專利名稱：離心泵極端工況瞬態性能試驗系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種離心泵性能試驗系統，具體說是由蓄能驅動及制動裝置、循環管路和測控系統完成葉輪快速啟動或停機等極端工況下瞬態性能測試任務的試驗系統。
背景技術：
離心泵是一類典型的水力旋轉機械，廣泛應用于生產生活的各個領域。通常情況下其轉速和水力性能基本不變或緩慢變化，即在穩定條件下工作，對離心泵穩定工作條件下的水力性能研究己經較成熟。
隨著工程應用和科技的發展和進步，研究的熱點己逐漸深入到處于極端工作條件下的離心泵瞬態水力性能中，其中瞬時啟動和緊急停機是兩種典型的離心泵極端工況。在某些特殊應用場合中，如火力發電機組鍋爐備用給水泵，要求離心泵轉速和流量在極短時間內從靜止迅速增加至最大值，該過程的內流和水力性能將表現出明顯區別于穩態性能的瞬態效應，如轉速、流量、揚程和負載的快速變化，進口壓力瞬間降低，無量綱揚程在極短時間內產生峰值，瞬時流量呈近似三次曲線的增長方式等特點。在其他常規應用場合，離心泵突然啟動過程引起的瞬間壓力脈動和負載可能導致機組設備和電網的沖擊破壞。此外在復雜管路系統中，由于某些原因使主泵發生緊急停機時所產生的瞬時阻力可能對管網和設備造成影響，嚴重時可能發生水錘引起重大安全事故。
因此如何通過實驗獲得離心泵極端工況下的瞬時轉速、流量、揚程和功率等水力特性是亟需解決的一個實際問題。
目前大多數的離心泵實驗臺是專門為測試穩態條件下的泵水力性能而設計的，所使用的儀表和傳感器等僅適用于穩態性能的采集和處理，控制系統也很少涉及到瞬態極端工況，因此在普通的離心泵性能測試實驗臺上很難實現極端工況下的瞬時性能測試。
在需要對極端工況迸行測試的特殊情況下，采用大功率電機或汽輪機直接帶動葉輪可以實現離心泵的快速啟動，由于大功率電機不適宜在實驗室中采用，而汽輪機采用高壓氣源驅動，無法實現穩態工況的測試，通用性較差。對于離心泵緊急停機以及其他極端工況專用的測試實驗臺也未見報道。
發明內容
3本發明的目的是克服現有技術的不足，提供一種同時適用于穩態和極端工況，并具有自動控制和數據采集以及操作安全等特點的離心泵極端工況瞬態性能試驗系統。本發明通過以下技術方案以實現上述發明目的
提供一種離心泵極端工況瞬態性能試驗系統，包括由泵體、管路和水罐組成的循環回路，還包括蓄能驅動及制動裝置和瞬態性能測控系統；
所述蓄能驅動及制動裝置包括依次連接的變頻電機、鏈式聯軸器和驅動軸，驅動軸通過一對軸承支撐于軸承座上，驅動軸的另一端裝有由半聯軸器與動態離合器從動端相接合所組成的瞬時接合裝置；半聯軸器依次通過轉速轉矩測量儀和彈性聯軸器與離心泵葉輪軸相連，半聯軸器上套設制動裝置；驅動軸上還套裝有至少一組由蓄能盤與靜態離合器從動端相接合所組成的蓄能裝置，其中蓄能盤通過軸承支撐于驅動軸上，靜態離合器通過離合器固定環固定于驅動軸上；
所述瞬態性能測控系統包括轉速轉矩測量儀、設于泵體進口管路上的進口壓力傳感器和進口電磁流量計、設于泵體出口管路上的出口壓力傳感器和出口電磁流量計，均通過屏蔽線連接至信號轉換電路，信號轉換電路與工控機上的PCI板卡以信號線相連；變頻電機、靜態離合器、動態離合器和制動裝置通過信號線連接至變頻控制器。
作為一種改進，所述制動裝置包括支座和依次連接的剎車片、剎車桿、連桿、杠桿、撐壓件、彈簧、拉力桿、電磁鐵，彈簧接于撐壓件下部；電磁鐵通過常閉開關與主電源相接，該常閉開關安裝在動態離合器的接觸器輔助觸點上。
作為一種改進，所述水罐包括大水罐和小水罐，泵體出口、小水罐、大水罐和泵體入口依次通過管路連接形成循環回路，進口電磁流量計與其之前的鬧閥間設支線管路連接小水罐，泵體出口與小水罐之間設氣動球閥，其它管路上設若干閘閥。
作為一種改進，與泵體連接的進出口水管為有機玻璃透明管，其他管路之間設有若干橡膠撓性軟連接。
