CN110146253B - 一种海水淡化柱塞泵配流盘动压润滑效应可视化实验平台 - Google Patents
一种海水淡化柱塞泵配流盘动压润滑效应可视化实验平台 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种海水淡化柱塞泵配流盘动压润滑效应可视化实验平台，属于流体机械检测技术领域，由部件单元、外部液压控制单元、内部液压通道组成。内部液压通道位于部件单元内，外部液压控制单元位于部件单元外，并与内部液压通道相连接。部件单元由外壳、配流盘转子、压板、挠性联轴器、复合挠性连接件、传动轴、水润滑轴承、填料密封、三维力传感器、配流盘定子、定位销组成。外部液压控制单元由高压蓄能器、增压泵、闭式水箱、压力控制阀、低压蓄能器组成。内部液压通道由低压进口管路、间隙通道、排液管道、高压进口管路、高压出口管路、渗液孔组成。本发明能够实现柱塞泵水膜动压支撑特性的可视化测试，是一种实用性很强的可视化实验平台。
Description
技术领域
本发明属于流体机械检测技术领域，具体的说，是涉及一种海水淡化柱塞泵配流盘动压润滑效应可视化实验平台。
背景技术
海水淡化柱塞泵作为中小型反渗透海水淡化的核心部件，是整个系统的“心脏”，是流体动力的最直接来源。柱塞泵作为反渗透海水淡化领域为数不多的可供选择的增压设备，尽管我国也有柱塞泵产品，但转子系统可靠性设计技术较落后，致使产品不能有效地长期运行，寿命不能保证，因此长期依赖进口。配流盘作为柱塞泵转子系统设计并实现动压润滑的核心部件，直接决定着柱塞泵运行稳定、摩擦功耗、可靠性、使用寿命等关键性能指标。但是目前，尚未有针对海水淡化柱塞泵配流盘动压润滑效应的测试系统和平台。本专利申请将为配流盘结构设计，包括微孔造型、尺寸确定等提供实验方案，对不同结构配流盘摩擦表面动压润滑效应的可视化观测提供支持，为水膜动压支撑特性的研究提供论证依据。
发明内容
本发明主要是现有技术中尚未有针对海水淡化柱塞泵配流盘动压润滑效应的测试系统和平台的问题，提供一种海水淡化柱塞泵配流盘动压润滑效应可视化实验平台，对不同结构配流盘摩擦表面动压润滑效应的可视化观测提供支持。
为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现。
一种海水淡化柱塞泵配流盘动压润滑效应可视化实验平台，由部件单元、外部液压控制单元、内部液压通道组成；
所述的内部液压通道位于部件单元内，外部液压控制单元位于部件单元外，外部液压控制单元与内部液压通道相连接；
所述的部件单元由外壳、配流盘转子、压板、挠性联轴器、复合挠性连接件、传动轴、水润滑轴承、填料密封、三维力传感器、配流盘定子、定位销组成；
所述的外部液压控制单元由高压蓄能器、增压泵、闭式水箱、压力控制阀、低压蓄能器组成；
所述的内部液压通道由低压进口管路、间隙通道、排液管道、高压进口管路、高压出口管路、渗液孔组成；
所述的外壳为带有液压通道的长方体，外壳的右侧中心轴处有一圆形盲孔，所述的压板为带有一圆柱凸台的圆柱体，所述的压板的中心轴线有一圆形通孔；
所述的压板的圆柱凸台放置在外壳的圆形盲孔内，所述的压板通过螺栓与外壳定位固定，所述的外壳的圆形盲孔与压板的圆柱凸台的形状都配合；
所述的传动轴伸入压板的圆形通孔内，传动轴从左至右依次连接三维力传感器、挠性联轴器、转矩转速传感器、电机；
所述的水润滑轴承、填料密封套在位于压板5内的传动轴上；
所述的配流盘转子通过键连接方式与复合挠性连接件连接在传动轴上；所述的配流盘定子、配流盘转子、复合挠性连接件位于外壳包围的圆形盲孔内；
