CN109505779B - 背叶片包角大小对离心泵轴向力影响的实验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种背叶片包角大小对离心泵轴向力影响的实验装置，用于测量泵轴，其特征在于：包括背叶片盘和与背叶片盘配合使用的压力测点布置机构，背叶片盘和压力测点布置机构之间设置有间隙，压力测点布置机构上设置有与拨动机构配合使用的圆孔，泵轴穿过压力测点布置机构的轴心，背叶片盘包括内环、拨动机构、卡死机构、可伸缩背叶片和转动圆盘，内环内圈设置有棘齿，拨动机构和卡死机构均位于内环内侧，可伸缩背叶片位于内环外侧；本发明还提供一种背叶片包角大小对离心泵轴向力影响的实验方法：测得各个应变式力传感器所在点到泵轴轴心的距离r，以及各点与泵轴的轴心连线的夹角大小θ后得出总的轴向力F轴。
Description
技术领域
本发明涉及一种离心泵技术领域，具体涉及一种背叶片包角大小对离心泵轴向力影响的实验装置及方法。
背景技术
离心泵是应用最广泛的泵，不仅应用于石油、化工、水利等工农业领域，而且应用于航空、核能等高科技领域。离心泵叶轮由于受到流体诱导对离心泵产生很大的轴向力，对离心泵尤其是止推轴承产生很大的破坏，对于离心泵轴向力的平衡一直是在离心泵领域内的重要研究对象。目前用于离心泵轴向力平衡的机构主要有：平衡盘、平衡鼓、平衡孔与背叶片等。其中平衡盘与平衡鼓的体积大、费用高，平衡孔则不能够完全平衡轴向力，且会造成泄露产生水利损失。背叶片具有造价低廉、体积小且几乎能够平衡所有的轴向力并且对离心泵的效率不会造成太大的影响。所以对背叶片的各个参数对平衡轴向力大小的影响的研究十分必要。
因此，需要对现有技术进行改进。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种高效的背叶片包角大小对离心泵轴向力影响的实验装置及方法。
为解决上述技术问题，本发明提供一种背叶片包角大小对离心泵轴向力影响的实验装置，用于测量泵轴，其特征在于：包括背叶片盘和与背叶片盘配合使用的压力测点布置机构；所述背叶片盘和压力测点布置机构之间设置有间隙；
所述压力测点布置机构上设置有与拨动机构配合使用的圆孔；所述泵轴穿过压力测点布置机构的轴心；
所述背叶片盘包括内环、拨动机构、卡死机构、可伸缩背叶片和转动圆盘；内环、拨动机构、卡死机构和可伸缩背叶片均设置在转动圆盘上，
所述内环内圈设置有棘齿；所述拨动机构和卡死机构均位于内环内侧，可伸缩背叶片位于内环外侧；
所述拨动机构包括拨动棘轮、十字拧环和拧紧螺钉；所述拨动棘轮外圈与内环内圈的棘齿啮合；所述十字拧环设置在拨动棘轮顶部的轴心位置；所述十字拧环和拨动棘轮均套设在拧紧螺钉上；所述拧紧螺钉穿过拨动棘轮及十字拧环后与转动圆盘连接；
所述卡死机构包括棘轮卡爪、弹性金属片和卡位凸台；所述棘轮卡爪一端与转动圆盘转动连接，棘轮卡爪另一端与内环内圈的棘齿啮合；所述弹性金属片和卡位凸台分别与棘轮卡爪两侧抵接；
所述可伸缩叶片一端与转动圆盘转动连接，可伸缩叶片另一端与内环外圈转动连接；
所述泵轴穿过转动圆盘和内环的轴心。
作为对本发明背叶片包角大小对离心泵轴向力影响的实验装置的改进：
所述可伸缩叶片包括依次连接的背叶片首段、至少一个背叶片中段和背叶片末段；
所述背叶片首段与转动圆盘转动连接，背叶片末段与内环外圈转动连接。
作为对本发明背叶片包角大小对离心泵轴向力影响的实验装置的进一步改进：
所述力测点布置机构上设置有四十八个应变式力传感器。
本发明还提供一种背叶片包角大小对离心泵轴向力影响的实验方法，包括以下步骤：
1)、测得各个应变式力传感器所在点到泵轴轴心的距离r，以及各点与泵轴的轴心连线的夹角大小θ；转动泵轴，测得各个应变式力传感器的数值大小，得到(F1,F2,F3,......,F48)共48个力数值；
