CN112228358B - 一种固液两相流泵四象限特性试验台 - Google Patents
一种固液两相流泵四象限特性试验台 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于泵实验装置相关领域，公开了一种固液两相流泵四象限特性试验台。由水循环系统、工况控制系统、固液两相流循环系统和高速摄影采集系统组成，深海采矿扬矿泵作为一种固液两相流泵，在运行时需要考虑泵内颗粒在固液两相流中停机回流等工况，因此需要开展泵内固液两相流四象限特性的试验研究。本发明试验台可实现固液两相流泵四象限特性和内流可视化的同步测试，具有结构简单，测试功能齐全等优点。
Description
技术领域
本发明属于泵实验装置相关领域，提供一种固液两相流泵四象限特性试验台。
背景技术
深海矿产资源作为一种发展高新技术的战略性资源，对缓解我国矿产资源的供给压力、增加我国的战略资源保障程度有着极为重大的意义。针对深海矿产资源开发的技术特点，国内外曾经提出了多种开发系统，但目前公认地最有工业开采前景的深海矿石资源开发系统是水力提升式采矿系统，该系统利用海底集矿车采集矿石，再利用扬矿泵通过管道将矿石提升到水面采矿船上。扬矿泵为整个输送系统提供动力，是水力提升式采矿系统的关键设备之一。
深海采矿扬矿泵作为一种固液两相流泵，在运行时必须要考虑泵内固液两相流停机回流等工况，以防止系统堵塞。因此对扬矿泵进行固液两相流四象限特性试验研究十分必要。但目前并没有针对固液两相流泵的四象限特性的试验台。
发明内容
针对以上问题，本发明提供了一种可靠的试验平台，本试验台可以实现固液两相流泵的四象限特性试验，且相比于大部分四象限试验台，搭建时仅需要一台辅助泵就可以实验工况控制。该发明可用于固液两相流泵四象限特性试验，还可以进行固液两相流泵可靠性试验、固液两相流泵外特性试验等，可实现固液两相流泵四象限特性和内流可视化的同步测试，具有结构简单，测试功能齐全等优点。
本发明的技术方案是：
一种固液两相流泵四象限特性试验台，包括水循环系统、工况控制系统、固液两相流循环系统和高速摄影采集系统，
所述水循环系统包括可视化试验泵、安装台和储水箱，以及连接可视化试验泵和储水箱的试验泵进水管路、试验泵出水管路；试验泵进水管路上设置有进口压力变送器和进口球阀，试验泵出水管路上设置有出口压力变送器、出口球阀和电磁流量计；
所述固液两相流循环系统包括循环给料漏斗；循环给料漏斗位于储水箱内；所述试验泵出水管路的出水口伸入循环给料漏斗内；
所述工况控制系统包括带动水泵转动的水泵驱动装置和流向控制装置，所述流向控制装置包括辅助泵、第一球阀，第二球阀，第三球阀，第四球阀；在试验泵进水管路和试验泵出水管路之间设有两条支路，且两条支路位于进口球阀和出口球阀的两侧，每条支路上均设有两个球阀；辅助泵位于两条支路之间，辅助泵的进口位于一条支路上的两个球阀之间，出口位于另一条支路上两个球阀之间；
所述高速摄影采集系统包括高速摄影机、计算机和LED灯，所述高速摄影机和LED灯摆放在可视化试验泵一侧，所述计算机和高速摄影机通过数据同步线相连接。
所述循环给料漏斗入口处高度与储水箱的高度齐平，出口伸入储水箱出口，并且和试验泵进水管路连通。
进口压力变送器、出口压力变送器分别位于进口、出口的2倍管径处。
循环给料漏斗周围开有圆形小孔，小孔直径d0和试验时固液两相流粗颗粒个数、颗粒直径的关系由如下公式确定：
式中：N，试验时固液两相流粗颗粒的颗粒个数；
V，固液两相流循环管路总体积，单位mm3；包括试验泵进水管路、试验泵出水管路、循环给料漏斗的总体积；
cv，试验颗粒体积浓度，单位％；
d，颗粒直径，单位mm；
Ki，试验泵叶片厚度误差系数，取值为0.81～0.90；
Di，试验泵叶片中间流线进口直径，单位mm；
