采用焊接的方式安装所述进水孔，并焊接排气孔；所述水罐的侧面靠近底部的位置水平焊接所述出水孔；所述水罐的侧面靠近顶部的位置水平焊接所述回水孔。

优选地，所述水罐上的出水孔距离罐体底部的距离为出水孔的孔径的1～2倍，所述回水孔距离罐体顶部的距离为回水孔的孔径的1～2倍。

优选地，所述泵和电机的底端面均采用地脚螺栓固定于水泥底座上。

优选地，所述电磁流量计为KEF型一体式电磁流量计，电磁流量计前后的出口管路均为直线型，并且长度均为3～5倍的出口管路的管径。

优选地，所述进口波纹管的长度不小于进口波纹管的管径的10倍，所述进口直管的长度不小于进口直管的管径的6倍。

优选地，所述气动调节阀为QZJHP-16P型气动调节阀，输气软管的长度不小于输气软管的管径的20倍。

本发明的有益效果：

1)本发明通过控制器精确控制气动调节阀的开度，以实现泵能够快速在任意工况之间切换，由于气动调节阀反映灵敏，相应时间短，可实现任意工况之间在2～3s之间完成切换，响应时间远远短于目前的试验装置；

2)本发明在水管与泵连接的管路上安装有进口缩放管和出口缩放管，极大拓宽了本发明管径的使用范围；

3)本发明结构简单，安装方便，使用范围广，容易操作，精度高，为测量泵在各个运行工况下快速切换时的外特性、振动、噪声和压力脉动提供了试验条件，具有很强的使用价值。

附图说明

图1为本发明所述离心泵运行工况的快速调节装置的结构示意图。

图2为本发明所述泵、电机和变频控制柜的总装示意图。

图3为图1的A处局部放大示意图。

附图标记说明：

1.空气压缩机；2.调压阀；3.气动调节阀；4.出口控制阀门；5.进口控制阀门；6.水罐；601.液位计；602.出水孔；603.出水孔；604.排水管路；605.回水孔；606.排气孔；607.水管底座；608.排水阀门；7.泵；8.控制器；9.进口直管；10.第一出口直管；11.出口管路；12.进口波纹管；13.出口波纹管；14.进口缩放管；15.出口缩放管；16.输气软管；17.电磁流量计；18.变频控制柜；19.电机；20.水泥底座。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1所示，本发明所述的一种离心泵运行工况的快速调节装置，包括空气压缩机1、调压阀2、气动调节阀3、出口控制阀门4、进口控制阀门5、水罐6、泵7、控制器8、进口直管9、第一出口直管10、出口管路11、进口波纹管12、出口波纹管13、进口缩放管14、出口缩放管15、输气软管16、电磁流量计17、变频控制柜18、电机19和水泥底座20。

所述水罐6包括液位计601、出水孔602、排水孔603、排水管路604、回水孔605、排气孔606、水罐底座607、排水阀门608；所述水罐6安装于水罐底座607上，水罐6底部开排水孔603，并采用焊接的方式与排水管路604连通，所述排水管路604上安装有排水阀门608；所述水罐6的侧面1/2高度处安装液位计601；所述水罐6的顶部采用焊接的方式安装所述进水孔603，并焊接排气孔606；所述水罐6的侧面靠近底部的位置水平焊接所述出水孔602；所述水罐6的侧面靠近顶部的位置水平焊接所述回水孔605。

所述水罐6上的出水孔602距离罐体底部的距离为出水孔602的孔径的1～2倍，所述回水孔605距离罐体顶部的距离为回水孔605的孔径的1～2倍。

泵7的泵轴通过联轴器与电机19的电机轴连接，所述电机19与变频控制柜18电连接，泵7和电机19的底端面均采用地脚螺栓固定于水泥底座20上。所述泵7的进口法兰701与进口直管9的一端连接，所述进口直管9的另一端与进口波纹管12的一端连通，所述进口波纹管12的另一端与进口缩放管14的的一端连接，进口缩放管14的另一端通过进口控制阀门5连接到水罐6的出水孔602。进口波纹管12的长度不小于进口波纹管12的管径的10倍，所述进口直管9的长度不小于进口直管9的管径的6倍。

