CN113623238B - 一种低温泵性能测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低温泵性能测试系统。控温控压装置的内外罐体均容置有液氮和氮气，内罐体置于外罐体的液氮和氮气内；潜液泵内设液氮池，液氮池容置有液氮，液氮池内布置泵体；较小液氮罐和较大液氮罐均与液氮泵入口连接，液氮泵经汽化器接到高压气罐；高压气罐经阀和控温控压装置的内外罐体连接，较大液氮罐液相口和控温控压装置的内罐体、低温泵测试段连接，低温泵测试段和较小液氮罐连接，控温控压装置内罐体和诱导轮测试段连接，诱导轮测试段和潜液泵液氮池连接，泵体出口经阀、流量计和较小液氮罐入口、低温泵测试段、控温控压装置内罐体连接。本发明实现温度、压力、流量参数的调节控制，满足实验前准备、实验后液氮回收的自动控制。

Description

一种低温泵性能测试系统

技术领域

本发明涉及了一种泵测试系统，尤其是涉及一种低温泵性能测试系统。

背景技术

空化是指液体流动过程中由于静压降低到饱和蒸汽压附近而汽化的现象。空化是一个非常复杂的过程，并且会产生相应不同程度的噪声，当涉及到低温流体时，其复杂性会进一步增加。低温流体中的空化现象，普遍存在于低温泵、阀门、流量计及系统管路中。空化的产生及溃灭会导致的高压从而引发振动、噪声以及对固体壁面的腐蚀。对低温流体空化的非稳态机理进行研究，有助于低温涡轮泵、低温阀门等流体机械的振动噪声控制。

随着载人航天、深空探测等大型航天活动的开展，对液体运载火箭的推力要求越来越高，用作推进剂的低温流体在流经推进系统时容易发生空化,使得内部流场变得不稳定而引起强烈的机械振动，从而降低了液体火箭发动机的可靠性和推力性能。对低温流体的非稳态空化特性及机理的深入理解有助于液体火箭发动机低温泵系统性能优化,因此具有重要作用。空化现象是导致火箭发动机低温泵失效的基础问题。低温泵可满足低温液态空气和低温液态氮气的输送和增压要求，是构成液态空气储能系统的重要工艺设备，对其结构和性能进行研究和优化可促进液态空气储能技术的发展。空化现象会在离心泵内产生大量气泡及伴随气泡流动和溃灭过程中的强烈水击，会导致低温泵的扬程效率急剧下降和过流部件的损坏,严重时影响到整个机组的稳定运行。低温泵汽蚀性能影响的理论和实验基础还不够完善，故掌握低温流体空化特性及其机理具有重要的理论意义和工程应用价值。

发明内容

本发明的目的是根据已经存在的问题和现有技术的不足，提供一种特定低温状态液氮的低温泵性能测试平台系统，具备高度自动化的控制，能够针对温度、压力、流量不同时，实现不同工况下低温泵的性能测试。其应用需求在于科研领域中测试低温流体在特定输入条件下的空化情形的基础性研究工作。

本发明所采用的技术方案是：

本发明包括较小液氮罐、高压气罐、汽化器、液氮泵、较大液氮罐、控温控压装置、潜液泵、流量计、换热器和盘管；控温控压装置包括内罐体和外罐体，内罐体和外罐体均容置有液氮和氮气，内罐体置于外罐体的液氮和氮气内；潜液泵内设液氮池，液氮池容置有液氮，液氮池内布置泵体；较小液氮罐和较大液氮罐的出口均与液氮泵入口连接，液氮泵的出口经汽化器连接到高压气罐；

所述增压控制时，设置了液氮泵和高压气罐，液氮通过液氮泵升压后进入汽化器复温，存储在高压气罐中。

所述的高压气罐存储高压氮气，为控温控压装置提供压力源；

所述的汽化器对低温氮气或者液氮增压，防止进入高压气罐的压力过低；

所述的液氮泵使液氮的循环流动，为高压气罐提供压力源。

所述高压气罐和汽化器对高压气罐快速增压和升温，以达到实验所需工况。

高压气罐分别经各自一个阀和控温控压装置的内罐体、外罐体连接，较大液氮罐的液相口经阀分别和控温控压装置的内罐体、低温泵测试段的一端连接，低温泵测试段的另一端经阀和较小液氮罐的入口连接，控温控压装置的内罐体经换热器和诱导轮测试段的一端连接，诱导轮测试段的另一端和潜液泵液氮池连接，潜液泵内的泵体出口经阀和流量计的一端连接，流量计的另一端分别经阀分别和较小液氮罐的入口、低温泵测试段的另一端、控温控压装置的内罐体连接。

