CN110940438A - 超重力离心机离心舱内多热源产热量测试装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超重力离心机离心舱内多热源产热量测试装置。包括圆柱形筒体、底板、上盖板和密封圈构成离心舱试验腔体；腔体内同轴设有带绝热层的带冷却离心舱，该舱中心的下端面固定在下支撑轴上，该轴上安装有离心舱扭矩传感器；上盖板外的马达转轴通过联轴器与高速转轴的一端相连，高速转轴的另一端穿过装在上盖板上的动密封装置，经带冷却离心舱的上端中心孔后与高速转子连接，构成高速转子系统；带冷却离心舱的液冷夹套的上、下端分别安装有冷却液进口管和出口管。本发明产热部位安装有隔热层，与冷却液接触的部位也安装有隔热层，产生的热量不会因为散失而引起误差；本发明将离心舱内各热源的产热量进行测定，为对应的散热设计提供依据。

Description

超重力离心机离心舱内多热源产热量测试装置
技术领域
本发明涉及热量测试装置，特别是涉及一种超重力离心机离心舱内多热源产热量测试装置。
背景技术
超重力土工离心机是研究岩土演变、地质构造演变、地质灾难还原等地质演变过程再现试验的必不可少的装置。随着加速度g的不断增加，离心机转速越来越高，线速度接近音速，甚至音速的一倍以上，如此高的转速会导致转子与空气摩擦产生大量热量。因此土工离心机的散热问题成为一个难题，一般要求离心舱温度控制在45℃以下。为了设计合理的散热装置，需要分清离心舱内各部位的产热量，传统测试方法采用在马达转轴处设置扭矩传感器测得输入功率，除去转子动能部分后，可以得到风阻功率转化的热量。但是该热量是一个总量，没有分清楚高速转子与空气摩擦产生的热量（第一热源）和高速旋转空气与离心舱壁面摩擦产生的热源（第二热源）的占比，如果得到这个占比，就可以分别设计侧壁散热装置和空气冷却装置。当离心机的载荷进一步增加时，离心室内的产热量会进一步增加，这时候冷风冷却联合冷水冷却也无法达到散热的要求。为了解决这个问题，最有效的方法是对离心室抽真空，降低空气的密度以降低转臂与空气的摩擦生热，但是抽真空后会引发另外的问题，一是由于真空状态下空气分子稀薄，传热能力也大幅下降，且真空状态下空气对流微弱，因此，转臂与空气摩擦引起的转臂温度升高的热量无法被有效传递出去。因此需要搞清楚不同真空度下高速转子产热量规律，给大型土工离心机的散热设计提供设计依据。
各种不同机构产热量的测试方法有多种，如浙江大学郑传祥等设计的CN201820875384.5“一种真空环境下土工离心机空气摩擦产热量测试装置”就是一种总体风阻功率的测试，没有第一热源和第二热源的分开测试方法；苏州宇量电池有限公司的CN201620405443.3“电池循环过程中产热量测量装置”；北京新能源汽车股份有限公司的CN201610680634.5“一种电池温场模拟装置、系统和电池热管理的验证方法”；广东工业大学 的CN201020102687.7“圆柱型动力电池材料产热量测量装置”；广东省特种设备检测研究院顺德检测院的CN201610861648.7 “一种基于正平衡的工业燃油蒸汽锅炉效率测试装置及方法”；北京航空航天大学的CN201410266013.3“高低温低压环境下手部散热能力模拟装置”等，这些是一般物体的发热量测试，而对于不同真空下的测试也局限于温度检测，没有产热量测试。 目前国内还没有一种能在不同真空度下能测试高速转子多热源产热量的方法，也没见到相关测试结果的报道。
发明内容
为了解决超重力离心机散热问题，需要分清楚离心机舱内多热源产热量的占比问题，目前理论计算没有成熟的方法，因此最好的方法是采用试验测试装置，本发明目的在于提供一种超重力离心机离心舱内多热源产热量测试装置，该装置采用冷却液冷却高速转子系统产生的热量，使高速转子的产热与冷却液吸收的热量相平衡，从而通过计算得到各个热源的产热量。
本发明采用的技术方案是：
本发明包括圆柱形筒体、底板、上盖板和圆柱形筒体与上盖板之间的密封圈构成离心舱试验腔体；离心舱试验腔体内同轴设置有圆柱形的带绝热层的、带液冷夹套的离心舱，离心舱中心的下端面固定在下支撑轴上；下支撑轴上安装有两个轴承，两个轴承之间的下支撑轴上安装有离心舱扭矩传感器，两个轴承固定在支架上，支架固定在圆柱形筒体的底板内底面；装在上盖板外的马达转轴通过联轴器与高速转轴的一端相连，高速转轴的另一端穿过装在上盖板的动密封装置中心孔，经离心舱的上端中心孔后，高速转轴的另一端与高速转子连接，构成高速转子系统；圆柱形筒体的底板外底面安装在基础上。