作為一種改進，所述氣動球閥的控制器通過信號線和信號轉換器連接至工控機。作為一種改進，所述靜態離合器是牙嵌式電磁離合器；所述動態離合器是摩擦片式離合器或磁粉式離合器其中任意一種。
作為一種改進，所述壓力傳感器是可控硅壓電式壓力傳感器。
本發明的有益效果在于，本發明不僅可實現多種轉速和管路阻力下離心泵穩態水力性能測試的基本功能，特別的是，可以完成變頻電機直連啟停和變轉速過程、不同蓄能盤蓄能啟動以及制動裝置強制緊急停機等多種極端工況瞬態水力性能的測試任務，彌補了現有測試方法的不足。
圖1是離心泵極端工況瞬態性能試驗系統示意圖2是蓄能驅動機構示意圖3是制動裝置示意圖。
圖中附圖標記為進口壓力傳感器1，進出口透明管2，葉輪3，泵體4，梅花形彈性聯軸器5，轉速轉矩測量儀6，制動裝置7，蓄能驅動機構8，信號轉換電路9，工控機IO，變頻控制器ll，小水罐12，大水罐13，橡膠撓性軟連接14，閘閥15，壓力傳感器16，橡膠撓性軟連接17，氣動球閥18，進口電磁流量計19，出口壓力傳感器20,出口電磁流量計21，變頻電機22，鏈式聯軸器23，軸承側蓋24，軸承上蓋25，軸承26，牙嵌式電磁離合器27，驅動軸28，摩擦片式電磁離合器29，半聯軸器30，轉速轉矩測量儀支座31，軸承32，軸承底座33，小蓄能盤34，離合器固定環35，軸套36，大蓄能盤37，軸承38，電機座39，制動裝置支座40，剎車片41，剎車桿42，連桿43，杠桿44，撐壓件45,彈簧46,拉力桿47，電磁鐵48。
具體實施例方式
本發明中的離心泵極端工況瞬態性能試驗系統由四大部分組成，分別為蓄能驅動8及制動裝置7、泵體4、循環管路和瞬態性能測控系統。
蓄能驅動8及制動裝置7包括依次連接的變頻電機22、鏈式聯軸器23和驅動軸28，驅動軸28通過軸承26、 32支撐于軸承座上，軸承座由具有兩個軸承孔的軸承底座33、軸承側蓋24和軸承上蓋25組成，方便驅動軸的拆裝。驅動軸28上的大蓄能盤37、小蓄能盤34各與一個靜態離合器27從動端相接合，靜態離合器27通過離合器固定環35固定于驅動軸28上。通過控制靜態離合器27的咬合和脫開，可實現大蓄能盤37、小蓄能盤34與驅動軸28的同步或異步運動。驅動軸28另一端設有與半聯軸器30接合的動態離合器29，半聯軸器30上套設制動裝置7。為防止零件松動飛出引起事故，在大蓄能盤37、小蓄能盤34周圍區域可安裝保護罩，保證人員安全。靜態離合器27是牙嵌式電磁離合器；所述動態電磁離合器是摩擦片式離合器或磁粉式離合器其中任意一種。
制動裝置7包括制動裝置支座40和支撐于其上的一對剎車桿42、依次連接的剎車片41、剎車桿42、連桿43、杠桿44、撐壓件45、拉力桿47和電磁鐵48，彈簧46接于撐壓件45下部。剎車片41有一對，環繞在半聯軸器30的頸部。電磁鐵48通過常閉開關與主電源相接，該常閉開關安裝在動態離合器29的接觸器輔助觸點上，可實現制動裝置7與動態離合器29的狀態互異，即制動裝置7抱緊半聯軸器30時，動態離合器29的主動與從動端脫開，反之亦然。
瞬態性能測控系統包括轉速轉矩測量儀6、設于泵體4進口管路上的進口壓力傳感器1和進口電磁流量計19、設于泵體出口管路上的出口壓力傳感器20和出口電磁流量計21，壓力傳感器是可控硅壓電式壓力傳感器。上述各信號測試儀所測得的信號均通過屏蔽線連接至信號轉換電路9中，將各信號轉換為0 5 V的標準壓力信號，信號轉換電路9與工控機10以信號線相連，將信號傳入到工控機10中的PCI板卡中，經過A/D轉換成為數字信號，再由測試軟件進行處理和分析。變頻控制器11通過信號線連接至變頻電機22、靜態離合器27、動態離合器29和制動裝置7，由變頻控制器11完成控制和執行。半聯軸器30與葉輪軸間通過轉速轉矩測量儀6、彈性聯軸器5相連接。循環管路包括大水罐13和小水罐12，泵體4、大水罐13與小水罐12依次通過管路形成循環回路；進口電磁流量計19與其之前的閘閥間設支線管路連接小水罐12，泵體4與小水罐12之間設氣動球閥18，其它管路上設若干閘閥15。氣動球閥18的控制器通過信號線和信號轉換器連接至工控機10。泵體4的進出口安裝進出口透明管2，可觀測泵體進出口的流動狀態，循環管路上還設有橡膠撓性軟連接14、 17以吸收管路間的變形和振動。通過切斷和打開管路中的閘閥15可選擇不同的循環回路，采用PCI板卡的D/A輸出控制氣動球閥18的轉角可以控制管路阻力。系統的實驗測試方法.-