泵7的出口法兰702与出口直管10的一端连通，所述出口直管10的另一端与出口波纹管13的一端连通，所述出口波纹管13的另一端与出口管路11连通，所述出口管路11的另一端与出口缩放管15的一端连通，出口缩放管15的另一端通过出口控制阀门4连接到水罐6的回水孔605，所述出口管路11上依次沿靠近所述泵7至远离所述泵7的方向设有电磁流量计17和气动调节阀3。泵7的进口和出口分别采用进口直管9和出口直管10能够使得泵7、进口直管9和出口直管10位于同一水平线上，同时可以有效防止泵组与管路同时振动。

电磁流量计17为KEF型一体式电磁流量计，电磁流量计17的前后直管路的长度均为3～5倍的出口管路11的管径。气动调节阀3为QZJHP-16P型气动调节阀，气动调节阀3内可以安装不同流量特性的阀芯，用以研究不同流量特性下泵类产品的瞬态性能，输气软管16的长度不小于输气软管16的管径的20倍。

所述空气压缩机1上的排气孔101通过输气软管16与气动调节阀3的进气孔301连通，空气压缩机1的型号根据所述气动调节阀3所需要的气源压力进行选型，输气软管16上设有调压阀2；

所述泵7的泵轴通过联轴器与电机19的电机轴连接，所述电机19与变频控制柜18电连接，所述控制器8的信号输出接口通过信号线与气动调节阀3的信号输入接口302电连接，控制器8的电源接口与电源连接，控制器8根据内置的程序控制气动调节阀3的开度。

本发明的安装过程如下：

首先制作所述水泥底座20，将槽钢工字水平安装，底部由预制好的混凝土浇筑，放置一段时间，至混凝土完全凝固；然后吊装电机19，采用地脚螺栓与槽钢连接固定，安装泵7，使二者轴共线，保证运行的稳定性。随后在进口管路安装进口缩放管14、进口波纹管12、进口控制阀门5、进口直管9，然后整体连接到所述水罐出口孔602；在所述出口管路安装第一出口直管10、第二出口直管11、出口控制阀4、电磁流量计17、出口缩放管15、气动调节阀3、出口波纹管13，将管路尾端与回水孔605连接；安装水罐进水管路603、排水管路604。随后安装空气压缩机1、调压阀2、卡箍接头、气动调节阀3、输气软管16、控制器8。最后连接电机线缆、空气压缩机电源线；安装过程所有法兰连接面需要加装橡胶垫片，所有接头处均保证密封性。

本发明的操作过程如下：

实验时，通过进水孔603往所述水罐6内注水，注水完成后停止注水；首先通过变频控制柜18启动泵7，调节泵7的转速达到额定转速；之后，打开空气压缩机1，通过调压阀2调节气动调节阀3所需要的气源压力，调节控制器8的输出信号对应气动调节阀3不同的开度；之后对气动调节阀3进行流量特性进行校核，得到各个输出端口对应的电流信号；之后通过控制器8在各个电流信号之间任意切换，通过气源来驱动气动调节阀3的螺杆实现快速调节阀门不同开度之间的任意切换。

本发明结构简单、安装方便、使用范围广、操作容易，并可进行外特性、振动、噪声以及动态压力信号的同步测试，为测量泵在工况突变条件下的外特性、振动、振动、以及压力脉动试验测试提供了有效的手段，具有很强的使用价值。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种离心泵运行工况的快速调节装置，其特征在于，包括空气压缩机(1)、调压阀(2)、气动调节阀(3)、出口控制阀门(4)、进口控制阀门(5)、水罐(6)、泵(7)、控制器(8)、输气软管(16)、电磁流量计(17)、变频控制柜(18)和电机(19)；

所述泵(7)的进口法兰(701)通过第一管路与水罐(6)的出水孔(602)连通，所述第一管路上设有进口控制阀门(5)，泵(7)的出口法兰(702)通过第二管路与水罐(6)的回水孔(605)连通，所述第二管路上依次沿靠近所述泵(7)至远离所述泵(7)的方向设有电磁流量计(17)、气动调节阀(3)和出口控制阀门(4)，所述电磁流量计(17)和气动调节阀(3)位于出口控制阀(4)与出口法兰(702)之间；