所述控温控压装置的外罐体经旁通阀和潜液泵液氮池连接。

所述的较大液氮罐连接有增压装置，通过增压装置对较大液氮罐内部压力进行自增压。

所述的诱导轮测试段处安装低温泵内部的诱导轮结构，用于测试和观察空化性能；所述的低温泵测试段处安装低温泵整体，用于测试低温泵整体性能。

所述的液氮罐、控温控压装置的内罐体和外罐体、潜液泵液氮池的气相口均连接有抽气组件，抽气组件包括水浴电加热器和真空泵组，真空泵组的入口和水浴电加热器的一端连接，水浴电加热器的另一端作为抽气组件的入口端。

本发明能满足如下三种运行模式：负温正压模式、负温负压模式及正温正压模式，满足实验前准备、实验后液氮回收的自动控制。液氮空化试验台主体设计为一套闭式液氮循环系统，同时还兼具开式测试流程，可根据实验需要由用户自由选择闭式或开式两种测试流程。

本发明系统，具备闭式循环系统和开式循环系统两种测试流程。

闭式循环系统具体完整流动经过过程为：测试路液氮经较大液氮罐、控温控压装置、诱导轮测试段、潜液泵、流量计、控温控压装置，由此形成闭式循环系统。

开式循环系统具体完整流动经过过程为：测试路液氮经较大液氮罐、控温控压装置、诱导轮测试段、潜液泵、流量计、较小液氮罐，由此形成开式循环系统。

闭式循环系统具有液氮消耗量小，各工况之间转换快速，可短时间内进行多种工况点试验的优点；

开式循环系统在单独进行诱导轮测试，不辅助配合低温泵的时候，诱导轮可能因为扬程较小，无法实现闭式循环，此时可使用开式系统进行测试。

开式系统具有可实现诱导轮极端工况测试的优点。开式系统的冷量即温度控制也由控制系统中的液氮提供，控温原理同闭式循环。

开式系统的流程如下：测试段液氮由较大液氮罐提供，测试路液氮经调节阀、控温控压装置、诱导轮测试段、调节阀、低温流量计、较小液氮罐。通过改变压力、温度、流量等参数，实现不同工况下的低温泵性能测试，可对低温流体进行更深入的研究。低温抽真空、低温增压或常温增压的液氮或氮气，进入诱导轮或用户泵的入口，并进行相应的测试。制冷装置实现对低温介质的冷却，保证液氮温度、压力处于设定的范围，为低温泵测试平台系统提供冷源。

本发明的有益效果：

本发明可以实现温度、压力、流量参数的调节控制，满足实验前准备、实验后液氮回收的自动控制。提供了闭式和开式两种测试流程，闭式循环系统具有液氮消耗量小，各种工况之间转换快速，可短时间内进行多种工况点试验的优点；开式系统具有可实现诱导轮极端工况测试的优点。

本发明的低温泵测试系统可应用在科研领域中测试低温流体在特定输入条件下的空化测试。

附图说明

图1为本发明系统的结构示意图。

图2为本发明系统的正压正温控制示意图。

图3为本发明系统的负温负压控制示意图。

图4为本发明系统的负温正压控制示意图。

图5为实施例的诱导轮可视化部分的细节图。

图中：1、较小液氮罐；2、高压气罐；3、汽化器；4、液氮泵；5、增压装置；6、较大液氮罐；7、水浴电加热器；8、真空泵组；9、控温控压装置；10、诱导轮测试段；11、潜液泵；12、流量计；13、低温泵测试段；14、换热器；15、盘管；16、旋转轴；17、法兰；18、轴承；19、O型密封圈；20、PC管；21、亚力克板；22、诱导轮。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细的描述。

如图1是一种低温泵性能测试系统的结构示意图。

包括较小液氮罐1、高压气罐2、汽化器3、液氮泵4、较大液氮罐6、控温控压装置9、潜液泵11、流量计12、换热器14和盘管15；控温控压装置9包括内罐体和外罐体，内罐体和外罐体均容置有液氮和氮气，内罐体置于外罐体的液氮和氮气内；潜液泵11内设液氮池，液氮池容置有液氮，液氮池内布置泵体；潜液泵11的泵体布置在液氮池内，泵体提供循环动力，泵体的出口设置流量计12，用于系统液氮流量的控制和测量。通过抽气组件对液氮池内的盘管15抽真空，使盘管内液氮温度降低，从而冷却液氮池内液氮，使循环液氮处于过冷状态，防止进入潜液泵11产生汽蚀。

