CN118224105A - 泵自吸高度和自吸时间原位测量与可视化显示装置及方法 - Google Patents

Abstract

泵自吸高度和自吸时间原位测量与可视化显示装置及方法，涉及各类叶片式与容积式自吸泵技术领域。包括水箱、变频电机、测试泵和台架，所述变频电机和测试泵分别设在台架上，所述变频电机用于驱动测试泵；还包括进口调节阀、消能器、U型管和出口调节阀，本发明在工作中，在进水管上加装了多级孔板的消能器，并在消能器之前安装了进口调节阀，共同组成首级可调节的多级孔板消能装置。通过孔板来增加进口阻力，从而制造进口真空度，达到对应自吸高度的模拟条件。孔板采用可拆除结构，主要依靠增加/减少孔板数量及更换不同开孔率孔板来模拟不同自吸高度。本发明方便加工，操作可靠。

Description

泵自吸高度和自吸时间原位测量与可视化显示装置及方法

技术领域

本发明涉及各类叶片式与容积式自吸泵技术领域，尤其涉及一种泵自吸高度和自吸时间原位测量与可视化显示装置及方法。

背景技术

随着工业发展的需要，自吸泵的实际应用越来越广泛，对于各类自吸泵的研究也越来越深入。自吸泵是指具有自吸能力的一类泵的统称，包括叶片式和容积式两大类，它能够在无需灌引水的情况下，自动将液体吸入并进行输送。其工作原理是利用泵体内部的结构和设计，在启动时产生真空，将液体从吸入管中提升并排出。随着用于需求的不断增长，自吸泵也在工业领域、农业灌溉、城市给排水、消防领域、矿产开采、海洋工程、应急救援等领域应用越来越广泛。并且随着技术的不断发展，其应用领域还在不断扩大。为满足不同领域的特殊需求，自吸泵的性能也在不断改进和提高。

随着对自吸泵研究的深入，自吸泵试验台及试验方案也需要改进升级，以满足不同领域的特殊测试需求。目前针对较低吸程自吸泵，通常采用固定安装高度方法进行测量，这种测量方式结构简单但存在局限性，一般只能用于固定自吸高度测量，在需要调整自吸高度时，需要对整个试验台进行重新设计调整。

对较高吸程自吸泵，一般调整安装高度的方式是将自吸泵安装在升降塔上，通过改变升降塔高度来制造高度落差。这种方案需要建立相应的升降塔，并且需要按照高度对进水管进行调整。

上述传统方案需要花费大量人力、财力和物力，而且需要专门建立试验台。且目前国内鲜有相关试验设备，吸程高且通用性强的自吸泵测试方法和试验装置目前仍处于空白状态。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。

本发明的技术方案为：泵自吸高度和自吸时间原位测量与可视化显示装置，包括水箱、变频电机、测试泵和台架，所述变频电机和测试泵分别设在台架上，所述变频电机用于驱动测试泵；