2)、根据各个应变式力传感器所在点到泵轴轴心的距离r、各点与泵轴的轴心连线的夹角大小θ和步骤1)所测得的(F1,F2,F3,......,F48)，利用数据分析软件拟合得到函数f(r,θ)；
3)、利用二重积分法得出总的轴向力表达式：
r1为力测点布置机构内圈半径，r2为力测点布置机构外圈的半径，总的轴向力F轴即为背叶片包角大小对离心泵轴向力影响。
本发明背叶片包角大小对离心泵轴向力影响的实验装置及方法的技术优势为：
本发明主要通过研发一种包角可调的背叶片对背叶片包角大小对轴向力的影响进行研究，择取最优的包角大小。本发明能够在不需要拆装离心泵的情况下调节背叶片的包角大小，保存了测量不同背叶片包角大小对轴向力影响的实验条件的一致，提高了实验的精确性与可信性。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
图1为本发明背叶片包角大小对离心泵轴向力影响的实验装置的结构示意图；
图2为图1中背叶片盘6的结构示意图；
图3为图2中拨动机构6b的结构示意图；
图4为图2中卡死机构6c的结构示意图；
图5为图2中可伸缩叶片6d的结构示意图；
图6为图1中力测点布置机构7的结构示意图；
图7为图1中包角调节机构10的局部放大结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此。
实施例1、背叶片包角大小对离心泵轴向力影响的实验装置，用于测量泵轴14，如图1-7所示，包括背叶片盘6和压力测点布置机构7。背叶片盘6和压力测点布置机构7均套设在泵轴14上，背叶片盘6和压力测点布置机构7之间设置有间隙。背叶片盘6通过螺钉与叶轮的后盖板固定在一起，两者之间含有密封垫。
背叶片盘6包括内环6a、拨动机构6b、卡死机构6c、可伸缩背叶片6d和转动圆盘6e；内环6a、拨动机构6b、卡死机构6c和可伸缩背叶片6d均设置在转动圆盘6e上。转动圆盘6e和内环6a的轴心重合，泵轴14穿过转动圆盘6e的轴心，转动圆盘6e与泵轴14共同转动。
拨动机构6b为圆盘型，拨动机构6b通过转轴转动设置在转动圆盘6e上，拨动机构6b可以自由转动。拨动机构6b包括拨动棘轮6b1、十字拧环6b2和拧紧螺钉6b3；十字拧环6b2设置在拨动棘轮6b1的轴心位置并固结。拨动棘轮6b1与拧紧螺钉6b3沉孔，拧紧螺钉6b3穿过拨动棘轮6b1及十字拧环6b2的轴心位置后与转动圆盘6e连接(转动圆盘6e上设置有相应的螺孔)，拨动棘轮6b1通过拧紧螺钉6b3可转动的设置在转动圆盘6e上。
卡死机构6c包括棘轮卡爪6c1、弹性金属片6c2和卡位凸台6c3；棘轮卡爪6c1、弹性金属片6c2都通过螺钉与转动圆盘6e连接；棘轮卡爪6c1一端通过螺钉与转动圆盘6e转动连接，棘轮卡爪6c1另一端与内环6a上的棘齿啮合在一起，弹性金属片6c2和卡位凸台6c3分别与棘轮卡爪6c1两侧抵接。卡位凸台6c3、棘轮卡爪6c1和弹性金属片6c2沿着内环6a转动方向依次设置。弹性金属片6c2的功能为对棘轮卡爪6c1起到复位的作用，使棘轮卡爪6c1一端在离心泵工作时始终与内环6a内圈的棘齿啮合；卡位凸台6c3的作用是限制棘轮卡爪6c1的旋转范围，防止其与内环6a内圈的棘齿脱离。
内环6a为圆环型，内环6a内圈均匀分布若干棘齿，内环6a内侧设置有拨动机构6b，拨动机构6b为圆盘型，拨动棘轮6b1外圈为均匀分布若干与内环6a内圈啮合的棘齿，内环6a可以在转动圆盘6e上相对转动。通过内环6a内圈的棘齿的数量，可以计算每转过一个棘齿时背叶片包角α的变化大小，即不需要刻度但实现了记录转角大小的功能。
内环6a外圈周向均匀设置有若干个铰接凸台。转动圆盘6e以内环6a圆心为中心，在内环6a外侧周向均匀设置有若干个铰接凸台。