较小液氮罐1和较大液氮罐6的出口均与液氮泵4入口连接，液氮泵4的出口经汽化器3连接到高压气罐2；高压气罐2分别经各自一个阀和控温控压装置9的内罐体、外罐体连接，较大液氮罐6的液相口经阀分别和控温控压装置9的内罐体、低温泵测试段13的一端连接，低温泵测试段13的另一端经阀和较小液氮罐1的入口连接，控温控压装置9的内罐体经换热器14和诱导轮测试段10的一端连接，诱导轮测试段10的另一端和潜液泵11液氮池连接，潜液泵11内的泵体出口经阀和流量计12的一端连接，流量计12的另一端分别经各自的阀分别和较小液氮罐1的入口、低温泵测试段13的另一端、控温控压装置9的内罐体连接。流量计12用于系统液氮流量的控制和测量。

较大液氮罐6存储液氮，调节测试液氮的压力。较大液氮罐6气相口与一个抽气组件相连，用于实现罐内压力、温度的粗调；较大液氮罐6的液相口与控温控压装置9相连，用于实现压力、温度的精调。

控温控压装置9调节进入诱导轮测试段10的压力，保证液氮温度可控，通过控温控压装置9实现调温调压。流量计12出口连接较小液氮罐1，较小液氮罐1用于实验系统末端液氮的存储回收，形成开式循环。同时，流量计12出口经阀连接回到控温控压装置9，作为液氮内循环回流管路，形成闭式循环。

控温控压装置9的外罐体额外经旁通阀和潜液泵11液氮池连接。当控温控压装置9内罐体的液氮经过旁通阀将控温控压装置9外罐体的液氮通入盘管15中，对盘管15内的液氮抽真空，降低盘管内液氮温度，进一步冷却盘管外部的液氮，使液氮池处于过冷状态，防止进入潜液泵后产生汽蚀。

较大液氮罐6连接有增压装置5，通过增压装置5对较大液氮罐6内部压力进行自增压。增压装置5给较大液氮罐6自增压，起到一定的辅助功能。

诱导轮测试段10处安装低温泵内部的诱导轮结构，用于测试和观察空化性能，实现诱导轮高速旋转时空化的可视化观测；低温泵测试段13处安装低温泵整体，用于测试低温泵整体性能。

液氮罐6、控温控压装置9的内罐体和外罐体、潜液泵11液氮池的气相口均连接有抽气组件，抽气组件包括水浴电加热器7和真空泵组8，真空泵组8的入口和水浴电加热器7的一端连接，水浴电加热器7的另一端作为抽气组件的入口端。真空泵组8用于抽取氮气，由于从液氮罐6、控温控压装置9、潜液泵11出来的氮气温度依然较低，水浴电加热器7对氮气进行加热，防止液氮进入真空泵组8时温度过低进而低温氮气对真空泵的损害，通过汽化器将抽取的氮气加热到正温再排走。

通过抽气组件对系统中的多个部件内腔进行抽真空，实现液氮压力粗调，在抽真空时进行低温精密调节。

高压气罐2和控温控压装置9的内罐体之间的连接是为了将低温氮气从高压气罐2充入控温控压装置9的内罐体中，高压气罐2和控温控压装置9的外罐体是为了调控液氮的压力。

本发明的低温泵性能测试系统能够进行诱导轮空化性能测试和低温泵整体性能测试，诱导轮空化性能测试下能够实现负温正压、负温负压及正温正压三种模式。

正温正压模式是通过液氮增压汽化实现，液氮通过液氮泵4泵入汽化器3经气化后给高压气罐2增压，存储在高压气罐2中，设置调节阀，在需要控制控温控压装置9的内罐体时开启，同时通过加热器辅助控制，实现正温正压模式。

负温负压模式是通过真空泵组8对控温控压装置9内的内罐体进行抽真空，降低罐内的液氮饱和蒸汽压力，实现负压模式。同时通过真空泵组8对控温控压装置9的外罐体进行抽真空，通过换热器实现负温模式。