所述的配流盘定子通过定位销与外壳的圆形盲孔底面定位固定；
所述的配流盘定子、配流盘转子之间有一间隙通道；
所述的水润滑轴承上开有渗液孔；
所述的高压蓄能器、增压泵、闭式水箱、压力控制阀依次通过管路相连接；
所述的低压蓄能器通过管路与闭式水箱相连接；
所述的低压进口管路、间隙通道、排液管道相连接；所述的低压进口管路与低压蓄能器相连接，所述的排液管道的出口为外壳的排泄孔；
所述的高压进口管路、间隙通道、高压出口管路相连接；所述的高压进口管路与高压蓄能器相连接，所述的高压出口管路与压力控制阀相连接；
所述的渗液孔与高压进口管路相连通；
作为优选地，所述的外壳、配流盘转子、压板、配流盘定子、定位销选用有机玻璃为材料，有机玻璃的透光性有利于Micro-PIV实验激光的投射以及相机对流场的捕捉，有机玻璃的厚度要满足承压需求；
作为优选地，所述的高压蓄能器、低压蓄能器为气囊式蓄能器；
作为优选地，所述的复合挠性连接件选用金属与橡胶的复合材料；
作为优选地，所述的挠性联轴器选用轴向位移可调节的弹性联轴器；
在本发明，需要说明的是：
高压蓄能器起到稳压并持续补充海水的作用，高压侧蓄能器配合压力控制阀模拟柱塞泵实际工况下的出口压力，约5.5Mpa，并根据实际需要进行调节，低压侧蓄能器压力为0.3Mpa。
复合挠性连接件在保证能有效传递扭矩的同时还存在必要的允许配流盘转子产生微小偏移的挠性，从而满足形成楔形水润滑薄膜的要求。
挠性联轴器可以预载停机时试验装置配流盘转子与配流盘定子的初始支撑力。
压力控制阀作为现有常规控制阀件，能够控制出口压力，保证选定参数与柱塞泵出口压力保持一致。
三维力传感器作为现有常规控传感器主要用于测量传动轴的轴向力。
挠性联轴器能够在实验开始前对轴所受轴向力进行预调节，同时也能够调节配流盘转子与定子间的预紧力。
水润滑轴承通过胶圈与压板保持固定，与配流盘转子产生相对运动，海水为水润滑轴承主要润滑介质，水润滑轴承的润滑液主要从高压进口管路中获取。
配流盘转子具有奇数个过流通孔，为了在旋转过程中周期性地与配流盘定子、压板的进口通路相连通。
配流盘定子具有两个半圆环形通孔，高压侧通孔为了将转子中的高压海水收集并送至压力控制阀，低压侧通孔为了将低压海水输出至排液孔。
渗液孔是为了让高压进口管路中的少量海水进入到水润滑轴承与传动轴的间隙内，提升润滑效果。
本发明提出的一种海水淡化柱塞泵配流盘动压润滑效应可视化实验平台，在使用时，闭式水箱里的海水经高压泵增压进入高压蓄能器，再进入高压进口管路、高压出口管路，进入高压出口管路的高压海水经由压力控制阀的管路再进入闭式水箱，此外，闭式水箱里的海水进入低压蓄能器，再进入低压进口管路，流经排液管道，从泄流孔排出。由于间隙通道与低压进口管路、排液管道、高压进口管路、高压出口管路相连通，因此在配流盘转子与配流盘定子之间会有一定压力的海水介质存在，通常配流盘转子与配流盘定子之间的间隙通道为间隙配合，配流盘转子与配流盘定子一般维持在几微米到几十微米，且根据水压大小在配流盘转子转动过程中可以通过复合挠性连接件进行维持瞬态自调节，并满足配流盘转子轴向的偏移。一般配流盘转子与配流盘定子流体在间隙通道相连通的时候，局部间隙减小；配流盘转子与配流盘定子的流体在间隙通道中不连通时，受高压海水的作用，局部间隙压力升高以至于配流盘转子出来的海水将配流盘定子“推开”，但是配流盘定子具有位移限制是不会移动，所以配流盘转子会相对被推开微米级的间隙，配流盘转子、配流盘定子流道周期性的联通与非联通的状态形成了周期性的间隙变化。对于水润滑薄膜的厚度，与配流盘转子和配流盘定子间的间隙大小是对应的，高压区的间隙比较大，低压区的间隙比较小，由此形成了楔形结构的水膜。