CN210875810U - 一种大型土工离心机降低风阻功率的装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种大型土工离心机降低风阻功率的装置。在圆柱形筒体的内侧与高速转子系统间设有半圆管圆柱形冷却装置，吊篮正上方设置蛇形顶部半圆管冷却板，顶部中心位置设有回风口；氦气储罐通过多个氦气进气管上的氦气出气孔，从下封板进入离心舱内。采用氦气置换离心舱内的空气降低了风阻功率和相应的能耗；因为不需要真空，密封要求更低；将散热设备置于离心舱腔体内部，增设氦气内循环风道，提高换热系数，增加散热效果；采用专用的隔振密封垫，将主轴传递给上轴承系统支撑装置的振动与离心舱腔体隔开，从而避免腔体与主轴共振，保证离心舱腔体的安全。本实用新型在重力加速度1500g以下运行时，经济性好，可实现温控在45℃以下。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种离心机降低风阻功率技术，特别是涉及一种大型土工离心机降低风阻功率的装置。
背景技术
大直径、高加速度、超重力土工离心机是研究岩土演变、地质构造演变、地质灾难还原等地质演变过程再现试验的必不可少的装置。随着加速度g的不断增加，离心机的风阻功率也急剧增加，按照目前国内外风阻功率的估算法法，风阻功率公式均为Nw＝ρA1ω3B1这个形式，其中A1和B1分别为与形状、几何尺寸有关的系数，其功率与空气密度ρ成正比，与高速转子转速ω3成正比，因此离心加速度越大，风阻功率越大，而风阻功率最后转变为热量导致离心舱内温度上升。在加速度500g以下时，一般可以采用冷风机组冷却，或者自然风流通冷却。但是当加速度增加到1000g以上，甚至1500g以上以后，直径11米的离心舱内产热量可达到10MW，相当于5万平方米的大型空调机组的换热量，如此巨大的换热需要巨大的风量，而且风力过大会影响转臂的振动，因此传统冷风冷却已经不能满足高加速度离心机散热的需要，而温控解决不好，离心舱内的所有仪表均会出现问题，一般要求离心舱温度控制在 45℃以下。
从风阻功率的公式可以看出，在相同工况和几何尺寸的机器上，降低风阻功率的有效途径是减少空气密度ρ，传统离心机在超重力加速度小于500g的情况下，一般采用冷风直接冷却与离心壁四周冷水冷却相结合的方法实现离心机的温控。但是当离心机的加速度或者转子载荷进一步增加时，离心室内的产热量会进一步增加，这时候冷风冷却联合冷水冷却也无法达到散热的要求。为了解决这个问题，最有效的方法是减小空气密度ρ，传统做法是对离心室抽真空，降低空气的密度以降低转臂与空气的摩擦生热，但是抽真空后会引发另外的问题，一是由于真空状态下空气分子稀薄，传热能力也大幅下降，且真空状态下空气无法对流，因此，转臂与空气摩擦引起的转臂温度升高的热量无法被有效传递出去；另一个问题是高真空下离心机的轴承会漏油，离心舱四周的密封都变得困难，故真空度不能太高；抽真空还使离心舱造价大幅提高。
目前有关土工离心机试验舱散热的专利主要有本单位浙江大学刘国贵等的CN201210056367.6“土工离心机试验舱的喷淋水幕式冷却装置”，提出了一种采用离心舱四周喷淋冷却水的方法进行散热的方法，效果很好，但是当加速度增加到500g以上，仅仅依靠水冷也达不到散热控温的目的；浙江大学郑传祥等公开的ZL201910350086.3“超高重力土工离心装置真空腔体结构”采用对真空腔体抽真空减少空气密度，并结合内置冷却系统实现温控，这对1000g以上的土工离心机是十分有效的。但应用于1000g以下的土工离心机，国内外文献未见报道。
实用新型内容
