CN111024366B - 低温环境下高速诱导轮空化机理的集成式试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了低温环境下高速诱导轮空化机理的集成式试验装置，包括集成式基板、储液器及试验器，集成式基板上安装有恒温箱及集成控制器，恒温箱内安装储液器，储液器通过送液管连接试验器，试验器由集成控制器控制，送液管置于恒温箱内；恒温箱通过集成控制器控制恒温；本发明将试验装置集成于基板上，使得各部件整齐划一的布置，方便操控；而且本发明增设了恒温箱，恒温箱以自动化方式来保持箱体内稳定恒定；将待测液体调至试验要求的低温并恒定的送入到试验器中，待测液体的输送过程在恒温箱内进行，避免了输送过程中待测液体的温度发生变化，从而提高测试结果的精度与可靠性，为低温空化流动提供理论基础。

Description

低温环境下高速诱导轮空化机理的集成式试验装置

技术领域

本发明属于诱导轮空化机理研究领域，具体涉及了低温环境下高速诱导轮空化机理的集成式试验装置。

背景技术

液体火箭发动机离心泵的高转速发展趋势以及低温介质的输送，使得其进口处特别容易发生空化，加装诱导轮是改善其空化最有效的途径。目前，诱导轮空化不稳定性问题是液体火箭发动机急需解决的难题之一，研究其叶顶泄漏涡空化机理是解决该问题的基础研究。

空化是指液体运动中物体受空化冲击后，表面会出现的变形和材料剥蚀现象，又称剥蚀或气蚀。空化过程中，空泡急速产生、扩张和溃灭，在液体中形成激波或高速微射流。金属材料受到冲击后，表面晶体结构被扭曲，出现化学不稳定性，使邻近晶粒具有不同的电势，从而加速电化学腐蚀过程。剥蚀区域材料的机械性能显著恶化，导致空蚀量剧增。在有关工程设计中，须预先进行模型试验，采取措施，尽量避免发生空蚀。

开展针对性的诱导轮低温空化试验，根据试验结果提出改进措施与方案，从而减弱空化作用；目前绝大多数诱导轮实验装置对于低温控制出处理较难实现，在实验过程中液体的温度往往高于所需的低温温度，导致试验结果产生偏差。

发明内容

本发明的目的在于提供低温环境下高速诱导轮空化机理的集成式试验装置，针对现有技术中的缺陷，将试验装置集成于基板上，使得各部件整齐划一的布置，方便操控；而且本发明增设了恒温箱，恒温箱以自动化方式来保持箱体内稳定恒定；将待测液体调至试验要求的低温并恒定的送入到试验器中，待测液体的输送过程在恒温箱内进行，避免了输送过程中待测液体的温度发生变化，从而提高测试结果的精度与可靠性，为低温空化流动提供理论基础。

为了解决上述技术问题，采用如下技术方案：

低温环境下高速诱导轮空化机理的集成式试验装置，包括集成式基板、储液器及试验器，储液器连接试验器，其特征在于：集成式基板上安装有恒温箱及集成控制器，恒温箱内安装储液器，储液器通过送液管连接试验器，试验器由集成控制器控制，送液管置于恒温箱内，送液管上连接有第一水泵，第一水泵由集成控制器控制；恒温箱通过集成控制器控制恒温；送液管与试验器之间连接有检测导管，检测导管上设有流速传感器与第一温度传感器，流速传感器与第一温度传感器电性连接集成控制器。

进一步，恒温箱的表面设有控制面板，控制面板与集成控制器连接，控制面板的表面设有显示屏、第一水泵开关与试验开关。本发明设置控制面板来操控试验部件，从而完成诱导轮空化试验，操控方便。显示屏用于显示各个传感器的检测数据，方便操作人员根据检测数据做出对应性的操作。