所述空气压缩机(1)上的排气孔(101)通过输气软管(16)与气动调节阀(3)的进气孔(301)连通，所述输气软管(16)上设有调压阀(2)；

所述泵(7)的泵轴通过联轴器与电机(19)的电机轴连接，所述电机(19)与变频控制柜(18)电连接，所述控制器(8)的信号输出接口通过信号线与气动调节阀(3)的信号输入接口(302)电连接，控制器(8)的电源接口与电源连接，控制器(8)根据内置的程序控制气动调节阀(3)的开度。

2.根据权利要求1所述的离心泵运行工况的快速调节装置，其特征在于，所述第一管路包括进口波纹管(12)和进口直管(9)，所述第二管路包括出口直管(10)、出口波纹管(13)和出口管路(11)；

所述泵(7)的进口法兰(701)与进口直管(9)的一端连接，所述进口直管(9)的另一端与进口波纹管(12)的一端连通，所述进口波纹管(12)的另一端通过进口控制阀门(5)连接到水罐(6)的出水孔(602)，泵(7)的出口法兰(702)与出口直管(10)的一端连通，所述出口直管(10)的另一端与出口波纹管(13)的一端连通，所述出口波纹管(13)的另一端与出口管路(11)连通，所述出口管路(11)的另一端通过出口控制阀门(4)连接到水罐(6)的回水孔(605)，所述电磁流量计(17)和气动调节阀(3)设置在出口管路(11)上。

3.根据权利要求2所述的离心泵运行工况的快速调节装置，其特征在于，还包括进口缩放管(14)和出口缩放管(15)，所述进口缩放管(14)的一端与进口波纹管(12)的另一端连通，进口缩放管(14)的另一端与通过进口控制阀门(5)连接到水罐(6)的出水孔(602)，所述出口缩放管(15)的一端与出口管路(11)的另一端连通，出口缩放管(15)的另一端通过出口控制阀门(4)连接到水罐(6)的回水孔(605)。

4.根据权利要求3所述的离心泵运行工况的快速调节装置，其特征在于，所述进口波纹管(12)、进口缩放管(14)和进口直管(9)之间的管路均通过法兰固定连接；所述出口直管(10)、出口波纹管(13)、出口管路(11)和出口缩放管(15)之间的管路连接均通过法兰固定连接。

5.根据权利要求1所述的离心泵运行工况的快速调节装置，其特征在于，所述水罐(6)包括液位计(601)、出水孔(602)、排水孔(603)、排水管路(604)、回水孔(605)、排气孔(606)、水罐底座(607)、排水阀门(608)；所述水罐(6)安装于水罐底座(607)上，水罐(6)底部开排水孔(603)，并采用焊接的方式与排水管路(604)连通，所述排水管路(604)上安装有排水阀门(608)；所述水罐(6)的侧面1/2高度处安装所述液位计(601)；所述水罐(6)的顶部采用焊接的方式安装所述进水孔(603)，并焊接排气孔(606)；所述水罐(6)的侧面靠近底部的位置水平焊接所述出水孔(602)；所述水罐(6)的侧面靠近顶部的位置水平焊接所述回水孔(605)。

6.根据权利要求1所述的离心泵运行工况的快速调节装置，其特征在于，所述水罐(6)上的出水孔(602)距离罐体底部的距离为出水孔(602)的孔径的1～2倍，所述回水孔(605)距离罐体顶部的距离为回水孔(605)的孔径的1～2倍。

7.根据权利要求1所述的离心泵运行工况的快速调节装置，其特征在于，所述泵(7)和电机(19)的底端面均采用地脚螺栓固定于水泥底座(20)上。

8.根据权利要求2所述的离心泵运行工况的快速调节装置，其特征在于，所述电磁流量计(17)为KEF型一体式电磁流量计，电磁流量计(17)前后的出口管路(11)均为直线型，并且长度均为3～5倍的出口管路(11)的管径。

9.根据权利要求2所述的离心泵运行工况的快速调节装置，其特征在于，所述进口波纹管(12)的长度不小于进口波纹管(12)的管径的10倍，所述进口直管(9)的长度不小于进口直管(9)的管径的6倍。

10.根据权利要求1所述的离心泵运行工况的快速调节装置，其特征在于，所述气动调节阀(3)为QZJHP-16P型气动调节阀，输气软管(16)的长度不小于输气软管(16)的管径的20倍。