在实验时，采用现有先进的成熟的Micro-PIV技术，在海水中加入示踪粒子，在海水经整个装置流场充分循环后，通过微调挠性联轴器的轴向支撑力，改变配流盘转子和配流盘定子的摩擦副间水膜的间隙，来观察不同水膜厚度下内部流场分布情况，并进行激光片光投射与速度场拍摄。本发明技术方案原理清晰、技术成熟、可操作性强、能够实现柱塞泵水膜动压支撑特性的可视化测试。综上，本发明是一种实用性很强的可视化实验平台。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。
附图说明
附图作为本发明的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。显然，下面描述中的附图仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
在附图中：
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的局部结构放大图；
图3为配流盘定子结构平面示意图；
图4为内部液压通道及流体方向示意图；
图中：附图说明：1-低压进口管路，2-外壳，3-配流盘转子，4-排液管道，5-压板，6-挠性联轴器，7-增压泵，8-闭式水箱，9-复合挠性连接件，10-传动轴，11-水润滑轴承，12-填料密封，13-高压出口管路，14-三维力传感器，15-配流盘定子，16-定位销，17-高压进口管路，18-渗液孔。
需要说明的是，这些附图和文字描述并不旨在以任何方式限制本发明的构思范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。
实施例：如图1-4所示，一种海水淡化柱塞泵配流盘动压润滑效应可视化实验平台，由部件单元、外部液压控制单元、内部液压通道组成；
内部液压通道位于部件单元内，外部液压控制单元位于部件单元外，并与内部液压通道相连接；部件单元由外壳2、配流盘转子3、压板5、挠性联轴器6、复合挠性连接件9、传动轴10、水润滑轴承11、填料密封12、三维力传感器14、配流盘定子15、定位销16组成；
外部液压控制单元由高压蓄能器、增压泵7、闭式水箱8、压力控制阀、低压蓄能器组成；
内部液压通道由低压进口管路1、间隙通道、排液管道4、高压进口管路17、高压出口管路13组成；
外壳2为带有液压通道的长方体，外壳2的右侧中心轴处有一圆形盲孔，压板5为带有一圆柱凸台的圆柱体，压板5的中心轴线有一圆形通孔；压板5的圆柱凸台放置在外壳2的圆形盲孔内，压板5通过螺栓与外壳2定位固定，外壳2的圆形盲孔与压板5的圆柱凸台的形状都配合；电机、转矩转速传感器、挠性联轴器6、传动轴10通过机械传动构件依次相连接；传动轴10伸入压板5的圆形通孔内，传动轴10从左至右依次连接三维力传感器14、挠性联轴器6、转矩转速传感器、电机；
水润滑轴承11、填料密封12套在位于压板5内的传动轴10上；
三维力传感器14套在靠近压板5侧的挠性联轴器6上；配流盘转子3通过键连接方式与复合挠性连接件9连接在传动轴10上；配流盘定子15、配流盘转子3、复合挠性连接件9位于压板5的圆形通孔内；配流盘定子15通过定位销16与外壳2的圆形盲孔底面定位固定，配流盘定子15、配流盘转子3之间有一间隙通道，水润滑轴承11上开有渗液孔18；
高压蓄能器、增压泵7、闭式水箱8、压力控制阀依次通过管路相连接；低压蓄能器通过管路与闭式水箱8相连接；
低压进口管路1、间隙通道、排液管道4相连接；低压进口管路1与低压蓄能器相连接，排液管道4的出口为外壳2的排泄孔；高压进口管路17、间隙通道、高压出口管路13相连接；高压进口管路17与高压蓄能器相连接，高压出口管路13与压力控制阀相连接；