为了克服背景技术领域中存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种大型土工离心机降低风阻功率的装置，采用惰性气体氦气置换空气，使离心舱内的气体密度大幅下降，从而降低风阻功率，同时采用内置式散热技术，实现低能耗、高可靠温控的目的；主要应用于加速度1500g以下的土工离心机，在常压下实现降低风阻功率、减少能耗、实现温控的目标。
从风阻功率的公式可以看出，在相同工况和几何尺寸的机器上，降低风阻功率的有效途径是减少空气密度ρ，氦气的密度常压下是0.1785kg/m3，而空气密度常压下是1.29kg/m3，氦气密度是空气密度的13.84％，因此理论上可以减少风阻功率86％左右。实现大幅降低风阻功率以后，加上离心舱侧壁冷却和顶部冷却后，可以在常压下实现温控要求，从而避免通过抽真空来实现温控的种种困难。
为了达到上述发明目的，本实用新型采用的技术方案是：
本实用新型包括圆柱形筒体、下面装有顶部半圆管冷却板的上封板、下封板和隔振密封垫构成离心舱腔体；
高速转子系统被包围在该离心舱腔体内，圆柱形筒体的内侧与高速转子系统之间设有半圆管圆柱形冷却装置，高速转子系统的主轴下端经下轴承密封盖和下轴承系统，伸出下封板后，再依次与联轴器和马达连接，主轴与下轴承密封盖通过一个主轴动密封密封；高速转子系统的主轴上端经顶部半圆管冷却板、上封板、上轴承系统和上轴承密封盖后与仪器舱连接；高速转子系统的主轴与上封板通过另一主轴动密封密封；上轴承密封盖、下轴承密封盖分别通过螺栓与各自的轴承座固定；
上轴承系统位于上轴承系统支撑装置的圆形支撑环内，圆形支撑环通过多根上轴承支撑大梁各自刚性连接于连接垫板上，每块连接垫板固定于侧面混凝土上；
高速转子系统的离心机转臂两外端分别装有吊篮，顶部半圆管冷却板位于吊篮正上方设置蛇形半圆管，顶部半圆管冷却板的中心位置设有多个顶部中心回风口；
圆柱形筒体侧壁设有冷却液进液管、冷却液出液管和一个侧门，冷却液进液管与上集液管联通，上集液管通过冷却液分配管分别连接顶部半圆管冷却板的顶部冷却液进液口和半圆管圆柱形冷却装置的上端进液口；冷却液出液管与下集液管联通，下集液管通过冷却液收集管分别与顶部半圆管冷却板的顶部冷却液出液口和半圆管圆柱形冷却装置的下端出液口联通，上集液管安装于上集液管支架上，下集液管安装于下集液管支架上；半圆管圆柱形冷却装置的下端连接有转角过渡板，转角过渡板与下封板之间留有高度不超过10mm的底部间隙；离心舱内的氦气从吊篮底部的高风压区通过底部间隙依次经过半圆管圆柱形冷却装置的外侧、顶部半圆管冷却板，与半圆管换热后，经顶部中心回风口回到离心舱内，与高温氦气混合后被高速离心转子推到半圆管圆柱形冷却装置的内侧，完成循环；
氦气储罐通过管子连接自动控制阀门，再通过管子连接多个氦气进气管，氦气通过自动控制阀门后，通过多个氦气进气管上的氦气出气孔进入离心舱内。
所述隔振密封垫的开口端位于圆柱形筒体法兰上端面的凹槽内，并与凹槽紧密接触，隔振密封垫的上端面与上轴承系统支撑装置上的上封板下端面紧密接触，隔振密封垫高出圆柱形筒体法兰上端面；圆柱形筒体法兰上端面的凹槽底部有开有充气口，压缩空气通过充气口将隔振密封垫开口端内的压力升高。
所述上轴承系统支撑装置上开有吊装孔，吊装孔的上端用吊装孔盖板密封盖住。
所述顶部半圆管冷却板是分块组合而成，每一块顶部半圆管冷却板均开有顶部冷却液进液口、顶部冷却液出液口和蛇形半圆管构成一个封闭的冷却液循环回路。
所述半圆管圆柱形冷却装置它由多块弧形的冷却单元组装成一个完整的圆形筒，每一块冷却单元由弧形侧板、焊于弧形侧板外侧的蛇形半圆管、上端进液口和下端出液口组成，从上端进液口到下端出液口组成一个完整的循环回路；上端进液口与上集液管相连通，下端出液口与下集液管相连通。