穩態工況接通動態離合器，穩態工況下即可以斷開也可以咬合靜態離合器27，通過變頻控制器設置變頻電機22的轉速，控制氣動球閥18至所要位置，啟動變頻電機22和工控機10中的數據采集軟件即可實現穩態工況試驗測試。
變頻電機直連啟動工況接通動態離合器29，該工況下即可以斷開也可以咬合靜態離合器27，通過變頻控制器11設置變頻電機22的轉速和啟動時間，啟動變頻電機22和工控機10中的數據采集軟件即可實現電機直連啟動工況試驗測試。
極端快速啟動工況接通主電源，電磁鐵48吸合，驅動剎車片41抱緊葉輪軸，使之保持絕對靜止，同時彈簧46被壓縮，由于動態離合器29的接觸器未接通，因此動態離合器29主動端與從動端為脫開狀態。接通靜態離合器27，即將大蓄能盤37、小蓄能盤34與驅動軸28同步。通過變頻控制器11設定轉速值后，啟動變頻電機22，此時為變頻電機22、驅動軸28、大蓄能盤37和小蓄能盤34同步旋轉蓄能階段。待旋轉穩定后，接通動態離合器29，使其主動端和從動端瞬時接合，于此同時由于輔助觸點的作用使常閉開關打開，電磁鐵48失去電源，彈簧46驅動剎車片41放開葉輪軸，即實現葉輪3從靜止開始的極端快速啟動過程。
緊急停機工況為降低緊急停機時剎車片41的摩擦程度，延長其壽命，在模擬緊急停機工況時最好斷開大蓄能盤37、小蓄能盤34與靜態離合器27的連接。葉輪3穩定旋轉時，動態離合器29為接通狀態，由于制動裝置7與動態離合器29的狀態互異，因此制動裝置7為放開狀態，此時切斷動態離合器29，使其主動端和從動端瞬時脫開，電磁鐵48瞬時吸合，帶動剎車片41快速抱緊葉輪軸，即可實現葉輪3穩定旋轉時的緊急停機過程。在工控機10上編制了瞬態性能專用測試軟件，在啟動稍前時刻由測試軟件上發出采集命令，通過PCI板卡讀取轉速轉矩測量儀6、壓力傳感器l、 16、 20和電磁流量計19、 21傳輸至信號轉換電路9中的數據，并保存在工控機10的存儲設備中，以便后期處理。
需要注意的是，在操作過程中，靜態離合器27必須在蓄能盤37、 34和驅動軸28均靜止時咬合和放開，不可在驅動軸28旋轉時接合靜態離合器，否則將發生齒間撞擊，擊碎靜態離合器的嚴重后果。
實施例
選用22kvv變頻電機22作為動力源，通過鏈式聯軸器23與驅動軸28相連，驅動軸28兩端通過軸承26、 32支撐于軸承座上，軸承座由具有兩個軸承孔的軸承底座33、軸承側蓋24和軸承上蓋25組成，方便驅動軸的拆裝。驅動軸28上安裝大蓄能盤37、小蓄能盤34，蓄能盤通過內孔的軸承38支撐在驅動軸28上，蓄能盤側面與靜態離合器27從動端相連。驅動軸28另一端安裝動態離合器29，其最短接合時間為0. 35 s，動態離合器29從動端通過半聯軸器30與瞬時轉速轉矩測量儀6相連。 一對剎車片21環繞在半聯軸器30頸部，支座40、剎車片41、剎車桿42、連桿43、杠桿44、撐壓件45、彈簧46、拉力桿47和電磁鐵48組成制動裝置7。
轉速轉矩測量儀6另一端通過梅花形彈性聯軸器5與泵葉輪軸相接。本例中的離心泵比轉速為352，葉輪外徑為238 mm。