进一步，恒温箱内安装有第二温度传感器、冷却器与加热器，集成控制器包括有温控模块与设定模块，第二温度传感器连接温控模块，温控模块控制冷却器与加热器，设定模块设定温度；控制面板上设有恒温开关与温度设定键，恒温开关控制恒温箱工作，温度设定键与设定模块连接。第二温度传感器、冷却器、加热器、温度控模块与设定模块以自动化方式来维持恒温箱温度恒定，其工作原理为：设定模块预先设置试验所需低温范围，第二温度传感器实时监测恒温箱内的问题，在温度高于所述低温范围时，温控模块启动冷却器，对恒温箱进行降温，直至降温到所述低温范围；反之启动加热器，升温至所述低温范围。随后冷却器开启较低的功率，对恒温箱进行保温，使其维持在所述的低温范围。通过恒温箱的恒温功能实现对液体的调温与保温，使其在所述低温范围内参与空化试验，从而提高测试结果的精度与可靠性，为低温空化流动提供理论基础。

进一步，送液管上连接有三通电磁阀与缓流器，三通电磁阀的第一出口连接缓流器，三通电磁阀的第二出口连接架桥管，架桥管的另一端越过缓流器连接送液管，通过缓流器减缓流速，三通电磁阀由集成控制器控制，控制面板的表面设有三通电磁阀开关，三通电磁阀开关控制三通电磁阀。本发明通过三通电磁阀分连出架桥管，流经架桥管时，待测液体以正常流速输送；而流经缓流器时，对待测液体进行减速，以此来试验不同流速下诱导轮空化流动的变化。

进一步，缓流器包括缓流通道、缓流轮、缓流电机与减速器，缓流通道内安装有缓流轮，缓流轮连接减速器，减速器连接缓流电机，减速器与缓流电机均由集成控制器控制，控制面板上设有缓流调速开关，通过缓流调速开关控制减速器与缓流电机。缓流轮由缓流电机驱动，在缓流通道内转动，通过其转动来达到缓流的目的，结构简单，设计巧妙。而减速器用于控制缓流电机的输出转速，从而调节缓流轮的转动速率，不同的转动速率对于待测液体的流速有不同的减速效果，缓流轮在高速转动下，缓流效果较差，缓流轮在低速转动下，缓流效果较好；以此来调节待测液体的流速，试验不同流速下诱导轮空化流动的变化。该缓流器结构简单，设计巧妙，操控方便。

进一步，试验器包括机壳、试验机体、诱导轮、试验电机、中心轴与高速相机模组，机壳内安装试验机体，中心轴一端连接试验电机，另一端穿入到试验机体内，诱导轮安装于中心轴的顶部；机壳的表面围绕有高速相机模组，机壳的表面设置拍摄口，拍摄口环绕设置，与高速相机模组相互匹配，试验机体设有透明拍摄窗、圆环凸透镜与石英玻璃管，透明拍摄窗、圆环凸透镜与石英玻璃管由外到内依次设置；试验电机与高速相机模组均由集成控制器控制，控制面板上设有试验开关，试验开关控制试验电机与高速相机模组。本发明通过机壳来安装试验机体，一方面保护机体面受外力撞击而损坏，另一方面具有一定的隔热效果。该试验机体包括有圆环凸透镜，通过圆环凸透镜来放大诱导轮的低温空化流动，使得成像更为清晰，便于研究。

进一步，高速相机模组包括安装支架与高速相机，安装支架由连接杆与圆环安装架组成，连接杆一端连接拍摄口之间的机壳，连接杆的另一端连接圆环安装架；圆环安装架内设有安装槽，安装槽安装高速相机；高速相机安装有2-4架，与拍摄口的数量相匹配。高速相机模组设置多架高速相机，多架高速相机以环绕方式设置在机壳周圈，达到多角度全方位的拍摄低温空化流动图像，全方位的呈现低温空化流动，对于研究、分析空化流动具有重大帮助。

进一步，试验器还包括有出液口，出液口与试验机体的内腔连通；出液口上连接有回液管，回液管通过第二水泵连接至液盒，液盒通过进液管连接储液器，第二水泵由集成控制器控制，控制面板上设有第二水泵开关，第二水泵开关控制第二水泵。回液管与第二水泵对试验后的液体进行回收，一方面方便进行二次或多次试验，循环利用，符合节能环保的理念，另一方面解决排液问题，防止液体随意排放而造成污染。