z，试验泵叶轮叶片数；
K，泵内颗粒过流面积修正系数，取0.11～0.13；
Dm，流道可通过最大粒径，mm2；
d0，循环给料漏斗周围圆形小孔直径，单位mm。
所述水泵驱动装置包括变频电机，所述变频电机和试验泵安装台中间段设置有扭矩仪。
所述水循环系统、工况控制系统和固液两相流循环系统设置在试验台支架上，工况控制系统通过三通管和循环管路相连，所述高速摄影采集系统设置在试验台支架一侧。
利用本发明所述固液两相流泵四象限特性试验台进行试验的方法，包括如下步骤：
(1)根据试验时的颗粒大小和浓度来确定颗粒的个数和漏斗周围小孔孔径的大小，计算公式为：
式中：N，试验时固液两相流粗颗粒的颗粒个数；
V，固液两相流循环管路总体积，单位mm3；
cv，试验颗粒体积浓度，单位％；
d，颗粒直径，单位mm；
Ki，试验泵叶片厚度误差系数，取值为0.81～0.90；
Di，试验泵叶片中间流线进口直径，单位mm；
z，试验泵叶轮叶片数；
K，泵内颗粒过流面积修正系数，取0.11～0.13；
Dm，流道可通过最大粒径，mm2；
d0，循环给料漏斗周围圆形小孔直径，单位mm；
(2)步骤(1)确定颗粒个数和漏斗小孔孔径后，将固液两相流粗颗粒投入循环给料漏斗，开启试验装置，通过调节进口球阀、出口球阀、第一球阀，第二球阀，第三球阀或第四球阀，改变流量方向或流量大小，进行试验，得到正转水泵工况、反转水泵工况、正转水轮机工况、反转水轮机工况、正转正流制动工况、正转倒流制动工况、反转正流制动工况、反转倒流制动工况下的试验数据，绘制出四象限特性曲线，并通过高速摄影采集系统可获得不同工况下的颗粒运动特性。
步骤(2)中，正转水泵工况、反转水泵工况、正转水轮机工况、反转水轮机工况、正转正流制动工况、正转倒流制动工况、反转正流制动工况、反转倒流制动工况中，阀门的调节方法为：
正转水泵工况：第一球阀，第二球阀，第三球阀，第四球阀关闭，进口球阀开启，出口球阀用做调节流量，辅助泵停机，变频电机正转；
反转水泵工况：第一球阀，第二球阀，第三球阀，第四球阀关闭，进口球阀开启，出口球阀用做调节流量，辅助泵停机，变频电机反转；
正转水轮机工况：第三球阀、第四球阀、出口球阀关闭，第一球阀、第二球阀开启，进口球阀用做调节流量，辅助泵开机，变频电机停机；
反转水轮机工况：第一球阀、第二球阀、进口球阀关闭，第三球阀、第四球阀开启，出口球阀用做调节流量，辅助泵开机，变频电机停机；
正转正流制动工况：第一球阀、第二球阀、进口球阀关闭，第三球阀、第四球阀开启，出口球阀用做调节流量，辅助泵开机，变频电机正转；
正转倒流制动工况：第三球阀、第四球阀、出口球阀关闭，第一球阀、第二球阀开启，进口球阀用做调节流量，辅助泵开机，变频电机正转；
反转正流制动工况：第一球阀、第二球阀、进口球阀关闭，第三球阀、第四球阀开启，出口球阀用做调节流量，辅助泵开机，变频电机反转；
反转倒流制动工况：第三球阀、第四球阀、出口球阀关闭，第一球阀、第二球阀开启，进口球阀用做调节流量，辅助泵开机，变频电机正转。
本发明的有益效果为：
本发明的一种固液两相流泵四象限特性试验台，可以进行扬矿固液两相流泵四象限特性试验、扬矿固液两相流泵可靠性试验、扬矿固液两相流泵外特性试验等，试验台搭建成本低，测量精度高，可靠性更好。
附图说明
图1是本发明实施例的结构示意图。
图2是本发明实施例的工况控制方案图。
图3是本发明获得的正转水泵工况某一时刻的颗粒分布图。
附图标记说明：
试验泵1，安装台2，储水箱3，进口压力变送器4，进口球阀5，出口压力变送器6，出口球阀7，电磁流量计8，辅助泵9，第一球阀10，第二球阀11，第三球阀12，第四球阀13，循环给料漏斗14，高速摄影机15，计算机16，LED灯17，变频电机18，扭矩仪19。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，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，还可以根据给出附图获得其他的附图。