还包括进口调节阀、消能器、U型管和出口调节阀，

所述进口调节阀的进口端连接水箱，出口端通过进水管连接测试泵的进口端，所述测试泵的出口端通过出水管连接出口调节阀的进口端，所述出口调节阀的出口端连接水箱；

所述消能器包括至少一个孔板，所述孔板包括板体，所述板体的中间设有若干通孔，

所述进水管包括至少两个分管，所述孔板连接在相邻分管之间，所述通孔位于分管的管口内；

所述U型管连接在进水管上，所述U型管倒置、且位于测试泵和与测试泵相邻的孔板之间；

所述U型管为可视化管。

所述消能器包括至少两个孔板，在所述孔板的数量＞2时，相邻孔板之间的间距相等。

还包括控制柜以及连接控制柜的进口压力计、进口压力变送器、出口流量计、出口压力计、出口压力变送器和转速扭矩仪，

所述进口压力计和进口压力变送器分别连接在进水管上，

所述出口流量计、出口压力计和出口压力变送器分别连接在出水管上，

所述变频电机通过转速扭矩仪连接测试泵。

所述进口调节阀和与进口调节阀相邻的孔板之间的分管为可视化管，

所述测试泵的泵盖为可视化盖板。

还包括相机一和相机二，

所述相机一朝向测试泵的泵盖，

所述相机二朝向所述进口调节阀和首个孔板之间的分管。

所述出口调节阀一侧的出水管上设有出口可视化管段。

所述孔板位于相邻分管的法兰之间、且通过螺栓连接；

所述孔板的两端分别设有环形密封槽，所述密封槽内设有O型密封圈，所述分管的管口位于O型密封圈内。

泵自吸高度和自吸时间原位测量与可视化显示方法，采用泵自吸高度和自吸时间原位测量与可视化显示装置，包括：

开始前，根据试验所需自吸高度，选择孔板的数量并确定间距，同时，确定孔板上通孔的开孔数量；

进、出口调节阀保持全开，按下变频电机启动按钮，观察可视化U型管水位变化，按照设定调节电机转速，观察进口压力计及压力变送器读数；

通过调节进口调节阀开度，直至进口压力达到相应的数值；

保持继续运行，观察进水管中有无明显气泡，判断进水管连接处是否存在漏气；确认无误后停泵；

打开测试泵进口端一侧的进口弯管排水阀，将进水管中U型管靠近泵侧管中残留的液体排空；标记进口调节阀位置，等待U型管靠近水箱侧液位下降至与水箱液面齐平，关闭进口弯管排水阀；

试验时，先按下数据记录按钮，再按下启动按钮，同时开始计时；观察进口压力计，直至压力达到预先设定的值，计时结束；等待稳定运行后，停泵；

从控制柜导出进、出口压力、流量、转速、扭矩数据表，分析各参数随时间的变化情况。

本发明在工作中，在进水管上加装了多级孔板的消能器，并在消能器之前安装了进口调节阀，共同组成首级可调节的多级孔板消能装置。通过孔板来增加进口阻力，从而制造进口真空度，达到对应自吸高度的模拟条件。孔板采用可拆除结构，主要依靠增加/减少孔板数量及更换不同开孔率孔板来模拟不同自吸高度。

本发明方便加工，操作可靠。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。附图中，各部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1是本发明的结构示意图，

图2是多级孔板消能装置的结构示意图，

图3是孔板的结构示意图，

图4是本发明优化实施方式的结构示意图，

图5是测试泵和进口弯管排水阀的连接结构示意图，

图6是图5的俯视图，

图7是本发明拓展方案的结构示意图；

图中1为水箱；2为进口调节阀；3为可视化管一；4为消能器；41为孔板；42为通孔；5为U型管；6为进口压力计；7为进口压力变送器；8为测试泵；9为转速扭矩仪；10为变频电机；11为出口流量计；12为出口压力计；13为出口压力变送器；14为可视化管二；15为出口调节阀；16为进水管；17为出水管；18为O型密封圈，19为进口弯管排水阀。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明如图1-4所示，泵自吸高度和自吸时间原位测量与可视化显示装置，包括水箱1、变频电机10、测试泵8和台架，所述变频电机10和测试泵8以及管路分别设在台架上，所述变频电机用于驱动测试泵；

还包括进口调节阀2、消能器4和出口调节阀15，

所述进口调节阀的2进口端连接水箱1，出口端通过进水管16连接测试泵8的进口端，所述测试泵8的出口端通过出水管17连接出口调节阀15的进口端，所述出口调节阀15的出口端连接水箱1；

所述消能器4包括至少一个孔板41，所述孔板包括板体，所述板体的中间设有若干通孔42(即可设置不同的开孔率)，

所述进水管16包括至少两个分管，所述孔板41连接在相邻分管之间，所述通孔位于分管的管口内。

本发明在工作中，在进水管上加装了多级孔板的消能器，并在消能器之前安装了进口调节阀，共同组成首级可调节的多级孔板消能装置。通过孔板来增加进口阻力，从而制造进口真空度，达到对应自吸高度的模拟条件。孔板采用可拆除结构，主要依靠增加/减少孔板数量及更换不同开孔率孔板来模拟不同自吸高度。