进一步，液盒分为4-8个储液区，每个储液区的下方均连接有进液支管，进液支管上安装有阀门，进液支管的另一端连接至汇流横管，汇流横管连接进液管；回液管的端口处连接有回液软管，每个储液区的上端均设有开口，回液软管可接入到开口内。本发明的液盒设置有多个储液区，每个储液区可以存放不同类的液体，可以依次检测不同液体的低温空化流动情况，检测范围广，适合于不同领域。具体操作为：打开对应的储液区阀门，并将回液软管插入到对应的储液区内即可，操作方便。

进一步，回液软管上套接有开口盖，开口盖可在回液软管上活动，开口盖与开口相互匹配。开口盖一方面封堵开口，另一方面对于回液软管具有定位作用，防止其从储液区内弹出。

由于采用上述技术方案，具有以下有益效果：

本发明为低温环境下高速诱导轮空化机理的集成式试验装置，针对现有技术中的缺陷，将试验装置集成于集成式基板上，使得各部件整齐划一的布置，方便操控；而且本发明增设了恒温箱，恒温箱以自动化方式来保持箱体内稳定恒定；将待测液体调至试验要求的低温并恒定的送入到试验器中，待测液体的输送过程在恒温箱内进行，避免了输送过程中待测液体的温度发生变化，从而提高测试结果的精度与可靠性，为低温空化流动提供理论基础。其具体有益效果表现为以下几点：

1、本发明的试验装置集成的安装于集成式基板上，通过集成式基板对各个部件进行定位，使得各部件整齐划一的布置，防止各部件被打乱，也方便了试验装置的搬移、运送或安装固定。

2、恒温箱以自动化方式来保持箱体内稳定恒定；一方面将待测液体在储液器内调温至试验要求的温度，实现自主调温，对原料液体的温度无要求。另一方面待测液体的输送过程在恒温箱内进行，避免了输送过程中待测液体的温度发生变化，从而提高测试结果的精度与可靠性，为低温空化流动提供理论基础。

3、检测导管检测待测液体的流速与温度，从而探测流速与温度对低温空化流动的影响。

4、第二温度传感器、冷却器、加热器与温度控模块以自动化方式来维持恒温箱温度恒定，其工作原理为：温控模块内预先设置试验所需低温范围，第二温度传感器实时监测恒温箱内的问题，在温度高于所述低温范围时，温控模块启动冷却器，对恒温箱进行降温，直至降温到所述低温范围；反之启动加热器，升温至所述低温范围。随后冷却器开启较低的功率，对恒温箱进行保温，使其维持在所述的低温范围。通过恒温箱的恒温功能实现对液体的调温与保温，使其在所述低温范围内参与空化试验，从而提高测试结果的精度与可靠性，为低温空化流动提供理论基础。

5、缓流轮由缓流电机驱动，在缓流通道内转动，通过其转动来达到缓流的目的，结构简单，设计巧妙。而减速器用于控制缓流电机的输出转速，从而调节缓流轮的转动速率，不同的转动速率对于待测液体的流速有不同的减速效果，缓流轮在高速转动下，缓流效果较差，缓流轮在低速转动下，缓流效果较好；以此来调节待测液体的流速，试验不同流速下诱导轮空化流动的变化。该缓流器结构简单，设计巧妙，操控方便。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图1为集成式试验装置的整体图；

图2为缓流器的结构示意图；

图3为试验器的内部结构示意图；

图4为机壳示意图；

图5为高速相机模组俯视方向的结构示意图；

图6为控制面板的结构示意图。

具体实施方式

如图1至图6所示，低温环境下高速诱导轮38空化机理的集成式试验装置，包括集成式基板1、恒温箱2、试验器16与集成控制器(图中未标出)组成；本发明的所有部件均设置于集成式基板1上，通过集成式基板1对各个部件进行定位，使得各部件整齐划一的布置，防止各部件被打乱，也方便了试验装置的搬移、运送或安装固定。集成控制器安装于集成式基板1内，其用于控制试验装置的各个电气部件，并设有匹配的控制面板46，控制面板46上设有显示屏47与相应的控制开关；本发明设置控制面板46来操控试验部件，从而完成诱导轮38空化试验，操控方便。显示屏47用于显示各个传感器的检测数据，方便操作人员根据检测数据做出对应性的操作。控制开关用于操控相应的电气部件。