所述下封板，采用预埋在底部混凝土中的拉筋焊接或者铆接固定于底部混凝土上；离心舱的底部设有多个下抽气管和下抽气管阀门，下抽气管贯穿底部混凝土和下封板。
所述上轴承系统，由圆形支撑环和固定于圆形支撑环上的多根上轴承支撑大梁支撑到连接垫板上，连接垫板固定于侧面混凝土上，多根上轴承支撑大梁对称分布。
所述半圆管圆柱形冷却装置和顶部半圆管冷却板的材料为铝合金、铜、不锈钢或低碳钢。
本实用新型具有的有益效果是：
1)采用氦气置换大型土工离心机密闭离心舱内的空气(本实用新型釆用氦气进行置换，也可釆用其他隋性气体进行置换)，由于密度下降86％，因此在相同工况下、常压运行的土工离心机风阻功率可下降86％，大大降低了风阻功率和相应的能耗，国内外未见文献报道。
2)与抽真空降低风阻功率相比，本实用新型因为不需要抽真空，因此离心舱结构更加简单，密封要求更低，大型轴承不会因抽真空而漏油，不需要庞大耗能的真空系统，建造成本大大降低，同时不需要抽真空的所需的能耗，因此运行成本更低，可靠性更高。
3)将散热设备置于真空腔体内部，并设置氦气内循环冷却风道，可以将换热系数进一步提高，增加散热效果；利用大型土工离心机内风压的巨大差异，将高风压区域的高温氦气导入半圆管圆柱形冷却装置和顶部冷却器的半圆管侧，经过换热后，利用压差导入到中心低压区域，充分利用了冷却介质的冷量，大大提高换热效率。
4)区别于传统土工离心机采用单轴承系统悬臂梁转子，本实用新型的高速转子设置上轴承系统，大大增加了高速转子的刚度和运行稳定性，解决高速转子振动大的问题；
5)采用专用的隔振密封垫，将主轴传递给上轴承系统支撑装置的振动与离心舱腔体隔开，从而避免腔体与主轴共振，保证了离心舱腔体的安全。
因此，本实用新型在加速度1500g以下运行时，经济性更加明显，可以实现温控在45℃以下。
附图说明
图1是本实用新型的结构主视剖面图。
图2是图1的A-A的横截面图。
图3是顶部半圆管冷却板的结构图。
图4是氦气进口装置。
图5是图1密封防振结构Ⅰ的放大图。
图6是半圆管圆柱形冷却装置单元示意图。
图7是半圆管圆柱形冷却装置单元俯视图。
图8是转角过渡板的局部放大图。
图中：1、马达，2、联轴器，3、下轴承系统，4、下轴承密封盖，5、拉筋，6、底部混凝土，7、下封板，8、侧面混凝土，9、下集液管，10、圆柱形筒体，11、半圆管圆柱形冷却装置，12、主轴，13、吊篮，14、离心机转臂，15、上集液管支架，16、上集液管，17、圆柱形筒体法兰，18、隔振密封垫，19、上轴承系统支撑装置，20、上封板，21、螺栓，22、上轴承密封盖，23、上轴承系统，24、仪器舱，25、吊装孔，26、蛇形半圆管，27、冷却液分配管，28、冷却液进液管，29、冷却液收集管，30、高速转子系统，31、氦气进气管，32、自动控制阀门，33、氦气储罐，34、上轴承支撑大梁，35、圆形支撑环，36、下抽气管，37、侧门，38、氦气出气孔，39、顶部冷却液进液口，40、顶部冷却液出液口，41、顶部半圆管冷却板，42、充气口，43、冷却液出液管，44、转角过渡板，45、底部间隙，46、顶部中心回风口，47、主轴动密封，48、下集液管支架，49、连接垫板，50、吊装孔盖板，51、弧形侧板，52、下端出液口，53、上端进液口，54、下抽气管阀门。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明。
如图1、图2所示，本实用新型包括圆柱形筒体10、下面装有顶部半圆管冷却板41的上封板20、下封板7和隔振密封垫18构成离心舱腔体。