所述离心舱的液冷夹套的下底面焊接钢板，钢板的中心与下支撑轴焊接连在一起，液冷夹套的上端安装有冷却液进口管，冷却液进口管穿过圆柱形筒体后，设有冷却液进液温度传感器，液冷夹套的下端安装有冷却液出口管，冷却液出口管穿过圆柱形筒体后，设有冷却液出液温度传感器，冷却液出管口经冷冻液泵、流量计后与冷却液进口管连通，构成冷却液循环回路；离心舱的圆柱形液冷夹套的内侧壁面分别设有温度传感器和风速压力传感器，所有传感器引线经传感器引出管和相连的密封装置后，引出离心舱试验腔体外。
所述高速转轴的另一端与高速转子连接，是通过高速转子固定盘和高速转子固定螺栓固定连接。
所述离心舱的上盖板与该上盖板的绝热层通过快开铰链与液冷夹套相连，能打开离心舱的上盖板与该上盖板的绝热层。
所述马达上安装有功率计，马达的转轴上安装有转速传感器，联轴器和动密封装置之间的高速转轴上安装有输入轴扭矩传感器，以上传感器信号通过引线引出。
所述离心舱试验腔体内接有真空泵的真空抽气接管。
所述上盖板上装有压力表。
本发明具有的有益效果是：
整个测量系统产热部位安装有隔热层，与冷却液接触的部位也安装有隔热层，因此产生的热量不会因为散失而引起误差；本发明将离心舱内各热源的产热量进行定量测定，为对应的散热设计提供了可靠的依据。
附图说明
图1是本发明测试装置的结构主视图。
图2是高速转子的俯视图。
图中：1、轴承，2、真空泵，3、真空抽气接管，4、离心舱扭矩传感器，5、离心舱，6、高速转子，7、冷却液循环回路，8、密封圈，9、压紧螺杆，10、上盖板，11、高速转子固定盘，12、高速转子固定螺栓，13、输入轴扭矩传感器，14、联轴器，15、引线，16、功率计，17、马达，18、压力表，19、动密封装置，20、温度传感器，21、高速转轴，22、风速压力传感器，23、传感器引出线，24、密封装置，25、液冷夹套，26、底板，27、基础，28、快开铰链，29、冷却液出液温度传感器，30、冷冻液泵，31、流量计，32、冷却液进液温度传感器，33、绝热层，34、圆柱形筒体，35、传感器引出管，36、下支撑轴，37、支架，38、转速传感器
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1、图2所示，本发明包括圆柱形筒体34、底板26、上盖板10和圆柱形筒体34与上盖板10之间的密封圈8构成离心舱试验腔体，圆柱形筒体34与上盖板10用压紧螺扦压紧；离心舱试验腔体内同轴设置有圆柱形的带绝热层33的、带液冷夹套25的离心舱5，离心舱5中心的下端面固定在下支撑轴36上；下支撑轴36上安装有上、下两个轴承1，两个轴承1之间的下支撑轴36上安装有离心舱扭矩传感器4，两个轴承1固定在支架37上，支架37固定在圆柱形筒体34的底板26内底面；装在上盖板10外的马达17转轴通过联轴器14与高速转轴21的一端相连，高速转轴21的另一端穿过装在上盖板10的动密封装置19中心孔，经离心舱5的上端中心孔后，高速转轴21的另一端与高速转子6连接，构成高速转子系统；圆柱形筒体34的底板26外底面安装在基础27上。所述离心舱5的液冷夹套25的下底面焊接钢板，钢板的中心与下支撑轴36焊接连在一起，液冷夹套25的上端安装有冷却液进口管，冷却液进口管穿过圆柱形筒体34后，设有冷却液进液温度传感器32，液冷夹套25的下端安装有冷却液出口管，冷却液出口管穿过圆柱形筒体34后，设有冷却液出液温度传感器29，冷却液出管口经冷冻液泵30、流量计31后与冷却液进口管连通，构成冷却液循环回路7；离心舱5的圆柱形液冷夹套25的内侧壁面上、中、下位置分别设有温度传感器20和风速压力传感器22，所有传感器引出线23经传感器引出管35和相连的密封装置24后，引出离心舱试验腔体外。
所述高速转轴21的另一端与高速转子6连接，是通过高速转子固定盘11和高速转子固定螺栓12固定连接。
所述离心舱5的上盖板与该上盖板的绝热层33通过快开铰链28与液冷夹套25相连，能打开离心舱5的上盖板与该上盖板的绝热层33。
所述马达17上安装有功率计16，马达17的转轴上安装有转速传感器38，联轴器14和动密封装置19之间的高速转轴21上安装有输入轴扭矩传感器13，以上传感器信号通过引线15引出。
所述离心舱试验腔体内接有真空泵2的真空抽气接管3。
所述上盖板上装有压力表18。
本发明的工作原理：