在集成式基板1的最上端安装有液盒25，液盒25用于存放待测液体，液盒25分为4-8个储液区26(如图1所述)，每个储液区26的下方均连接有进液支管28，进液支管28上安装有阀门29，阀门29用于控制对应的储液区26出液；进液支管28的另一端连接至汇流横管30，即每根进液支管28均连接至汇流横管30，汇流横管30连接进液管31，进液管31通入到恒温箱2内的储液器中。本发明的液盒25设置有多个储液区26，每个储液区26可以存放不同类的液体，可以依次检测不同液体的低温空化流动情况，检测范围广，适合于不同领域。

恒温箱2安装于液盒25的下端位置，恒温箱2内安装储液器6、送液管8、第一水泵9、三通电磁阀10与缓流器11。储液器6连接进液管31，液体在储液器6内调温至测试温度；储液器6连接送液管8，送液管8上连接有第一水泵9。第一水泵9由集成控制器控制，控制面板46上设有第一水泵开关48，通过第一水泵开关48来操控第一水泵9，从而控制液体输送。

送液管8的另一端穿出恒温箱2。送液管8上连接有三通电磁阀10与缓流器11，三通电磁阀10的第一出口连接缓流器11，三通电磁阀10的第二出口连接架桥管12，架桥管12的另一端越过缓流器11连接送液管8，通过缓流器11减缓流速；三通电磁阀10由集成控制器控制，控制面板46的表面设有三通电磁阀开关55，三通电磁阀开关55控制三通电磁阀10，以开启第一出口或第二出口。本发明通过三通电磁阀10分连出架桥管12，流经架桥管12时，待测液体以正常流速输送；而流经缓流器11时，对待测液体进行减速，以此来试验不同流速下诱导轮38空化流动的变化。

缓流器11包括缓流通道32、缓流轮35、缓流电机33与减速器34，缓流通道32内安装有缓流轮35，缓流轮35连接减速器34，减速器34连接缓流电机33，减速器34与缓流电机33均由集成控制器控制，控制面板46上设有缓流调速开关50，通过缓流调速开关50控制减速器34与缓流电机33(该缓流调速开关50通过旋钮结构来调节减速器34的减速档位)。缓流轮35由缓流电机33驱动，在缓流通道32内转动，通过其转动来达到缓流的目的，结构简单，设计巧妙。而减速器34用于控制缓流电机33的输出转速，从而调节缓流轮35的转动速率，不同的转动速率对于待测液体的流速有不同的减速效果，缓流轮35在高速转动下，缓流效果较差，液体流速快，缓流轮35在低速转动下，缓流效果较好，液体流速慢；以此来调节待测液体的流速，试验不同流速下诱导轮38空化流动的变化。该缓流器11结构简单，设计巧妙，操控方便。

恒温箱2具有保持恒温的功能，由内部安装的第二温度传感器5、冷却器3与加热器4，配合集成控制器的温控模块与设定模块实现。第二温度传感器5连接温控模块，其检测的恒温箱2温度在显示屏47上实时显示。温控模块控制冷却器3与加热器4，设定模块设定温度；控制面板46上设有恒温开关49与温度设定键54，恒温开关49控制恒温箱2工作，温度设定键54与设定模块连接，用于设定恒温温度。第二温度传感器5、冷却器3、加热器4、温度控模块与设定模块以自动化方式来维持恒温箱2温度恒定，其工作原理为：设定模块预先设置试验所需低温范围，第二温度传感器5实时监测恒温箱2内的问题，在温度高于所述低温范围时，温控模块启动冷却器3，对恒温箱2进行降温，直至降温到所述低温范围；反之启动加热器4，升温至所述低温范围。随后冷却器3开启较低的功率，对恒温箱2进行保温，使其维持在所述的低温范围。通过恒温箱2的恒温功能实现对液体的调温与保温，使其在所述低温范围内参与空化试验，从而提高测试结果的精度与可靠性，为低温空化流动提供理论基础。