负温正压模式是通过真空泵组8对控温控压装置9内的外罐体进行抽真空，降低外罐体内的液氮饱和蒸汽压力，使其外部的液氮温度降低。正压模式同样通过高压气罐2实现。

温度压力的调节是通过控温控压装置、真空泵、精密压力调节阀实现。流量调节系统通过调节阀和流量计实现。

控温控压装置9内罐体设有压力传感器、加热器；控温控压装置9外罐体设有压力传感器、冷源液氮。

本发明具有如下三种运行模式：负温负压模式、负温正压模式及正温正压模式，同时满足实验前准备、实验后液氮回收的自动控制，实现温度、压力、流量参数的调节控制。

根据低温泵测试段13配合诱导轮测试段10驱动实验所需目标压力和温度的液氮或氮气，经调节阀至流量计12，再经液氮调节阀节流减压后进入控温控压装置9，然后进入换热器14进行热交换达到所需的负温负压、负温正压或正温正压状态的液氮后，经过真空绝热管道再流回至诱导轮测试段10和低温泵测试段13，开始新一轮的循环。换热器14，实现控温控压装置的液氮换热，精确调节控制进入实验段的温度。负温负压、负温正压或正温正压模式的液氮或氮气进入诱导轮或用户泵的入口，对诱导轮或用户泵进行相应的测试。

1)诱导轮空化性能测试：

1.A)正压控制

如图2所示，首先通过液氮泵4、汽化器3和高压气罐2，增压后的氮气再充入到控温控压装置9的内罐体中，对控温控压装置9内罐体中的液氮进行增压，并在控温控压装置9进行加热后使液氮蒸发以提高压力，压力的精确控制通过控制控温控压装置9内罐体内部的加热器的加热功率和时间来实现。通过加热器加热，此时控温控压装置9的压力值为正值，控温控压装置9中的液氮也相应达到对应压力下的饱和温度。

控温控压装置9内罐体的液氮经管道进入诱导轮测试段10，经诱导轮测试段10测试处理后再进入潜液泵11的液氮池中，由液氮池中的泵体泵出回到控温控压装置9内罐体，形成闭式循环系统，在循环系统中增大或者减小压力，压力可调。

闭式循环系统的温度控制主要由控温控压装置9外罐体中的冷源液氮提供冷量，冷源液氮在控温控压装置外罐体提供冷源的液氮为冷源液氮，再经过控温控压装置9内部加热完成测试路液氮和冷源液氮的热交换，使测试路液氮冷却或加热至目标温度。闭式循环系统温度控制的关键在于对控温控压装置9外罐体中冷源液氮的控温。控温控压装置9的温度控制由液氮减压系统、控温控压装置9中的加热器配合补压系统进行控制。

当前期完成了一组正压试验，增压试验即正压试验，后续紧接着开展较低压力试验时，系统根据控温控压装置9内罐体的压力传感器控制内罐体与水浴加热器7之间的液氮调节阀开度，当内罐体的压力达到预先设置的目标点时，内罐体与水浴加热器之间的阀门关闭，随后可开启新一轮的正压试验。压力传感器设置在控温控压装置内罐体内部，可以测量控温控压装置内罐体的压力。

1.B)负压控制

如图3所示，开启控温控压装置内罐体相连的真空泵组8通过液氮调节阀经水浴电加热器7对控温控压装置9内罐体的气相空间进行抽真空，再通过控温控压装置9内罐体上布置的压力传感器实时控制内罐体与水浴加热器7之间的阀门的开度，当压力达到设置的目标点时，阀门关闭，实现负压控制。

当前期完成了一组正压试验，后续紧接着开展负压试验时，可在放空阀门，通过控温控压装置9内罐体进行减压。当控温控压装置9内罐体的压力接近常压时，开启内罐体相连的真空泵组8，通过水浴加热器7和真空泵组8对控温控压装置9内罐体抽真空，再通过控温控压装置9内罐体上布置的压力传感器控制内罐体与水浴加热器7相连的阀门开度，当压力达到试验设置的目标点时，阀门关闭。

1.C)负温控制

如图4所示，需要控温控压装置9外罐体中的液氮温度为负温。开启控温控压装置9外罐体相连的水浴加热器进行加热，并用控温控压装置外罐体相连的真空泵组8对控温控压装置9的外罐体进行抽真空，通过控温控压装置9外罐体上布置的压力传感器实时控制外罐体与水浴加热器之间的阀门开度，当压力达到设置的目标点时，阀门关闭，此时控温控压装置9内的压力值为负压，控温控压装置9外罐体中的液氮也相应达到对应压力下的饱和温度。

完成控温控压装置9中的温度控制后，闭式循环系统中的相应压力的循环液氮再通过换热器与控温控压装置9中的冷源液氮进行热交换，使循环液氮冷却至低温或加热至常温，从而达到负温负压、负温正压和正温正压三种模式。