如图1所示，一种固液两相流泵四象限特性试验台，试验台由水循环系统、工况控制系统、固液两相流循环系统和高速摄影采集系统组成，
所述水循环系统包括可视化试验泵1、安装台2和储水箱3，以及连接可视化试验泵1和储水箱3的试验泵进水管路、试验泵出水管路；试验泵进水管路上设置有进口压力变送器4和进口球阀5，试验泵出水管路上设置有出口压力变送器6、出口球阀7和电磁流量计8；
所述固液两相流循环系统包括循环给料漏斗14；循环给料漏斗14位于储水箱3内；所述试验泵出水管路的出水口伸入循环给料漏斗14内；
所述工况控制系统包括带动水泵转动的水泵驱动装置和流向控制装置，所述流向控制装置包括辅助泵9、第一球阀10，第二球阀11，第三球阀12，第四球阀13；在试验泵进水管路和试验泵出水管路之间设有两条支路，且两条支路位于进口球阀5和出口球阀7的两侧，每条支路上均设有两个球阀；辅助泵9位于两条支路之间，辅助泵的进口位于一条支路上的两个球阀之间，出口位于另一条支路上两个球阀之间；
所述高速摄影采集系统包括高速摄影机15、计算机16和LED灯17，所述高速摄影机15和LED灯17摆放在可视化试验泵一侧，所述计算机16和高速摄影机15通过数据同步线相连接。
所述循环给料漏斗14入口处高度与储水箱3的高度齐平，出口伸入储水箱3出口，并且和试验泵进水管路连通。
进口压力变送器4、出口压力变送器6分别位于进口、出口的2倍管径处。
循环给料漏斗14周围开有圆形小孔，小孔直径d0和试验时固液两相流粗颗粒个数、颗粒直径的关系由如下公式确定：
式中：N，试验时固液两相流粗颗粒的颗粒个数；
V，固液两相流循环管路总体积，单位mm3；包括试验泵进水管路、试验泵出水管路、循环给料漏斗的总体积；
cv，试验颗粒体积浓度，单位％；
d，颗粒直径，单位mm；
Ki，试验泵叶片厚度误差系数，取值为0.81～0.90；
Di，试验泵叶片中间流线进口直径，单位mm；
z，试验泵叶轮叶片数；
K，泵内颗粒过流面积修正系数，取0.11～0.13；
Dm，流道可通过最大粒径，mm2；
d0，循环给料漏斗周围圆形小孔直径，单位mm。
所述水泵驱动装置包括变频电机18，所述变频电机和试验泵安装台中间段设置有扭矩仪19。
所述水循环系统、工况控制系统和固液两相流循环系统设置在试验台支架上，工况控制系统通过三通管和循环管路相连，所述高速摄影采集系统设置在试验台支架一侧。
本实施例中，可视化试验泵1为扬矿模型泵，过流部件采用有机玻璃(PMMA)加工制造，扬矿泵设计参数为流量82m3/h、扬程20m、转速960r/min，试验粗颗粒粒径为8mm，浓度为5％，循环给料漏斗圆形小孔直径5mm。
如图2所示，在进行四象限特性试验时，各个工况改变由工况控制系统来实现，方法如下：
正转水泵工况：第一球阀10，第二球阀11，第三球阀12，第四球阀13关闭，进口球阀5开启，出口球阀7用做调节流量，辅助泵9停机，变频电机18正转；
反转水泵工况：第一球阀10，第二球阀11，第三球阀12，第四球阀13关闭，进口球阀5开启，出口球阀7用做调节流量，辅助泵9停机，变频电机18反转；
正转水轮机工况：第三球阀12、第四球阀13、出口球阀7关闭，第一球阀10、第二球阀11开启，进口球阀5用做调节流量，辅助泵9开机，变频电机18停机；
反转水轮机工况：第一球阀10、第二球阀11、进口球阀5关闭，第三球阀12、第四球阀13开启，出口球阀7用做调节流量，辅助泵9开机，变频电机18停机；
正转正流制动工况：第一球阀10、第二球阀11、进口球阀5关闭，第三球阀12、第四球阀13开启，出口球阀7用做调节流量，辅助泵9开机，变频电机18正转；