泵進出口管徑分別為200 mm和150 mm，大水罐13、小水罐12的進出口管徑分別為200畫、200 mm禾口 150 ram、 100 mm、 200 mm，管路間通過橡膠撓性軟連接14、 17吸收振動和熱脹冷縮引起的變形等，泵出口電磁流量計21和小水罐12間安裝了氣動球閥18，閘閥15的作用是控制不同的循環回路，循環管路間分別安裝了壓力傳感器1、 16、 20和電磁流量計19、 21以測試瞬時揚程和流量；變頻電機22、靜態離合器27和制動裝置7通過變頻控制器H控制，瞬時轉速、轉矩、壓力和流量經過信號轉換電路9轉換為0 5 V標準電壓信號，再傳入PCI板卡經過A/D轉換進入工控機10進行處理和分析。
應該理解到的是上述實施方式只是對本發明的說明，而不是對本發明的限制，任何不超出本發明精神范圍內的發明創造，均落入本發明的保護范圍之內。
權利要求
1、一種離心泵極端工況瞬態性能試驗系統，包括由泵體、管路和水罐組成的循環回路，其特征在于，還包括蓄能驅動及制動裝置和瞬態性能測控系統；所述蓄能驅動及制動裝置包括依次連接的變頻電機、鏈式聯軸器和驅動軸，驅動軸通過一對軸承支撐于軸承座上，驅動軸的另一端裝有由半聯軸器與動態離合器從動端相接合所組成的瞬時接合裝置；半聯軸器依次通過轉速轉矩測量儀和彈性聯軸器與離心泵葉輪軸相連，半聯軸器上套設制動裝置；驅動軸上還套裝有至少一組由蓄能盤與靜態離合器從動端相接合所組成的蓄能裝置，其中蓄能盤通過軸承支撐于驅動軸上，靜態離合器通過離合器固定環固定于驅動軸上；所述瞬態性能測控系統包括轉速轉矩測量儀、設于泵體進口管路上的進口壓力傳感器和進口電磁流量計、設于泵體出口管路上的出口壓力傳感器和出口電磁流量計，均通過屏蔽線連接至信號轉換電路，信號轉換電路與工控機上的PCI板卡以信號線相連；變頻電機、靜態離合器、動態離合器和制動裝置通過信號線連接至變頻控制器。
2、 根據權利要求1所述的離心泵極端工況瞬態性能試驗系統，其特征在于，所述制動裝置包括支座和依次連接的剎車片、剎車桿、連桿、杠桿、撐壓件、彈簧、拉力桿、電磁鐵，彈簧接于撐壓件下部；電磁鐵通過常閉開關與主電源相接，該常閉開關安裝在動態離合器的接觸器輔助觸點上。
3、 根據權利要求1所述的離心泵極端工況瞬態性能試驗系統，其特征在于，所述水罐包括大水罐和小水罐，泵體出口、小水罐、大水罐和泵體入口依次通過管路連接形成循環回路，進口電磁流量計與其之前的閘閥間設支線管路連接小水罐，泵體出口與小水罐之間設氣動球閥，其它管路上設若干閘閥。
4、 根據權利要求3所述的離心泵極端工況瞬態性能試驗系統，其特征在于，與泵體連接的進出口水管為有機玻璃透明管，其他管路之間設有若干橡膠撓性軟連接。
5、 根據權利要求3所述的離心泵極端工況瞬態性能試驗系統，其特征在于，所述氣動球閥的控制器通過信號線和信號轉換器連接至工控機。
6、 根據權利要求1至5所述的任意一種離心泵極端工況瞬態性能試驗系統，其特征在于，所述靜態離合器是牙嵌式電磁離合器；所述動態離合器是摩擦片式離合器或磁粉式離合器其中任意一種。
7、 根據權利要求1至5所述的任意一種離心泵極端工況瞬態性能試驗系統，其特征在于，所述壓力傳感器是可控硅壓電式壓力傳感器。
全文摘要
本發明涉及離心泵性能試驗系統，旨在提供一種完成葉輪快速啟動或停機等極端工況下瞬態性能測試任務的試驗系統。該系統包括由泵體、管路和水罐組成的循環回路，還包括蓄能驅動及制動裝置和瞬態性能測控系統；蓄能驅動及制動裝置包括依次連接的變頻電機、鏈式聯軸器和驅動軸；驅動軸上還套裝有至少一組由蓄能盤與靜態離合器從動端相接合所組成的蓄能裝置，其中蓄能盤通過軸承支撐于驅動軸上，靜態離合器通過離合器固定環固定于驅動軸上；本發明可實現多種轉速和管路阻力下離心泵穩態水力性能測試的基本功能，完成變頻電機直連啟停和變轉速過程、不同蓄能盤蓄能啟動以及制動裝置強制緊急停機等多種極端工況瞬態水力性能的測試任務。
文檔編號F04B51/00GK101649830SQ200910101999
公開日2010年2月17日 申請日期2009年8月25日 優先權日2009年8月25日
發明者吳大轉, 戴維平, 李志峰, 磊 焦, 王樂勤 申請人:浙江大學