CN114251278A - 基于光电管的水泵叶轮汽蚀状况的观测装置及观测方法 - Google Patents

基于光电管的水泵叶轮汽蚀状况的观测装置及观测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于光电管的水泵叶轮汽蚀状况的观测装置及观测方法，装置包括水泵和观测装置，所述观测装置包括若干穿过水泵的泵壳且指向叶轮的光电管以及与全部光电管电连接的控制器；所述泵壳和光电管密封连接，所述光电管指向叶轮的一端设有光电模块，所述光电模块包括激光发射模块和激光接收模块，所述控制器用于控制光电模块的工作并采集激光接收模块的光强信号，水泵的叶轮表面涂有反光漆。本发明结构简便、制作方便、成本低廉，而且操作简单，能直观清晰、可靠观测水泵叶轮汽蚀状况，获得的结果精度高且信息丰富。

Description

基于光电管的水泵叶轮汽蚀状况的观测装置及观测方法
技术领域
本发明涉及水泵技术领域，具体涉及一种基于光电管的水泵叶轮汽蚀状况的观测装置及观测方法。
背景技术
水泵广泛用于工农业生产和居民生活的各个领域，起到流体输送和增压作用。水泵工作过程中有可能发生汽蚀现象，其中叶轮是最容易发生汽蚀的部位。当压强较低的水从进口吸入水泵时，水在叶轮作用下流速增加并在叶轮某些位置的壁面处压强略有降低，当水的压强低于对应温度下的汽化压力时，水就会发生汽化现象变为含水蒸气的气泡并从叶轮壁面处产生，导致叶轮某些部位发生汽蚀；而含水蒸气的气泡运动至叶轮流道中高压区域时，又会压缩和溃灭。水泵的汽蚀性能好坏与水泵的设计和制造因素有关，而为了增强水泵抗汽蚀的能力，除了对水泵的汽蚀性能曲线进行测试外，最为重要的是了解水泵叶轮的汽蚀状况，即获得水泵叶轮表面气泡的生成位置和生成量，在此基础上再在水泵的结构和工艺进行优化设计。
目前，公知的获得水泵叶轮表面气泡生成情况的方式，是使用有机玻璃制作透明的水泵壳体，然后在水泵测试过程进行高速摄影观测，根据图像分析汽蚀过程叶轮表面气泡的生成位置和生成量。但是，这种方法具有三方面的显著缺点：第一，由于有机玻璃泵壳的成本制作成本高且结构强度和承压能力差，一般只适用于实验室对较小的实验泵进行研究，不适用于尺寸大、承压高和振动大的实际工业泵；第二，摄影法只能观测视野前端的叶轮部分位置的气泡生成情况，对于遮蔽位置则不好观测；第三，摄影法只能获得二维图像，观测结果不够清晰、直观和形象。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种结构简单，操作方便，且能直观、清晰、可靠观测水泵叶轮汽蚀状况的基于光电管的水泵叶轮汽蚀状况的观测装置，并提供观测方法。
本发明采用的技术方案是：一种基于光电管的水泵叶轮汽蚀状况的观测装置，包括水泵和观测装置，所述观测装置包括若干穿过水泵的泵壳且指向叶轮的光电管以及与全部光电管电连接的控制器；所述泵壳和光电管密封连接，所述光电管指向叶轮的一端设有光电模块，所述光电模块包括激光发射模块和激光接收模块，所述控制器用于控制光电模块的工作并采集激光接收模块的光强信号，水泵的叶轮表面涂有反光漆。
上述的基于光电管的水泵叶轮汽蚀状况的观测装置中，泵壳和光电管的连接部位设有密封胶，通过密封胶密封。
上述的基于光电管的水泵叶轮汽蚀状况的观测装置中，所述光电管上的光电模块的内端面与泵壳内壁面平齐。
一种利用上述基于光电管的水泵叶轮汽蚀状况的观测装置的水泵叶轮汽蚀状况的观测方法，包括以下步骤：
S1、将水泵及观测装置接入泵性能测试站，使用颜料将将泵性能测试站中的测试用水全部染色；
S2、调节泵性能测试站，使水泵处于需要观测的转速和流量下，并使水泵的进口压强大于P，其中P为水泵处于需要观测的转速和流量下不会发生任何汽蚀现象的进口压强的临界值；
S3、打开光电模块使之持续工作，工作期间使激光发射模块以恒定的光强持续不断地发射激光，并通过激光接收模块持续收集接收到的激光光强值，
S4、调节泵性能测试站，维持水泵的转速和流量不变，将水泵的进口压强调节至所需观测的进口压强值；