渗液孔18与高压进口管路17相连通；
外壳2、配流盘转子3、压板5、配流盘定子15、定位销16选用有机玻璃为材料，有机玻璃的透光性有利于Micro-PIV实验激光的投射以及相机对流场的捕捉，有机玻璃的厚度要满足承压需求；
高压蓄能器、低压蓄能器为气囊式蓄能器；
复合挠性连接件9选用金属与橡胶的复合材料；
挠性联轴器6选用轴向位移可调节的弹性联轴器；
在本实施例，需要说明的是：
高压蓄能器起到稳压并持续补充海水的作用，高压侧蓄能器配合压力控制阀模拟柱塞泵实际工况下的出口压力，约5.5Mpa，并根据实际需要进行调节，低压侧蓄能器压力为0.3Mpa。
复合挠性连接件9在保证能有效传递扭矩的同时还存在必要的允许配流盘转子3产生微小偏移的挠性，从而满足形成楔形水润滑薄膜的要求。
挠性联轴器6可以预载停机时试验装置配流盘转子3与配流盘定子15的初始支撑力。
压力控制阀作为现有常规控制阀件，能够控制出口压力，保证选定参数与柱塞泵出口压力保持一致。
三维力传感器14作为现有常规控传感器主要用于测量传动轴10的轴向力。
挠性联轴器6能够在实验开始前对轴所受轴向力进行预调节，同时也能够调节配流盘转子3与定子间的预紧力。
水润滑轴承11通过胶圈与压板5保持固定，与配流盘转子3产生相对运动，海水为水润滑轴承11主要润滑介质，水润滑轴承11的润滑液主要从高压进口管路17中获取。
配流盘转子3具有奇数个过流通孔，为了在旋转过程中周期性地与配流盘定子15、压板5的进口通路相连通。
渗液孔18是为了让高压进口管路17中的少量海水进入到水润滑轴承11与传动轴10的间隙内，提升润滑效果。
如图3所示，配流盘定子15具有两个半圆环形通孔，高压侧通孔为了将转子中的高压海水收集并送至压力控制阀，低压侧通孔为了将低压海水输出至排液孔。
本实施例提出的一种海水淡化柱塞泵配流盘动压润滑效应可视化实验平台，在使用时，闭式水箱8里的海水经高压泵增压进入高压蓄能器，再进入高压进口管路17、高压出口管路13，进入高压出口管路13的高压海水经由压力控制阀的管路再进入闭式水箱8，此外，闭式水箱8里的海水进入低压蓄能器，再进入低压进口管路1，流经排液管道4，从泄流孔排出。由于间隙通道与低压进口管路1、排液管道4、高压进口管路17、高压出口管路13相连通，因此在配流盘转子3与配流盘定子15之间会有一定压力的海水介质存在，通常配流盘转子3与配流盘定子15之间的间隙通道为间隙配合，配流盘转子3与配流盘定子15一般维持在几微米到几十微米，且根据水压大小在配流盘转子3转动过程中可以通过复合挠性连接件9进行维持瞬态自调节，并满足配流盘转子3轴向的偏移。一般配流盘转子3与配流盘定子15流体在间隙通道相连通的时候，局部间隙减小；配流盘转子3与配流盘定子15的流体在间隙通道中不连通时，受高压海水的作用，局部间隙压力升高以至于配流盘转子3出来的海水将配流盘定子15“推开”，但是配流盘定子15具有位移限制不会移动，所以配流盘转子3会相对被推开微米级的间隙，配流盘转子3、配流盘定子15流道周期性的联通与非联通的状态形成了周期性的间隙变化。对于水润滑薄膜的厚度，与配流盘转子3和配流盘定子15间的间隙大小是对应的，高压区的间隙比较大，低压区的间隙比较小，由此形成了楔形结构的水膜。在实验时，采用现有先进的成熟的Micro-PIV技术，在海水中加入示踪粒子，在海水经整个装置流场充分循环后，通过微调挠性联轴器6的轴向支撑力，改变配流盘转子3和配流盘定子15的摩擦副间水膜的间隙，来观察不同水膜厚度下内部流场分布情况，并进行激光片光投射与速度场拍摄。本实施例技术方案原理清晰、技术成熟、可操作性强、能够实现柱塞泵水膜动压支撑特性的可视化测试。综上，本实施例是一种实用性很强的可视化实验平台。