可伸缩叶片6d包括依次连接的背叶片首段6d1、若干背叶片中段6d2(根据实际所需可以通过改变其数量多少来控制可伸缩叶片6d的总长度)和背叶片末段6d3。背叶片末段6d3与内环6a外圈通过销钉连接，组成一个转动副；背叶片首段6d1与转动圆盘6e上的铰接凸台铰接在一起，背叶片末段6d3与内环6a上的铰接凸台铰接在一起；背叶片首段6d1限制了5个自由度，只存在一个自由转动的自由度；背叶片中段6d2首端设置有叶片导槽，尾端设置有长条方型凸台，长条方型凸台上设置有与叶片导槽配合使用的定位凸台6d4，相邻背叶片中段6d2之间通过叶片导槽与长条方型凸台啮合，长条方型凸台可在叶片导槽内往复滑动；长条方型凸台上设置有定位凸台6d4，可以使得相邻背叶片段之间始终啮合不脱离，提高可伸缩背叶片6d在工作时的可靠性；内环6a在转动时带动背叶片末段6d3运动，背叶片中段6d2之间的间距改变，使得每个背叶片段上产生向外的拉力或者向内的压缩力，实现可伸缩叶片6d的可伸缩功能。
可伸缩背叶片6d的作用：内环6a转动时，带动背叶片末段6d3转动，通过变化可伸缩背叶片6d的长度，使得背叶片包角α大小发生变化；
力测点布置机构7上设置有与拨动机构6b配合使用的圆孔，即为圆孔的圆心与泵轴14轴心的距离与拨动机构6b的拨动棘轮6b1的圆心至泵轴14轴心距离相同；圆孔在泵工作时被密封塞16堵塞；
本发明提出了一种降低拟合函数时产生的偶然性误差的方法，即将48个应变式力传感器随机、离散的布置在背叶片盘后方的力测点布置机构7处；
泵轴14外部的轴阶梯侧面与泵盖分别标有刻度线，当两刻度线重合时，拨动棘轮6b1位置处于图7的状况下(力测点布置机构7的圆孔正对着拨动机构6b的拨动棘轮6b1的圆心)；
具体实施步骤为：首先转动泵轴14将两个刻度线调至重合，使得拨动棘轮6b1处于附图7的位置，其次将密封塞16拔出，使用一字螺丝刀伸入背叶片盘6的棘轮内的拧紧螺钉6b3，将其拧松，使得棘轮能够转动；第二步，利用十字花螺丝刀拧转十字拧环6b2带动拨动棘轮6b1转动相应的角度。设内环6a内圈设置有72个棘齿，每转过一个棘齿，包角变化大小为：
Δα＝360°/72＝5°
内环6a每次转动一个棘齿时，都会使得棘轮卡爪6c1在弹性金属片6c2的作用下产生敲击的声音，通过敲击声的次数来判断背叶片包角变化的大小，产生刻度盘的效果。
调整完角度之后，将拧紧螺钉6b3拧紧，限制棘轮的转动，从而使得离心泵在运转的过程里内环6a保持固定(背叶片角度α保持固定)，塞上密封塞16；
推导轴向力的总大小的计算公式，具体推导过程如下：
①为了减小拟合F与r和θ的映射关系时得偶然性误差，根据附图6，将48个力测点随机、离散布置；转动泵轴14，测得试验后各个点的力数值大小，得到(F1,F2,F3,......,F48)共48个力数值；(F1,F2,F3,......,F48)的产生原因是：泵轴14在工作时，叶轮后盖板后的流体诱导产生的轴向力作用于力测点布置机构7上，使其产生轻微应变，该应变信息被应变式力传感器采集后通过信号处理器将其转变为电信号输出力的数值大小；
其中F为力测点布置机构7任意点所受的力大小；r为泵轴14的轴心到该点的距离；θ为附图7所示中，该任意点与泵轴14的轴心连线与0°线(以泵轴14的轴心竖直向上的方向为0°线)之间的夹角大小；
②F随r与θ的变化关系，根据步骤①所测得的48组数据，利用数据分析软件(如OriginPro)拟合得到函数f(r,θ)；
该数据分析的具体步骤为：
ⅰ:将所有数值通过数据处理软件(如OriginPro)导出点的分布图形；
ⅱ：观察分析F随r与θ的变化规律，在OriginPro里选择合适的函数类型，对分布图上的曲线进行函数拟合，得出相应的函数表达式f(r,θ)；
③利用二重积分法得出总的轴向力表达式：
r1为力测点布置机构7内圈半径，r2为力测点布置机构7外圈的半径，总的轴向力F轴即为本发明背叶片包角大小对离心泵轴向力影响。