本发明的恒温箱2内壁上设有隔热层7，通过隔热层7对恒温箱2进行保温隔热。

送液管8穿出恒温箱2的一端连接有一段检测导管13，检测导管13连接试验器16，检测导管13上设有流速传感器15与第一温度传感器56，流速传感器15与第一温度传感器56电性连接集成控制器。流速传感器15用于检测流入试验器16的液体流速，第一温度传感器56用于检测流入试验器16的液体温度，其将检测的信号传递至集成控制器，在显示屏47上实时显示流速与温度。通过检测导管13检测待测液体的流速与温度，从而探测流速与温度对低温空化流动的影响。

检测导管13还连接有试验阀门14，开启试验阀门14方可将待测液体倒入到试验器16中，从而开始试验。

试验器16包括机壳17、试验机体57、诱导轮38、试验电机19、中心轴37与高速相机模组18，机壳17内安装试验机体57，机壳17的表面围绕有高速相机模组18，该高速相机模组18环绕机壳17一圈，机壳17的表面设置拍摄口39，拍摄口39环绕设置，与高速相机模组18相互匹配，即两者相互对齐；试验机体57设有透明拍摄窗40、圆环凸透镜41与石英玻璃管42，透明拍摄窗40、圆环凸透镜41与石英玻璃管42由外到内依次设置，且与拍摄口39对齐；中心轴37一端连接试验电机19，另一端穿入到试验机体57内的液体流道36中，诱导轮38安装于中心轴37的顶部；流道36的下端部设有导流体58，导流体58将液体流道36连接试验器16的出液口20。试验电机19与高速相机模组18均由集成控制器控制，控制面板46上设有试验开关51，试验开关51控制试验电机19与高速相机模组18。本发明通过机壳17来安装试验机体57，一方面保护机体面受外力撞击而损坏，另一方面具有一定的隔热效果。该试验机体57包括有圆环凸透镜41，通过圆环凸透镜41来放大诱导轮38的低温空化流动，使得成像更为清晰，便于研究。

高速相机模组18包括安装支架与高速相机45，安装支架由连接杆44与圆环安装架43组成，连接杆44一端连接拍摄口39之间的机壳17，连接杆44的另一端连接圆环安装架43；圆环安装架43内设有安装槽，安装槽安装高速相机45；高速相机45安装有2-4架，与拍摄口39的数量相匹配，每台高速相机45配备一个拍摄口39，两者相互对齐。高速相机45模组18设置多架高速相机45，多架高速相机45以环绕方式设置在机壳17周圈，达到多角度全方位的拍摄低温空化流动图像，全方位的呈现低温空化流动，对于研究、分析空化流动具有重大帮助。

试验器16的出液口20还连接有回液管21，回液管21通过第二水泵22连接至液盒25，液盒25通过进液管31连接储液器6，第二水泵22由集成控制器控制，控制面板46上设有第二水泵开关52，第二水泵开关52控制第二水泵22。回液管21与第二水泵22对试验后的液体进行回收，一方面方便进行二次或多次试验，循环利用，符合节能环保的理念，另一方面解决排液问题，防止液体随意排放而造成污染。

回液管21的端口处连接有回液软管23，每个储液区26的上端均设有开口27，回液软管23可接入到开口27内。具体操作为：打开对应的储液区26阀门29，并将回液软管23插入到对应的储液区26内即可，操作方便，可以将待测液体导入回流到对应的储液区26内，实现二次或多次试验，提高试验结果的精确性。

软管上套接有开口盖24，开口盖24可在回液软管23上活动，开口盖24与开口27相互匹配。开口盖24一方面封堵开口27，另一方面对于回液软管23具有定位作用，防止其从储液区26内弹出。

以上仅为本发明的具体实施例，但本发明的技术特征并不局限于此。任何以本发明为基础，为解决基本相同的技术问题，实现基本相同的技术效果，所作出地简单变化、等同替换或者修饰等，皆涵盖于本发明的保护范围之中。

Claims (6)

1.低温环境下高速诱导轮空化机理的集成式试验装置，包括集成式基板、储液器及试验器，所述储液器连接所述试验器，其特征在于：所述集成式基板上安装有恒温箱及集成控制器，所述恒温箱内安装所述储液器，所述储液器通过送液管连接所述试验器，所述试验器由所述集成控制器控制，所述送液管置于所述恒温箱内，所述送液管上连接有第一水泵，所述第一水泵由所述集成控制器控制；所述恒温箱通过所述集成控制器控制恒温；所述送液管与所述试验器之间连接有检测导管，所述检测导管上设有流速传感器与第一温度传感器，所述流速传感器与所述第一温度传感器电性连接所述集成控制器；