对于较高吸程泵可通过增加孔板数量或更换不同开孔率孔板及改变进口调节阀开度对自吸进口真空度进行准确的调整。

本发明中的原位测量为可以不用改变进水管高度，不用更换实验设备，就可以完成不同自吸高度的实验。即在不拆除构件或者设备的情况下，完成对参数的测量。

还包括U型管5，所述U型管连接在进水管16上，

所述U型管5倒置、且位于测试泵8和与测试泵相邻的孔板之间(即从进口调节阀到测试泵之间的末个孔板)。U型管同样连接在相邻分管之间。

所述U型管5为可视化管。

可视化U型管主要功能是观测进水管液位高度，并对照高度刻度测量对应高度的自吸时间。

在测试泵的整个自吸过程中，往往包含三个主要阶段，即吸气阶段、气液混输阶段、稳定工作阶段，为真实模拟整个自吸过程，本发明在进水管中设置可视化U型管，保证自吸过程有充足的吸气阶段，以便通过U型管能观察到水位高度的变化，测量对应自吸高度的自吸时间。

应用中，U型管单独设立可拆卸支架，进而连接在台架上；同时，在U型管没有应用的情况下，便于将U型管更换为直通管，进行其他拓展试验。

所述消能器包括至少两个孔板，在所述孔板的数量＞2时，相邻孔板之间的间距相等。

还包括控制柜以及连接控制柜的进口压力计6、进口压力变送器7、出口流量计11、出口压力计12、出口压力变送器13和转速扭矩仪9，

所述进口压力计6和进口压力变送器分7别连接在进水管16上，

所述出口流量计11、出口压力计12和出口压力变送器13分别连接在出水管17上，

所述变频电机通过转速扭矩仪9连接测试泵。

控制柜便于对电机转速进行控制，同时，进行试验数据采集、记录并导出。

所述进口调节阀2和与进口调节阀相邻的孔板(即从进口调节阀到测试泵之间的首个孔板)之间的分管为可视化管(即可视化管一3)，

所述测试泵8的泵盖为可视化盖板。

还包括相机一和相机二(如高速摄像机)，

所述相机一朝向测试泵的泵盖，

所述相机二朝向所述进口调节阀和首个孔板之间的分管。

上述各可视化管或盖板主要功能是配合PIV和高速摄像机，进行泵及管道内部流动可视化试验。

在保证管道强度的情况下，可视化设置透明有机玻璃进行安装，方便维护。

所述出口调节阀一侧的出水管上设有出口可视化管段(即可视化管14)。

所述孔板位于相邻分管的法兰之间、且通过螺栓连接；

所述孔板的两端分别设有环形密封槽，所述密封槽内设有O型密封圈18，所述分管的管口位于O型密封圈内。

孔板安装在法兰连接处，可快速拆拆除更换。通过设置O型密封圈，起到端面密封作用。

本发明中的孔板主要工作原理是对流体动力减压。流体流过多级孔板消能器时，在多级孔板作用下，经过多次突缩和突扩，使流体在消能装置中形成强烈的湍流，液体间的碰撞和摩擦强度增大，转变成热能的能量增多，从而使流体的压力减小，实现消能。

例如高层建筑由于层数较多，高层和低层所承受的静水压力不一样。出水时，低层的水流动压力比高层的水流动压力大很多。扑救火灾时，低层消防水带往往爆裂，减压孔板对水流的动压力具有减压功能，当流动的水经过减压孔板时，由于局部的阻力损失在减压孔处产生压力降，从而满足消火栓的出口压力及流量的需要。

若采用单级孔板，面对压降较大情况会时产生汽蚀现象，这时可以采用多级孔板，可以将较大压差分配到各级孔板上，避免汽蚀现象的发生。

孔板级数需要按照具体压降需求进行进一步计算获得。

多级孔板在传统计算方法中，采用基于叠加原则的局部水头损失计算。水电能源科学，第34卷第5期中，李琳，白兆亮，关于“有压管道孔板局部阻力相邻影响系数研究”得出在孔板相对间距(孔板间距/管径)＜8时，使用传统阻力叠加方法计算所得的水头损失误差较大，需要引入修正公式计算；对于相对间距≥8时，使用传统方法计算所得的精度较高。

原子能科学技术，第52卷第5期中，李旭东等人研究了“大压降管路节流特性分析及孔板优化设计”，在多级孔板阻流器中，适当增大孔板间距能够提高上流孔板的减压能力，有效改善下游孔板的抗汽蚀能力。