正转倒流制动工况：第三球阀12、第四球阀13、出口球阀7关闭，第一球阀10、第二球阀11开启，进口球阀5用做调节流量，辅助泵9开机，变频电机18正转；
反转正流制动工况：第一球阀10、第二球阀11、进口球阀5关闭，第三球阀12、第四球阀13开启，出口球阀7用做调节流量，辅助泵9开机，变频电机18反转；
反转倒流制动工况：第三球阀12、第四球阀13、出口球阀7关闭，第一球阀10、第二球阀11开启，进口球阀5用做调节流量，辅助泵9开机，变频电机18正转。
根据上述方法可以实现四象限不同工况的控制，通过高速摄影采集系统可获得不同工况下的颗粒运动特性，并根据实验数据可绘制四象限特性曲线。
如图3所示为本发明四象限试验获得的正转水泵工况某一时刻的颗粒分布图。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及本发明的优点，本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种的变化和改进，这种变化和改进都落入本发明的要求保护内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (5)
1.一种固液两相流泵四象限特性试验台，其特征在于：包括水循环系统、工况控制系统、固液两相流循环系统和高速摄影采集系统，
所述水循环系统包括可视化试验泵(1)、安装台(2)和储水箱(3)，以及连接可视化试验泵(1)和储水箱(3)的试验泵进水管路、试验泵出水管路；试验泵进水管路上设置有进口压力变送器(4)和进口球阀(5)，试验泵出水管路上设置有出口压力变送器(6)、出口球阀(7)和电磁流量计(8)；
所述固液两相流循环系统包括循环给料漏斗(14)；循环给料漏斗(14)位于储水箱(3)内；所述试验泵出水管路的出水口伸入循环给料漏斗(14)内；所述循环给料漏斗(14)入口处高度与储水箱(3)的高度齐平，出口伸入储水箱(3)出口，并且和试验泵进水管路连通；循环给料漏斗(14)周围开有圆形小孔，小孔直径d0和试验时固液两相流粗颗粒个数、颗粒直径的关系由如下公式确定：
式中：N，试验时固液两相流粗颗粒的颗粒个数；
V，固液两相流循环管路总体积，单位mm3；包括试验泵进水管路、试验泵出水管路、循环给料漏斗的总体积；
cv，试验颗粒体积浓度，单位％；
d，颗粒直径，单位mm；
Ki，试验泵叶片厚度误差系数，取值为0.81～0.90；
Di，试验泵叶片中间流线进口直径，单位mm；
z，试验泵叶轮叶片数；
K，泵内颗粒过流面积修正系数，取0.11～0.13；
Dm，流道可通过最大粒径，mm2；
d0，循环给料漏斗周围圆形小孔直径，单位mm；
所述工况控制系统包括带动水泵转动的水泵驱动装置和流向控制装置，所述流向控制装置包括辅助泵(9)、第一球阀(10)，第二球阀(11)，第三球阀(12)，第四球阀(13)；在试验泵进水管路和试验泵出水管路之间设有两条支路，且两条支路位于进口球阀(5)和出口球阀(7)的两侧，每条支路上均设有两个球阀；辅助泵(9)位于两条支路之间，辅助泵的进口位于一条支路上的两个球阀之间，出口位于另一条支路上两个球阀之间；
所述高速摄影采集系统包括高速摄影机(15)、计算机(16)和LED灯(17)，所述高速摄影机(15)和LED灯(17)摆放在可视化试验泵一侧，所述计算机(16)和高速摄影机(15)通过数据同步线相连接。
2.如权利要求1所述的一种固液两相流泵四象限特性试验台，其特征在于：进口压力变送器(4)、出口压力变送器(6)分别位于进口、出口的2倍管径处。
3.如权利要求1所述的一种固液两相流泵四象限特性试验台，其特征在于：所述水泵驱动装置包括变频电机(18)，所述变频电机和试验泵安装台中间段设置有扭矩仪(19)。