S5、打开光电模块使之持续工作，工作期间使激光发射模块以恒定的光强持续不断地发射激光，且本步骤激光发射模块发射的光强等于步骤S3的发射光强制，并通过激光接收模块持续收集接收到的激光光强值；
S6、将步骤S3收集的不发生汽蚀工况下各光电模块的激光接收模块采集的激光光强数据与步骤S5收集的发生汽蚀工况下各光电模块的激光接收模块采集的激光光强数据绘图对比，观察指向叶轮相同位置的光电管所对应的数据的差别，得到各光电管所指向的叶轮位置的汽蚀状况，并分析叶轮不同位置的汽蚀状况。
上述的水泵叶轮汽蚀状况的观测方法中，步骤S3中光电模块持续工作的时间长度为不小于10倍叶轮的转动周期；步骤S5中光电模块持续工作的时间长度等于步骤S3中光电模块持续工作的时间长度。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明的基于光电管的水泵叶轮汽蚀状况的观测装置结构简便、制作方便、成本低廉。在现有的工业水泵基础上经过简单的泵壳钻孔、光电管安装、涂密封胶和控制器接线即可以实现装置的制作，涉及的光电管及其控制器也是常规的、低成本的光学和电子器件。
2、本发明水泵叶轮汽蚀状况的观测方法操作简单，观测结果无干扰、可靠性高。观测方法对泵本身的测试过程没有任何影响，光电管上的光电模块与泵壳内壁面平齐，不干扰泵内流场。观测过程泵性能测试站中的测试用水被全部染色，且叶轮表面涂有反光漆，不发生汽蚀时，激光从激光发射模块发射，穿透染色水至叶轮表面，并按原路径穿透染色水回到激光接收模块，由于激光穿透染色水的过程中会存在明显的光强衰减，激光接收模块接收到的光强会较低；反之，叶轮某个位置发生汽蚀时，指向该位置的光电管的激光发射模块发射出激光，穿透染色水和气泡至叶轮表面，并按原路径穿透染色水回到激光接收模块，由于激光穿透染色水过程的光强衰减显著大于穿透透明气泡过程的光强衰减，且激光发射和返回过程穿透染色水的路径缩短了，故发生汽蚀时激光接收模块接收到的光强会适当高于同样位置且不发生汽蚀时激光接收模块接收到的光强，由此实现气泡位置的精确定位和气泡大小的判断。
3、本发明的观测方法直观可靠，获得的结果精度高且信息丰富。与现有的图像摄影方法相比，本发明不需要昂贵且脆弱的有机玻璃泵壳，而且可以布置多个不同位置和不同角度的光电管，实现叶轮表面多处位置汽蚀状况的观测，从而为水泵抗汽蚀性能的设计优化提供更多更丰富和精确的信息。
附图说明
图1为本发明的基于光电管的水泵叶轮汽蚀状况的观测装置的结构示意图。
图2为图1中虚线框部分的放大图。
图3为图1中叶轮的结构示意图。
图4为不发生汽蚀工况下，最下面位置激光接收模块采集的激光光强随时间的变化曲线。
图5为发生汽蚀工况下，最下面位置激光接收模块采集的激光光强随时间的变化曲线。
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至图3所示，本发明的基于光电管的水泵叶轮汽蚀状况的观测装置，包括水泵和观测装置。所述水泵包括泵壳1和叶轮2，所述叶轮2表面涂有反光漆，叶轮2安装在泵壳1内。所述观测装置包括三个穿过泵壳1且指向叶轮2特定位置的光电管3（光电管3的数量不限于三个，可以多于三个，也可以少于三个）以及与全部光电管3电性连接的控制器4。所述泵壳1和光电管3的连接部位设有密封胶5，所述光电管3指向叶轮2的一端设有光电模块31，三个光电管3分别指向叶轮2的不同位置。所述光电模块31包括激光发射模块和激光接收模块，所述控制器4用于控制光电模块31的工作并采集激光接收模块的光强信号。所述光电管3上的光电模块31的内端面与泵壳1内壁面平齐。
本发明的利用上述基于光电管的水泵叶轮汽蚀状况的观测装置的水泵叶轮汽蚀状况的观测方法，包括以下步骤：
S1、将水泵及观测装置接入泵性能测试站，使用颜料将将泵性能测试站中的测试用水全部染色；
S2、调节泵性能测试站，使水泵处于需要观测的转速和流量下，并使水泵的进口压强大于P，其中P为水泵处于需要观测的转速和流量下不会发生任何汽蚀现象的进口压强的临界值；