这样，具体计算如下：

a)单个减压孔板的局部阻力系数计算：

式中：ζ——减压孔板的局部阻力系数；

d_k——减压孔板的孔口直径(m)；

d_j——管道的内径(m)。

b)减压孔板的水头损失计算：

式中：H——损失水头(m)；

V——管道内水的平均流速(m/s)；

ζ——减压孔板的局部阻力系数；

g——重力加速度(m/s²)。

基于叠加原则的多级孔板总水头计算：

式中：H_总——总损失水头(m)；

V——管道内水的平均流速(m/s)；

n——孔板级数；

ζ_总——多级减压孔板的总局部阻力系数。

基于修正的多级孔板总水头计算：

式中：H_修正——修正后总损失水头(m)；

V——管道内水的平均流速(m/s)；

C——修正系数；

ζ_总——多级减压孔板的总局部阻力系数。

c)余量计算：

在实际情况下，模拟自吸高度需要考虑余量，其中包含沿程阻力损失及部分弯管、进出口阀等过流部件造成的局部阻力损失，以及U型管设计高度等。

式中：H₁——计算模拟自吸高度(m)；

H——实际模拟自吸高度(m)；

h——U型管设计高度(m)；

λ——沿程阻力系数，取决于管道材料及内表面粗糙程度；

l——管道长度(m)；

D——管道内径(m)；

H_f——局部阻力损失如弯管等。

多级孔板消能器设计过程中，对阻力系数影响最大的是开孔率，其次也需要考虑多级孔板间距问题。通过阻力系数及减压水头的计算，可基本确定所需减压孔板的开孔率。受管路沿程阻力及其他过流部件如进出口阀、弯管等局部损失影响，需要根据余量计算对孔板留有一定的设计余量，该余量产生的自吸高度误差可通过调整进口调节阀开度来消除。

本发明中的泵自吸高度和自吸时间原位测量与可视化显示方法，包括：

开始前，确定模拟的自吸高度，通过上述换算公式选择合适的孔板组合，并安装到位。检查转速扭矩仪是否调零，检查各器件接线是否完好，检查急停按钮是否归位。

将进、出口调节阀全开，此时观察各器件是否调零。

确认无误后按下变频电机启动按钮，观察可视化U型管水位变化，按照设定调节电机转速，观察进口压力计及压力变送器读数。通过调节进口调节阀开度，直至进口压力达到相应的数值。

保持继续运行，观察进水管中有无明显气泡，判断进水管连接处是否存在漏气。确认无误后停泵。

如图5-6所示，打开测试泵进口端一侧的进口弯管排水阀19(图4中标记出进口弯管排水阀的位置)，将进水管中U型管靠近泵侧管中残留的液体排空。标记进口调节阀位置，等待U型管靠近水箱侧液位下降至与水箱液面齐平，关闭进口弯管排水阀。此时前期准备工作已完成。

其中，设置进口弯管排水阀，目的是在上一次自吸性能试验结束之后，需要重复进行自吸性能实验时，需要将进水管液体排空，制造一段充满空气的管道以模拟自吸过程中的吸空阶段。

试验时，先按下数据记录按钮，再按下启动按钮，同时开始计时。观察进口压力计，直至压力达到预先设定的值，计时结束。等待稳定运行几秒后，停泵。

从控制柜导出进、出口压力、流量、转速、扭矩数据表，分析各参数随时间的变化情况。

本发明可通过调整变频电机转速，测试得到不同转速下，泵的自吸时间与自吸高度，分析转速对自吸过程状态参数的影响规律。

本发明可通过调整不同自吸高度，重复上述步骤，得到不同自吸高度下进、出口压力、流量、转速、扭矩变化规律，进行对比分析。

如图7所示，本发明在应用中，还包括拓展方案，除完成自吸性能试验外，可通过对进水管的替换，进行泵性能试验、两相流试验等。

具体操作步骤为：U型管可拆除，且通过直管进行替换。U型管支架与台架之间通过螺栓固定和连接；在改造直通管道时，可将U型管支架拆除。孔板部分也可自行拆除。替换为直管之后，试验台与普通闭式性能试验台无异，可进行空化、两相流及各类泵型的性能试验。