高速转子系统30被包围在该离心舱腔体内，圆柱形筒体10的内侧与高速转子系统30之间设有半圆管圆柱形冷却装置11，高速转子系统30的主轴12下端经下轴承密封盖4和下轴承系统3，伸出下封板7后，再依次与联轴器2和马达1连接，主轴12与下轴承密封盖4通过一个主轴动密封密封；高速转子系统30的主轴12上端经顶部半圆管冷却板41、上封板20、上轴承系统23和上轴承密封盖22后与仪器舱24连接；高速转子系统30的主轴12与上封板20通过另一主轴动密封密封；上轴承密封盖22、下轴承密封盖4分别通过螺栓21与各自的轴承座固定。
上轴承系统23位于上轴承系统支撑装置19的圆形支撑环35内，圆形支撑环35通过八根上轴承支撑大梁34各自刚性连接于连接垫板49上，每块连接垫板49固定于侧面混凝土8 上。
高速转子系统30的离心机转臂14两外端分别装有吊篮13，顶部半圆管冷却板41位于吊篮13正上方设置蛇形半圆管26，顶部半圆管冷却板41的中心位置设有多个顶部中心回风口46。
如图1、图2所示，圆柱形筒体10侧壁设有冷却液进液管28、冷却液出液管43和一个侧门37，冷却液进液管28与上集液管16联通，上集液管16通过冷却液分配管27分别连接顶部半圆管冷却板41的顶部冷却液进液口39和半圆管圆柱形冷却装置11的上端进液口53；冷却液出液管43与下集液管9联通，下集液管9通过冷却液收集管29分别与顶部半圆管冷却板41的顶部冷却液出液口40和半圆管圆柱形冷却装置11的下端出液口52联通，上集液管16安装于上集液管支架15上，下集液管9安装于下集液管支架48上；冷却液从冷却液进液管28进入离心舱腔体后，经过上集液管16后，一路经过顶部半圆管冷却板41换热以后回到下集液管9，从冷却液出液管43流出，另一路经过半圆管圆柱形冷却装置11换热以后回到下集液管9，从冷却液出液管43流出，完成循环。
如图6所示，半圆管圆柱形冷却装置11的下端连接有转角过渡板44，转角过渡板44与下封板7之间留有高度不超过10mm的底部间隙45；离心舱内的氦气从吊篮13底部的高风压区通过底部间隙45依次经过半圆管圆柱形冷却装置11的外侧、顶部半圆管冷却板41，与半圆管26换热后，经顶部中心回风口46回到离心舱内，与高温氦气混合后被高速离心转子推到半圆管圆柱形冷却装置11的内侧，完成循环。
如图1、图4所示，氦气储罐33通过管子连接自动控制阀门32，再通过管子连接多个氦气进气管31，氦气通过自动控制阀门32后，通过多个氦气进气管31上的氦气出气孔38进入离心舱内。
如图1、图5所示，所述隔振密封垫18的开口端位于圆柱形筒体法兰17上端面的凹槽内，并与凹槽紧密接触，隔振密封垫18的上端面与上轴承系统支撑装置19上的上封板20下端面紧密接触，隔振密封垫18高出圆柱形筒体法兰17上端面10mm以上；圆柱形筒体法兰17上端面的凹槽底部有开有充气口42，压缩空气通过充气口42将隔振密封垫18开口端内的压力升高。
如图1、图2所示，所述上轴承系统支撑装置19上开有吊装孔25，吊装孔25的上端用吊装孔盖板50密封盖住。
如图3所示，所述顶部半圆管冷却板41可以是分块组合而成，每一块顶部半圆管冷却板均开有顶部冷却液进液口39、顶部冷却液出液口40和蛇形半圆管26构成一个封闭的冷却液循环回路。
如图6、图7、图8所示，所述半圆管圆柱形冷却装置11它由多块弧形的冷却单元组装成一个完整的圆形筒，每一块冷却单元由弧形侧板51、焊于弧形侧板51外侧的蛇形半圆管 26、上端进液口53和下端出液口52组成，从上端进液口53到下端出液口52组成一个完整的循环回路；上端进液口53与上集液管16相连通，下端出液口52与下集液管9相连通。