S3、打开光电模块31使之持续工作，工作期间使激光发射模块以恒定的光强持续不断地发射激光，并通过激光接收模块持续收集接收到的激光光强值，其中光电模块31持续工作的时间长度为不小于10倍叶轮2的转动周期；
S4、调节泵性能测试站，维持水泵的转速和流量不变，将水泵的进口压强调节至所需观测的进口压强值；
S5、打开光电模块31使之持续工作，工作期间使激光发射模块以恒定的光强持续不断地发射激光，且本步骤激光发射模块发射的光强等于步骤S3的发射光强制，并通过激光接收模块持续收集接收到的激光光强值，光电模块31持续工作的时间长度等于步骤S3中光电模块31持续工作的时间长度；
S6、将步骤S3收集的不发生汽蚀工况下各光电模块31的激光接收模块采集的激光光强数据与步骤S5收集的发生汽蚀工况下各光电模块31的激光接收模块采集的激光光强数据绘图对比，观察指向叶轮2相同位置光电管3所对应的数据的差别，得到各光电管所指向的叶轮位置的汽蚀状况，并分析叶轮2不同位置的汽蚀状况。
如图3所示，叶轮2由叶片21、盖板22和轮毂23构成，一般情况下光电管3指向叶轮2的叶片21的不同位置，使得激光通过光电模块31的激光发射模块发射至叶片21的不同位置并反射回来由光电模块31的激光接收模块接收，相关的数据送入控制器4用于数据的存储和后续分析。
实施例
某水泵，由电机驱动，额定流量、额定扬程和额定转速分别为600m3/h、100m和1480r/min，叶轮的叶片数目为4片，需观测该水泵在额定流量和转速、且进口绝对压强为0.97倍大气压时叶轮汽蚀状况。
观测装置中，光电管3共有3个，分别指向叶轮叶片的叶尖、中部、叶根区域的某个特定位置。
观测时，采取如下步骤：
S1、将水泵及观测装置接入泵性能测试站，使用黑色颜料将将泵性能测试站中的测试用水全部染成黑色；
S2、调节泵性能测试站，使水泵处于需要观测的转速和流量下，即流量为600m3/h、转速为1500r/min，并使水泵的进口压强绝对值为2倍大气压，根据该水泵现有设计和测试资料，此工况下水泵不会发生任何汽蚀现象；
S3、打开光电模块使之持续工作5秒，工作期间使激光发射模块以恒定的光强1W/cm2持续不断地发射激光，并通过激光接收模块持续收集接收到的激光光强值；
S4、调节泵性能测试站，维持水泵的转速和流量不变，将水泵的进口绝对压强降低至所需观测的0.97倍大气压；
S5、打开光电模块使之持续工作5秒，工作期间使激光发射模块以恒定的光强1W/cm2持续不断地发射激光，并通过激光接收模块持续收集接收到的激光光强值；
S6、将步骤S3收集的不发生汽蚀工况下激光接收模块采集的激光光强数据与步骤S5收集的发生汽蚀工况下激光接收模块采集的激光光强数据同时绘图对比，观察指向叶轮不同位置光电管所对应的数据的差别，由此分析叶轮不同位置的汽蚀状况。
本实施例中，针对最下面位置光电管上的激光接收模块，将步骤S3收集的不发生汽蚀工况下激光接收模块采集的激光光强数据绘制于图4中，将步骤S4收集的发生汽蚀工况下激光接收模块采集的激光光强数据绘制于图5中，图4和图5中横坐标为时间、纵坐标为光强，且图4和图5中均只显示1个叶轮旋转周期的数据。图4和图5中绘制的曲线在原始数据基础上经过必要的滤波降噪处理。
图4可以看到存在4段波峰值和4段波谷值，对应叶轮的叶片数目4。其中0.01秒、0.02秒、0.03秒和0.04秒这四个时间点附近出现波谷值，这是因为上述时间段发射出的激光没有打在叶轮的叶片上，而是通过相邻两个叶片的间隙打在泵壳内壁上，由于路径较长故反射回来的激光光强较弱。
当发生汽蚀时，参见图5，图5中波峰段的光强值显著高于图4的情况，且图5中的波峰段呈现凸状特点，这是因为最下面位置光电管指向的叶轮区域的壁面上汽蚀程度并不均匀一致，部分区域汽蚀较强产生气泡数目更多体积更大，当激光从这些区域反射回来时能够保留得到更高的激光光强。于是，通过这种方式即可反映出水泵叶轮的汽蚀状况。
需要指出的是，应用本发明提供的叶轮汽蚀状况的观测方法前，可以在保证水泵叶轮静止的情况下人为对叶轮表面某些位置通气释放不同速率和不同大小的气泡，并获得这些区域反射回来的激光光强，从而起到对气泡释放数量和大小的事先标定作用。