本发明具有以下技术效果：

1、本发明具备较强的通用性、经济性及可拓展性，整体回路可通过模块替换适应不同的测量需求。

2、本发明通过简化装置，在保证测量结果准确的前提下，可进行自吸高度调节，能够准确模拟进口高度并采集记录自吸过程中的各个参数变化。

3、本发明通过在关键点位加装压力等测量设备，更加全面的对各种泵型自吸试验及其他拓展试验过程数据进行采集记录，克服了现有技术测量的缺点。

对于本案所公开的内容，还有以下几点需要说明：

(1)、本案所公开的实施例附图只涉及到与本案所公开实施例所涉及到的结构，其他结构可参考通常设计；

(2)、在不冲突的情况下，本案所公开的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例；

以上，仅为本案所公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，本案所公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.泵自吸高度和自吸时间原位测量与可视化显示装置，包括水箱、变频电机、测试泵和台架，所述变频电机和测试泵分别设在台架上，所述变频电机用于驱动测试泵；

其特征在于，还包括进口调节阀、消能器、U型管和出口调节阀，

所述进口调节阀的进口端连接水箱，出口端通过进水管连接测试泵的进口端，所述测试泵的出口端通过出水管连接出口调节阀的进口端，所述出口调节阀的出口端连接水箱；

所述消能器包括至少一个孔板，所述孔板包括板体，所述板体的中间设有若干通孔，

所述进水管包括至少两个分管，所述孔板连接在相邻分管之间，所述通孔位于分管的管口内；

所述U型管连接在进水管上，所述U型管倒置、且位于测试泵和与测试泵相邻的孔板之间；

所述U型管为可视化管。

2.根据权利要求1所述的泵自吸高度和自吸时间原位测量与可视化显示装置，其特征在于，

所述消能器包括至少两个孔板，在所述孔板的数量＞2时，相邻孔板之间的间距相等。

3.根据权利要求1所述的泵自吸高度和自吸时间原位测量与可视化显示装置，其特征在于，

还包括控制柜以及连接控制柜的进口压力计、进口压力变送器、出口流量计、出口压力计、出口压力变送器和转速扭矩仪，

所述进口压力计和进口压力变送器分别连接在进水管上，

所述出口流量计、出口压力计和出口压力变送器分别连接在出水管上，

所述变频电机通过转速扭矩仪连接测试泵。

4.根据权利要求1所述的泵自吸高度和自吸时间原位测量与可视化显示装置，其特征在于，

所述进口调节阀和与进口调节阀相邻的孔板之间的分管为可视化管。

5.根据权利要求1所述的泵自吸高度和自吸时间原位测量与可视化显示装置，其特征在于，

所述测试泵的泵盖为可视化盖板。

6.根据权利要求1所述的泵自吸高度和自吸时间原位测量与可视化显示装置，其特征在于，还包括相机一和相机二，

所述相机一朝向测试泵的泵盖，

所述相机二朝向所述进口调节阀和首个孔板之间的分管。

7.根据权利要求1所述的泵自吸高度和自吸时间原位测量与可视化显示装置，其特征在于，

所述出口调节阀一侧的出水管上设有出口可视化管段。

8.根据权利要求1所述的泵自吸高度和自吸时间原位测量与可视化显示装置，其特征在于，

所述孔板位于相邻分管的法兰之间、且通过螺栓连接；

所述孔板的两端分别设有环形密封槽，所述密封槽内设有O型密封圈，所述分管的管口位于O型密封圈内。

9.泵自吸高度和自吸时间原位测量与可视化显示方法，其特征在于，采用权利要求1-8中任一所述的泵自吸高度和自吸时间原位测量与可视化显示装置，包括：

开始前，根据试验所需自吸高度，选择孔板的数量并确定间距，同时，确定孔板上通孔的开孔数量；

进、出口调节阀保持全开，按下变频电机启动按钮，观察可视化U型管水位变化，按照设定调节电机转速，观察进口压力计及压力变送器读数；

通过调节进口调节阀开度，直至进口压力达到相应的数值；

保持继续运行，观察进水管中有无明显气泡，判断进水管连接处是否存在漏气；确认无误后停泵；

打开测试泵进口端一侧的进口弯管排水阀，将进水管中U型管靠近泵侧管中残留的液体排空；标记进口调节阀位置，等待U型管靠近水箱侧液位下降至与水箱液面齐平，关闭进口弯管排水阀；

试验时，先按下数据记录按钮，再按下启动按钮，同时开始计时；观察进口压力计，直至压力达到预先设定的值，计时结束；等待稳定运行后，停泵；

从控制柜导出进、出口压力、流量、转速、扭矩数据表，分析各参数随时间的变化情况。