所述下封板7，采用预埋在底部混凝土6中的拉筋5焊接或者铆接固定于底部混凝土6 上；离心舱的底部设有多个下抽气管36和下抽气管阀门54，下抽气管36贯穿底部混凝土6 和下封板7。
如图2所示，所述上轴承系统23，由圆形支撑环35和固定于圆形支撑环35上的多根上轴承支撑大梁34支撑到连接垫板49上，连接垫板49固定于侧面混凝土8上，多根上轴承支撑大梁34对称分布。
所述半圆管圆柱形冷却装置11和顶部半圆管冷却板41的材料为铝合金、铜、不锈钢或低碳钢。
本实用新型的工作原理如下：
1)在高速转子的吊篮13里面放置所需的实验物品后，关闭整个离心舱腔体的所有阀门、侧门和吊装孔盖板，开始进行氦气置换：
2)打开氦气储罐33出口处的自动控制阀门32，带压力的氦气通过氦气进气管31从离心舱腔体底部均匀进入离心舱腔体，由于氦气密度很小，氦气很快升到离心舱腔体顶部；打开下抽气管阀门54，空气由于密度大，慢慢被从底部置换出来，用氦气传感器监测各抽气管阀门54出口处的氦气，判断氦气是否充满离心舱，充满氦气后关闭下抽气管阀门54；
3)开启液冷冷却系统，打开上集液管16和下集液管9的进水阀门，开启冷冻机组，开启半圆管圆柱形冷却装置11和顶部半圆管冷却板41的所有阀门，制冷系统及液冷系统开始工作，冷却液从冷却液进液管28进入离心舱腔体后，经过上集液管16后，一路经过顶部半圆管冷却板41换热以后回到下集液管9，从冷却液出液管43流出，另一路经过半圆管圆柱形冷却装置11换热以后回到下集液管9，从冷却液出液管43流出，完成循环；
4)开启超高重力离心机主机，开始工作；
5)调节冷冻机的出液量来控制离心舱腔体内的温度在20-45℃之间工作。当离心舱空腔体内的温度上升到40℃时，如果仍有上升趋势，降低离心机转速，直至停机；
6)当高速转子系统需要停机时，首先降低转速，按照程序停机，然后关闭冷冻机，关闭半圆管圆柱形冷却装置11和顶部半圆管冷却板41，打开侧门27，打开吊装孔25，让氦气排出离心舱腔体，同时让空气进入离心舱腔体，取出试件，一个试验结束。
Claims (8)
1.一种大型土工离心机降低风阻功率的装置，其特征在于：包括圆柱形筒体(10)、下面装有顶部半圆管冷却板(41)的上封板(20)、下封板(7)和隔振密封垫(18)构成离心舱腔体；
高速转子系统(30)被包围在该离心舱腔体内，圆柱形筒体(10)的内侧与高速转子系统(30)之间设有半圆管圆柱形冷却装置(11)，高速转子系统(30)的主轴(12)下端经下轴承密封盖(4)和下轴承系统(3)，伸出下封板(7)后，再依次与联轴器(2)和马达(1)连接，主轴(12)与下轴承密封盖(4)通过一个主轴动密封密封；高速转子系统(30)的主轴(12)上端经顶部半圆管冷却板(41)、上封板(20)、上轴承系统(23)和上轴承密封盖(22)后与仪器舱(24)连接；高速转子系统(30)的主轴(12)与上封板(20)通过另一主轴动密封密封；上轴承密封盖(22)、下轴承密封盖(4)分别通过螺栓(21)与各自的轴承座固定；
上轴承系统(23)位于上轴承系统支撑装置(19)的圆形支撑环(35)内，圆形支撑环(35)通过多根上轴承支撑大梁(34)各自刚性连接于连接垫板(49)上，每块连接垫板(49)固定于侧面混凝土(8)上；
高速转子系统(30)的离心机转臂(14)两外端分别装有吊篮(13)，顶部半圆管冷却板(41)位于吊篮(13)正上方设置蛇形半圆管(26)，顶部半圆管冷却板(41)的中心位置设有多个顶部中心回风口(46)；