本发明的观测装置结构简便、制作方便、成本低廉。在现有的工业水泵基础上经过简单的泵壳钻孔、光电管安装、涂密封胶和控制器接线即可以实现装置的制作，涉及的光电管及其控制器也是常规的、低成本的光学和电子器件。本实施例提供的观测方法操作简单、可靠性高、无干扰。观测方法对泵本身的测试过程没有任何影响，光电管上的光电模块与泵壳内壁面平齐，不干扰泵内流场。观测过程泵性能测试站中的测试用水被全部染色，且叶轮表面涂有反光漆，不发生汽蚀时，激光从激光发射模块发射，穿透染色水至叶轮表面，并按原路径穿透染色水回到激光接收模块，由于激光穿透染色水的过程中会存在明显的光强衰减，激光接收模块接收到的光强会较低；反之，叶轮某个位置发生汽蚀时，指向该位置的光电管的激光发射模块发射出激光，穿透染色水和气泡至叶轮表面，并按原路径穿透染色水回到激光接收模块，由于激光穿透染色水过程的光强衰减显著大于穿透透明气泡过程的光强衰减，且激光发射和返回过程穿透染色水的路径缩短了，故发生汽蚀时激光接收模块接收到的光强会适当高于同样位置且不发生汽蚀时激光接收模块接收到的光强，由此实现气泡位置的精确定位和气泡大小的判断。本实施例可直观可靠地获得的结果，结果精度高且信息丰富。与现有的图像摄影方法相比，不但不需要昂贵且脆弱的有机玻璃泵壳，而且观测人员可以布置多个不同位置和不同角度的光电管，实现多处叶轮表面位置汽蚀状况的观测，从而为水泵抗汽蚀性能的设计优化提供更多更丰富和精确的信息。

Claims (5)

1.一种基于光电管的水泵叶轮汽蚀状况的观测装置，其特征在于：包括水泵和观测装置，所述观测装置包括若干穿过水泵的泵壳(1)且指向叶轮(2)的光电管(3)以及与全部光电管(3)电连接的控制器(4)；所述泵壳(1)和光电管(3)密封连接，所述光电管(3)指向叶轮(2)的一端设有光电模块(31)，所述光电模块(31)包括激光发射模块和激光接收模块，所述控制器(4)用于控制光电模块(31)的工作并采集激光接收模块的光强信号，水泵的叶轮(2)表面涂有反光漆。
2.根据权利要求1所述的基于光电管的水泵叶轮汽蚀状况的观测装置，其特征在于：泵壳(1)和光电管(3)的连接部位设有密封胶(5) ，通过密封胶(5)密封。
3.根据权利要求1或2所述的基于光电管的水泵叶轮汽蚀状况的观测装置，其特征在于：所述光电管(3)上的光电模块(31)的内端面与泵壳(1)内壁面平齐。
4.一种利用权利要求1-3中任一权利要求所述基于光电管的水泵叶轮汽蚀状况的观测装置的水泵叶轮汽蚀状况的观测方法，包括以下步骤：
S1、将水泵及观测装置接入泵性能测试站，使用颜料将将泵性能测试站中的测试用水全部染色；
S2、调节泵性能测试站，使水泵处于需要观测的转速和流量下，并使水泵的进口压强大于P，其中:P为水泵处于需要观测的转速和流量下不会发生任何汽蚀现象的进口压强的临界值；
S3、打开光电模块(31)使之持续工作，工作期间使激光发射模块以恒定的光强持续不断地发射激光，并通过激光接收模块持续收集接收到的激光光强值，
S4、调节泵性能测试站，维持水泵的转速和流量不变，将水泵的进口压强调节至所需观测的进口压强值；
S5、打开光电模块(31)使之持续工作，工作期间使激光发射模块以恒定的光强持续不断地发射激光，且本步骤激光发射模块发射的光强等于步骤S3的发射光强制，并通过激光接收模块持续收集接收到的激光光强值；
S6、将步骤S3收集的不发生汽蚀工况下各光电模块的激光接收模块采集的激光光强数据与步骤S5收集的发生汽蚀工况下各光电模块的激光接收模块采集的激光光强数据绘图对比，观察指向叶轮相同位置的光电管所对应的数据的差别，得到各光电管所指向的叶轮(2)位置的汽蚀状况，并分析叶轮(2)不同位置的汽蚀状况。
5.根据权利要求4所述的水泵叶轮汽蚀状况的观测方法，步骤S3中光电模块(31)持续工作的时间长度为不小于10倍叶轮(2)的转动周期；步骤S5中光电模块(31)持续工作的时间长度等于步骤S3中光电模块(31)持续工作的时间长度。
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