4.如权利要求1所述的一种固液两相流泵四象限特性试验台，其特征在于：所述水循环系统、工况控制系统和固液两相流循环系统设置在试验台支架上，工况控制系统通过三通管和循环管路相连，所述高速摄影采集系统设置在试验台支架一侧。
5.利用权利要求1～4任一项所述固液两相流泵四象限特性试验台进行试验的方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)根据试验时的颗粒大小和浓度来确定颗粒的个数和漏斗周围小孔孔径的大小，计算公式为：
式中：N，试验时固液两相流粗颗粒的颗粒个数；
V，固液两相流循环管路总体积，单位mm3；
cv，试验颗粒体积浓度，单位％；
d，颗粒直径，单位mm；
Ki，试验泵叶片厚度误差系数，取值为0.81～0.90；
Di，试验泵叶片中间流线进口直径，单位mm；
z，试验泵叶轮叶片数；
K，泵内颗粒过流面积修正系数，取0.11～0.13；
Dm，流道可通过最大粒径，mm2；
d0，循环给料漏斗周围圆形小孔直径，单位mm；
(2)步骤(1)确定颗粒个数和漏斗小孔孔径后，将固液两相流粗颗粒投入循环给料漏斗(14)，开启试验装置，通过调节进口球阀(5)、出口球阀(7)、第一球阀(10)，第二球阀(11)，第三球阀(12)或第四球阀(13)，改变流量方向或流量大小，进行试验，得到正转水泵工况、反转水泵工况、正转水轮机工况、反转水轮机工况、正转正流制动工况、正转倒流制动工况、反转正流制动工况、反转倒流制动工况下的试验数据，绘制出四象限特性曲线，并通过高速摄影采集系统可获得不同工况下的颗粒运动特性；
其中，正转水泵工况、反转水泵工况、正转水轮机工况、反转水轮机工况、正转正流制动工况、正转倒流制动工况、反转正流制动工况、反转倒流制动工况中，阀门的调节方法为：
正转水泵工况：第一球阀(10)，第二球阀(11)，第三球阀(12)，第四球阀(13)关闭，进口球阀(5)开启，出口球阀(7)用做调节流量，辅助泵(9)停机，变频电机(18)正转；
反转水泵工况：第一球阀(10)，第二球阀(11)，第三球阀(12)，第四球阀(13)关闭，进口球阀(5)开启，出口球阀(7)用做调节流量，辅助泵(9)停机，变频电机(18)反转；
正转水轮机工况：第三球阀(12)、第四球阀(13)、出口球阀(7)关闭，第一球阀(10)、第二球阀(11)开启，进口球阀(5)用做调节流量，辅助泵(9)开机，变频电机(18)停机；
反转水轮机工况：第一球阀(10)、第二球阀(11)、进口球阀(5)关闭，第三球阀(12)、第四球阀(13)开启，出口球阀(7)用做调节流量，辅助泵(9)开机，变频电机(18)停机；
正转正流制动工况：第一球阀(10)、第二球阀(11)、进口球阀(5)关闭，第三球阀(12)、第四球阀(13)开启，出口球阀(7)用做调节流量，辅助泵(9)开机，变频电机(18)正转；
正转倒流制动工况：第三球阀(12)、第四球阀(13)、出口球阀(7)关闭，第一球阀(10)、第二球阀(11)开启，进口球阀(5)用做调节流量，辅助泵(9)开机，变频电机(18)正转；
反转正流制动工况：第一球阀(10)、第二球阀(11)、进口球阀(5)关闭，第三球阀(12)、第四球阀(13)开启，出口球阀(7)用做调节流量，辅助泵(9)开机，变频电机(18)反转；
反转倒流制动工况：第三球阀(12)、第四球阀(13)、出口球阀(7)关闭，第一球阀(10)、第二球阀(11)开启，进口球阀(5)用做调节流量，辅助泵(9)开机，变频电机(18)正转。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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