圆柱形筒体(10)侧壁设有冷却液进液管(28)、冷却液出液管(43)和一个侧门(37)，冷却液进液管(28)与上集液管(16)联通，上集液管(16)通过冷却液分配管(27)分别连接顶部半圆管冷却板(41)的顶部冷却液进液口(39)和半圆管圆柱形冷却装置(11)的上端进液口(53)；冷却液出液管(43)与下集液管(9)联通，下集液管(9)通过冷却液收集管(29)分别与顶部半圆管冷却板(41)的顶部冷却液出液口(40)和半圆管圆柱形冷却装置(11)的下端出液口(52)联通，上集液管(16)安装于上集液管支架(15)上，下集液管(9)安装于下集液管支架(48)上；
半圆管圆柱形冷却装置(11)的下端连接有转角过渡板(44)，转角过渡板(44)与下封板(7)之间留有高度不超过10mm的底部间隙(45)；离心舱内的氦气从吊篮(13)底部的高风压区通过底部间隙(45)依次经过半圆管圆柱形冷却装置(11)的外侧、顶部半圆管冷却板(41)，与半圆管(26)换热后，经顶部中心回风口(46)回到离心舱内，与高温氦气混合后被高速离心转子推到半圆管圆柱形冷却装置(11)的内侧，完成循环；
氦气储罐(33)通过管子连接自动控制阀门(32)，再通过管子连接多个氦气进气管(31)，氦气通过自动控制阀门(32)后，通过多个氦气进气管(31)上的氦气出气孔(38)进入离心舱内。
2.根据权利要求1所述的一种大型土工离心机降低风阻功率的装置，其特征在于：所述隔振密封垫(18)的开口端位于圆柱形筒体法兰(17)上端面的凹槽内，并与凹槽紧密接触，隔振密封垫(18)的上端面与上轴承系统支撑装置(19)上的上封板(20)下端面紧密接触，隔振密封垫(18)高出圆柱形筒体法兰(17)上端面；圆柱形筒体法兰(17)上端面的凹槽底部有开有充气口(42)，压缩空气通过充气口(42)将隔振密封垫(18)开口端内的压力升高。
3.根据权利要求1所述的一种大型土工离心机降低风阻功率的装置，其特征在于：所述上轴承系统支撑装置(19)上开有吊装孔(25)，吊装孔(25)的上端用吊装孔盖板(50)密封盖住。
4.根据权利要求1所述的一种大型土工离心机降低风阻功率的装置，其特征在于：所述顶部半圆管冷却板(41)是分块组合而成，每一块顶部半圆管冷却板均开有顶部冷却液进液口(39)、顶部冷却液出液口(40)和蛇形半圆管(26)构成一个封闭的冷却液循环回路。
5.根据权利要求1所述的一种大型土工离心机降低风阻功率的装置，其特征在于：所述半圆管圆柱形冷却装置(11)，它由多块弧形的冷却单元组装成一个完整的圆形筒，每一块冷却单元由弧形侧板(51)、焊于弧形侧板(51)外侧的蛇形半圆管(26)、上端进液口(53)和下端出液口(52)组成，从上端进液口(53)到下端出液口(52)组成一个完整的循环回路；上端进液口(53)与上集液管(16)相连通，下端出液口(52)与下集液管(9)相连通。
6.根据权利要求1所述的一种大型土工离心机降低风阻功率的装置，其特征在于：所述下封板(7)，采用预埋在底部混凝土(6)中的拉筋(5)焊接或者铆接固定于底部混凝土(6)上；离心舱的底部设有多个下抽气管(36)和下抽气管阀门(54)，下抽气管(36)贯穿底部混凝土(6)和下封板(7)。
7.根据权利要求1所述的一种大型土工离心机降低风阻功率的装置，其特征在于：所述上轴承系统(23)，由圆形支撑环(35)和固定于圆形支撑环(35)上的多根上轴承支撑大梁(34)支撑到连接垫板(49)上，连接垫板(49)固定于侧面混凝土(8)上，多根上轴承支撑大梁(34)对称分布。
8.根据权利要求1所述的一种大型土工离心机降低风阻功率的装置，其特征在于：所述半圆管圆柱形冷却装置(11)和顶部半圆管冷却板(41)的材料为铝合金、铜、不锈钢或低碳钢。
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