以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明方案的范围内。
Claims (5)
1.一种海水淡化柱塞泵配流盘动压润滑效应可视化实验平台，其特征在于，由部件单元、外部液压控制单元、内部液压通道组成；
所述的内部液压通道位于部件单元内，外部液压控制单元位于部件单元外，外部液压控制单元与内部液压通道相连接；
所述的部件单元由外壳(2)、配流盘转子(3)、压板(5)、挠性联轴器(6)、复合挠性连接件(9)、传动轴(10)、水润滑轴承(11)、填料密封(12)、三维力传感器(14)、配流盘定子(15)、定位销(16)组成；
所述的外部液压控制单元由高压蓄能器、增压泵(7)、闭式水箱(8)、压力控制阀、低压蓄能器组成；
所述的内部液压通道由低压进口管路(1)、间隙通道、排液管道(4)、高压进口管路(17)、高压出口管路(13)、渗液孔(18)组成；
所述的外壳(2)为带有液压通道的长方体，外壳(2)的右侧中心轴处有一圆形盲孔，所述的压板(5)为带有一圆柱凸台的圆柱体，所述的压板(5)的中心轴线有一圆形通孔；
所述的压板(5)的圆柱凸台放置在外壳(2)的圆形盲孔内，所述的压板(5)通过螺栓与外壳(2)定位固定，所述的外壳(2)的圆形盲孔与压板(5)的圆柱凸台的形状都配合；
所述的传动轴(10)伸入压板(5)的圆形通孔内，所述的传动轴(10)从左至右依次连接三维力传感器(14)、挠性联轴器(6)、转矩转速传感器、电机；
所述的配流盘转子(3)通过键连接方式与复合挠性连接件(9)连接在传动轴(10)上；所述的配流盘定子(15)、配流盘转子(3)、复合挠性连接件(9)位于外壳(2)包围的圆形盲孔内；
所述的配流盘定子(15)通过定位销(16)与外壳(2)的圆形盲孔底面定位固定；
所述的配流盘定子(15)、配流盘转子(3)之间有一间隙通道；
所述水润滑轴承(11)内开有渗液孔(18)；
所述的高压蓄能器、增压泵(7)、闭式水箱(8)、压力控制阀依次通过管路相连接，所述的低压蓄能器通过管路与闭式水箱(8)相连接；
所述的电机、转矩转速传感器、挠性联轴器(6)、传动轴(10)通过机械传动构件相连接。
2.根据权利要求1所述的海水淡化柱塞泵配流盘动压润滑效应可视化实验平台，其特征在于，所述的低压进口管路(1)、间隙通道、排液管道(4)相连接；所述的低压进口管路(1)与低压蓄能器相连接，所述的排液管道(4)的出口为外壳(2)的排泄孔，所述的高压进口管路(17)、间隙通道、高压出口管路(13)相连接；所述的高压进口管路(17)与高压蓄能器相连接，所述的高压出口管路(13)与压力控制阀相连接，所述的渗液孔(18)与高压进口管路(17)相连通。
3.根据权利要求2所述的一种海水淡化柱塞泵配流盘动压润滑效应可视化实验平台，其特征在于，所述的外壳(2)、配流盘转子(3)、压板(5)、配流盘定子(15)、定位销(16)选用有机玻璃为材料。
4.根据权利要求3所述的一种海水淡化柱塞泵配流盘动压润滑效应可视化实验平台，其特征在于，所述的高压蓄能器、低压蓄能器为气囊式蓄能器。
5.根据权利要求4所述的一种海水淡化柱塞泵配流盘动压润滑效应可视化实验平台，其特征在于，所述的挠性联轴器(6)选用轴向位移可调节的弹性联轴器。
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