a)将高速转子6通过高速转子固定螺栓12固定在高速转子固定盘11上，关上带隔热层和带冷却夹套的离心舱5的上盖，将快开铰链28拧紧，盖上上盖板10；连接各传感器至相应的仪表；
b)开启真空泵2，将离心舱试验腔体抽真空到设定的真空值，也可以是常压下实验，保持该真空度一段时间后，开启马达17，使高速转子6达到设定的转速；
c)在高速转子6与空气摩擦过程中会产生一定的热量，当温度传感器20检测到温度开始升高时，启动冷冻液泵30，将冷却液注入液冷夹套25内，当风阻功率转变的热量与冷却液带走的热量达到平衡后，离心舱5内的温度将保持不变；
d)此时记录流量计31的读数，记录冷却液出液温度传感器29和冷却液进液温度传感器32的读数，记录功率计16的读数，记录离心舱扭矩传感器4、输入轴扭矩传感器13的读数，记录离心舱5内壁上、中、下的温度传感器20和风速压力传感器22的读数；
e)根据以上记录数据可以计算出高速转子与空气摩擦产生的热量（第一热源）Q1和高速旋转空气与离心舱5壁面摩擦产生的热量（第二热源）Q2，高速转子系统的动能E可以计算得到，通过底部的离心机扭矩传感器4可以计算得到空气与壁面的扭矩，进而得到剪切力，可以计算得到相应的剪切力做功引起的热量Q2，而总发热量Q由冷却液带走可以测到，此可以分清楚各热源的比例。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.超重力离心机离心舱内多热源产热量测试装置，其特征在于：包括圆柱形筒体(34)、底板(26)、上盖板(10)和圆柱形筒体(34)与上盖板(10)之间的密封圈(8)构成离心舱试验腔体；离心舱试验腔体内同轴设置有圆柱形的带绝热层(33)的、带液冷夹套(25)的离心舱(5)，离心舱(5)中心的下端面固定在下支撑轴(36)上；下支撑轴(36)上安装有两个轴承(1)，两个轴承(1)之间的下支撑轴(36)上安装有离心舱扭矩传感器(4)，两个轴承(1)固定在支架(37)上，支架(37)固定在圆柱形筒体(34)的底板(26)内底面；装在上盖板(10)外的马达(17)转轴通过联轴器(14)与高速转轴(21)的一端相连，高速转轴(21)的另一端穿过装在上盖板(10)的动密封装置(19)中心孔，经离心舱(5)的上端中心孔后，高速转轴(21)的另一端与高速转子(6)连接，构成高速转子系统；圆柱形筒体(34)的底板(26)外底面安装在基础(27)上。
2.根据权利要求1所述的超重力离心机离心舱内多热源产热量测试装置，其特征在于：所述离心舱(5)的液冷夹套(25)的下底面焊接钢板，钢板的中心与下支撑轴(36)焊接连在一起，液冷夹套(25)的上端安装有冷却液进口管，冷却液进口管穿过圆柱形筒体(34)后，设有冷却液进液温度传感器(32)，液冷夹套(25)的下端安装有冷却液出口管，冷却液出口管穿过圆柱形筒体(34)后，设有冷却液出液温度传感器(29)，冷却液出管口经冷冻液泵(30)、流量计(31)后与冷却液进口管连通，构成冷却液循环回路(7)；离心舱(5)的圆柱形液冷夹套(25)的内侧壁面分别设有温度传感器(20)和风速压力传感器(22)，所有传感器引出线(22)经传感器引出管(35)和相连的密封装置(24)后，引出离心舱试验腔体外。
3.根据权利要求1所述的超重力离心机离心舱内多热源产热量测试装置，其特征在于：所述高速转轴(21)的另一端与高速转子(6)连接，是通过高速转子固定盘(11)和高速转子固定螺栓(12)固定连接。
4.根据权利要求1所述的超重力离心机离心舱内多热源产热量测试装置，其特征在于：所述离心舱(5)的上盖板与该上盖板的绝热层(33)通过快开铰链(28)与液冷夹套(25)相连，能打开离心舱(5)的上盖板与该上盖板的绝热层(33)。
5.根据权利要求1所述的超重力离心机离心舱内多热源产热量测试装置，其特征在于：所述马达(17)上安装有功率计(16)，马达(17)的转轴上安装有转速传感器(38)，联轴器(14)和动密封装置(19)之间的高速转轴(21)上安装有输入轴扭矩传感器(13)，以上传感器信号通过引线(15)引出。
6.根据权利要求1所述的一种超重力离心机离心舱内多热源产热量测试装置，其特征在于：所述离心舱试验腔体内接有真空泵(2)的真空抽气接管(3)。
7.根据权利要求1所述的一种超重力离心机离心舱内多热源产热量测试装置，其特征在于：所述上盖板上装有压力表(18)。
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