④公式验证：利用上述公式F轴计算任意已测力测点数值与实际测得的数值相比较，观察两者是否存在较大差异，若计算数值与实际数值不一致，重复步骤ⅱ，更换函数类型后继续拟合得到新的函数表达式；数值若保持一致，则该公式正确，推导结束；
在验证本发明的计算公式为正确之后，本发明检测“背叶片包角大小对离心泵轴向力影响”，采用步骤1、2、3即可。
最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
Claims (4)
1.背叶片包角大小对离心泵轴向力影响的实验装置，用于测量泵轴(14)，其特征在于：包括背叶片盘(6)和与背叶片盘(6)配合使用的压力测点布置机构(7)；所述背叶片盘(6)和压力测点布置机构(7)之间设置有间隙；
所述压力测点布置机构(7)上设置有与拨动机构(6b)配合使用的圆孔；所述泵轴(14)穿过压力测点布置机构(7)的轴心；
所述背叶片盘(6)包括内环(6a)、拨动机构(6b)、卡死机构(6c)、可伸缩背叶片(6d)和转动圆盘(6e)；内环(6a)、拨动机构(6b)、卡死机构(6c)和可伸缩背叶片(6d)均设置在转动圆盘(6e)上；
所述内环(6a)内圈设置有棘齿；所述拨动机构(6b)和卡死机构(6c)均位于内环(6a)内侧，可伸缩背叶片(6d)位于内环(6a)外侧；
所述拨动机构(6b)包括拨动棘轮(6b1)、十字拧环(6b2)和拧紧螺钉(6b3)；所述拨动棘轮(6b1)外圈与内环(6a)内圈的棘齿啮合；所述十字拧环(6b2)设置在拨动棘轮(6b1)顶部的轴心位置；所述十字拧环(6b2)和拨动棘轮(6b1)均套设在拧紧螺钉(6b3)上；所述拧紧螺钉(6b3)穿过拨动棘轮(6b1)及十字拧环(6b2)后与转动圆盘(6e)连接；
所述卡死机构(6c)包括棘轮卡爪(6c1)、弹性金属片(6c2)和卡位凸台(6c3)；所述棘轮卡爪(6c1)一端与转动圆盘(6e)转动连接，棘轮卡爪(6c1)另一端与内环(6a)内圈的棘齿啮合；所述弹性金属片(6c2)和卡位凸台(6c3)分别与棘轮卡爪(6c1)两侧抵接；
所述可伸缩背叶片(6d)一端与转动圆盘(6e)转动连接，可伸缩背叶片(6d)另一端与内环(6a)外圈转动连接；
所述泵轴(14)穿过转动圆盘(6e)和内环(6a)的轴心。
2.根据权利要求1所述的背叶片包角大小对离心泵轴向力影响的实验装置，其特征在于：
所述可伸缩背叶片(6d)包括依次连接的背叶片首段(6d1)、至少一个背叶片中段(6d2)和背叶片末段(6d3)；
所述背叶片首段(6d1)与转动圆盘(6e)转动连接，背叶片末段(6d3)与内环(6a)外圈转动连接。
3.根据权利要求2所述的背叶片包角大小对离心泵轴向力影响的实验装置，其特征在于：
所述力测点布置机构(7)上设置有四十八个应变式力传感器。
4.根据权利要求1-3任一所述的实验装置的背叶片包角大小对离心泵轴向力影响的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)、测得各个应变式力传感器所在点到泵轴(14)轴心的距离r，以及各点与泵轴(14)的轴心连线的夹角大小θ；转动泵轴(14)，测得各个应变式力传感器的数值大小，得到F1,F2,F3,......,F48共48个力数值；
2)、根据各个应变式力传感器所在点到泵轴(14)轴心的距离r、各点与泵轴(14)的轴心连线的夹角大小θ和步骤1)所测得的F1,F 2,F3,......,F48，利用数据分析软件拟合得到函数f(r,θ)；
3)、利用二重积分法得出总的轴向力表达式：
r1为力测点布置机构(7)内圈半径，r2为力测点布置机构(7)外圈的半径，总的轴向力F轴即为背叶片包角大小对离心泵轴向力。
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