2)低温泵整体性能测试

低温泵整体性能测试主要测试温度、压力、流量等参数。可根据实验需要由用户自由选择诱导轮空化测试或低温泵整体性能测试，可用于科研领域中测试低温流体在特定输入条件下的空化情形的基础性研究工作。液氮测试管线，液氮回流管线，增压、减压管线，氮气排放管线及其他分支管线，可以实现对低温介质的传输和保温，以保证低温介质按照设定的路径运动，同时降低低温介质的热量损失。低温泵整体性能测试系统，可实现对低温泵温度、压力等参数进行自动化测量、调节、记录、存储，以便研究人员进行数据处理。

具体实施采用诱导轮装入诱导轮测试段10进行测试，诱导轮可视化部分的结构如图5所示。由于试验装置的间隙控制，在大温度范围内，液氮和水的流动可视化实验均可实现。

在热膨胀过程中，为保持外壳与诱导轮轴线对中，外壳由两个O型密封圈19沿径向支撑，此O型密封圈19能够适用于低温实验以及水实验。因此，O型密封圈19可以弹性抵消外壳热膨胀导致的直径变化，防止由于磨损导致诱导轮22运行时的位置变化，因此诱导轮22周围也能够保持一个均匀的叶尖间隙。O型密封圈具有一定的弹性，可以发生弹性形变，可以抵消外壳热膨胀导致的直径变化

引压口穿过外壳时，设置在一个液密封可视化容器中。外壳和液体供给管路都被液体浸没，因此，可将其视作绝热壁。可视化窗口均为双层结构，内层为PC管20，外层为亚克力板21，内层和外层之间为真空夹层以防止结霜。诱导轮22放置在旋转轴16顶端，有两个轴承18支承。

本实验使用普通的防水轴承，当进行低温液体实验时，必须保证上轴承温度为环境温度。因此，使用恒温加热器：一个位于旋转轴16以加热上轴承内圈，另一个在靠近上轴承外圈的法兰17上。

以上所述仅为本发明的较优选实施例，并不限制本发明，对于任何领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型但不应脱离本发明的精神和范围。凡在本发明的精神范畴和原则上，所作出的任何修改，等同替换变化等，均应包括在本发明的保护范畴内。

Claims (5)

1.一种低温泵性能测试系统，其特征在于：

包括较小液氮罐(1)、高压气罐(2)、汽化器(3)、液氮泵(4)、较大液氮罐(6)、控温控压装置(9)、潜液泵(11)、流量计(12)、换热器(14)和盘管(15)；控温控压装置(9)包括内罐体和外罐体，内罐体和外罐体均容置有液氮和氮气，内罐体置于外罐体的液氮和氮气内；潜液泵(11)内设液氮池，液氮池容置有液氮，液氮池内布置泵体；较小液氮罐(1)和较大液氮罐(6)的出口均与液氮泵(4)入口连接，液氮泵(4)的出口经汽化器(3)连接到高压气罐(2)；液氮池内设有盘管(15)；

高压气罐(2)分别经各自一个阀和控温控压装置(9)的内罐体、外罐体连接，较大液氮罐(6)的液相口经阀分别和控温控压装置(9)的内罐体、低温泵测试段(13)的一端连接，低温泵测试段(13)的另一端经阀和较小液氮罐(1)的入口连接，控温控压装置(9)的内罐体经换热器(14)和诱导轮测试段(10)的一端连接，诱导轮测试段(10)的另一端和潜液泵(11)液氮池连接，潜液泵(11)内的泵体出口经阀和流量计(12)的一端连接，流量计(12)的另一端分别经阀分别和较小液氮罐(1)的入口、低温泵测试段(13)的另一端、控温控压装置(9)的内罐体连接。

2.根据权利要求1所述的一种低温泵性能测试系统，其特征在于：

所述控温控压装置(9)的外罐体经旁通阀和潜液泵(11)液氮池连接。

3.根据权利要求1所述的一种低温泵性能测试系统，其特征在于：

所述的较大液氮罐(6)连接有增压装置(5)，通过增压装置(5)对较大液氮罐(6)内部压力进行自增压。

4.根据权利要求1所述的一种低温泵性能测试系统，其特征在于：

所述的诱导轮测试段(10)处安装低温泵内部的诱导轮结构，用于测试和观察空化性能；所述的低温泵测试段(13)处安装低温泵整体，用于测试低温泵整体性能。

5.根据权利要求1所述的一种低温泵性能测试系统，其特征在于：

所述的较大液氮罐(6)、控温控压装置(9)的内罐体和外罐体、潜液泵(11)液氮池的气相口均连接有抽气组件，抽气组件包括水浴电加热器(7)和真空泵组(8)，真空泵组(8)的入口和水浴电加热器(7)的一端连接，水浴电加热器(7)的另一端作为抽气组件的入口端。

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