所述恒温箱的表面设有控制面板，所述控制面板与所述集成控制器连接，所述控制面板的表面设有显示屏、第一水泵开关与试验开关，所述试验开关控制所述试验器；

所述送液管上连接有三通电磁阀与缓流器，所述三通电磁阀的第一出口连接所述缓流器，所述三通电磁阀的第二出口连接架桥管，所述架桥管的另一端越过所述缓流器连接所述送液管，通过所述缓流器减缓流速，所述三通电磁阀由所述集成控制器控制，所述控制面板的表面设有三通电磁阀开关，所述三通电磁阀开关控制所述三通电磁阀；

所述试验器包括机壳、试验机体、诱导轮、试验电机、中心轴与高速相机模组，所述机壳内安装所述试验机体，所述中心轴一端连接试验电机，另一端穿入到试验机体内，所述诱导轮安装于所述中心轴的顶部；所述机壳的表面围绕有所述高速相机模组，所述机壳的表面设置拍摄口，所述拍摄口环绕设置，与所述高速相机模组相互匹配，所述试验机体设有透明拍摄窗、圆环凸透镜与石英玻璃管，所述透明拍摄窗、所述圆环凸透镜与所述石英玻璃管由外到内依次设置；所述试验电机与所述高速相机模组均由所述集成控制器控制，所述试验开关控制所述所述试验电机与所述高速相机模组；所述高速相机模组包括安装支架与高速相机，所述安装支架由连接杆与圆环安装架组成，所述连接杆一端连接所述拍摄口之间的所述机壳，所述连接杆的另一端连接所述圆环安装架；所述圆环安装架内设有安装槽，所述安装槽安装所述高速相机；所述高速相机安装有2-4架，与所述拍摄口的数量相匹配。

2.根据权利要求1所述的低温环境下高速诱导轮空化机理的集成式试验装置，其特征在于：所述恒温箱内安装有第二温度传感器、冷却器与加热器，所述集成控制器包括有温控模块与设定模块，所述第二温度传感器连接所述温控模块，所述温控模块控制所述冷却器与所述加热器，所述设定模块设定温度；所述控制面板上设有恒温开关与温度设定键，所述恒温开关控制恒温箱工作，所述温度设定键与所述设定模块连接。

3.根据权利要求1所述的低温环境下高速诱导轮空化机理的集成式试验装置，其特征在于：所述缓流器包括缓流通道、缓流轮、缓流电机与减速器，所述缓流通道内安装有缓流轮，所述缓流轮连接所述减速器，所述减速器连接所述缓流电机，所述减速器与所述缓流电机均由所述集成控制器控制，所述控制面板上设有缓流调速开关，通过所述缓流调速开关控制所述减速器与所述缓流电机。

4.根据权利要求1所述的低温环境下高速诱导轮空化机理的集成式试验装置，其特征在于：所述试验器还包括有出液口，所述出液口与所述试验机体的内腔连通；所述出液口上连接有回液管，所述回液管通过第二水泵连接至液盒，所述液盒通过进液管连接所述储液器，所述第二水泵由所述集成控制器控制，所述控制面板上设有第二水泵开关，所述第二水泵开关控制所述第二水泵。

5.根据权利要求4所述的低温环境下高速诱导轮空化机理的集成式试验装置，其特征在于：所述液盒分为4-8个储液区，每个所述储液区的下方均连接有进液支管，所述进液支管上安装有阀门，所述进液支管的另一端连接至汇流横管，所述汇流横管连接所述进液管；所述回液管的端口处连接有回液软管，每个所述储液区的上端均设有开口，所述回液软管可接入到所述开口内。

6.根据权利要求5所述的低温环境下高速诱导轮空化机理的集成式试验装置，其特征在于：所述回液软管上套接有开口盖，所述开口盖可在回液软管上活动，所述开口盖与所述开口相互匹配。

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