專利名稱：一種多級離心泵“濕”轉子效應的實驗裝置的制作方法
技術領域：
本發明為一種研究多級離心泵“濕”轉子效應的實驗裝置，用于研究多級離心泵轉 子系統“濕”轉子效應的產生機理和在各種工作狀態和不同級間密封結構對“濕”轉子效應 的影響。
背景技術：
多級離心泵在石油、化工、電力和鋼鐵等重要行業得到廣泛應用，成為生產裝置的 重要輔機，特別隨著生產裝置的大型化泵機組單機容量的不斷增大，多級離心水泵正朝著 大型高速方向發展，因此其轉子動力學設計就顯得十分重要。在多級離心泵的轉子動力學 設計中存在著“干”、“濕”臨界轉速分析設計的難題。“干”臨界轉速是只考慮泵轉子在兩端 軸承支撐作用下的臨界轉速，但在泵工 作狀態下由于各級轉子間存在密封口環和這些密封 間隙兩端存在很高的壓差，這些間隙中流體的激烈湍流對轉子有一定的平衡恢復作用，造 成了工作條件下的“濕”臨界轉速要高于“干”臨界轉速。在大型的高壓離心泵這種“濕”臨 界轉速效應就很顯著了，它成為這個泵機組安全設計的關鍵。目前國內對多級離心泵的“濕”轉子效應方面開展的研究相對較少，特別是在實驗 研究領域處于空白狀態。這種情況使得國內多級離心泵行業在設計生產中還處于仿制和依 靠經驗的狀態，沒有充分的理論與實驗研究支持，造成了我國大型超高壓離心泵機組基本 上依賴于國外進口產品的局面。
發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種用于研究多級轉子系統“濕”轉子效應的實 驗裝置，該裝置可以對不同工作壓力和級間密封結構下多級轉子的振幅、轉矩隨轉速的變 化進行測量，以及探索多級轉子臨界轉速、振型等動力學特性在“濕”轉子效應研究變化規律。為了解決上述技術問題，本發明提供一種多級離心泵“濕”轉子效應的實驗裝置， 包括設置在實驗臺基座上的皮帶輪變速裝置和驅動電機，還包括電機變頻控制柜、信號采 集處理系統和多級濕轉子臺，多級濕轉子臺包括內設至少2級的轉子節段的承壓殼體和貫 穿承壓殼體且與承壓殼體轉動相連的轉軸；每級轉子節段由高壓倉和裝有泵轉子的低壓倉 組成，高壓倉和低壓倉之間設置級間密封；在泵轉子根部的軸頸處設置速度位移傳感器，用 于模擬真實多級泵級間密封工作狀態的壓力循環系統分別與高壓倉和低壓倉相連通；驅動 電機通過皮帶輪變速裝置與多級濕轉子臺上的轉軸相連，在皮帶輪變速裝置和轉軸之間設 置扭矩轉速測量儀；信號采集處理系統分別與扭矩轉速測量儀、速度位移傳感器信號相連； 電機變頻控制柜與驅動電機相連。作為本發明的多級離心泵“濕”轉子效應的實驗裝置的改進在承壓殼體的左右兩 側分別設有左軸承座和右軸承座，在左軸承座內設有左滾動軸承，在右軸承座內設有右滾 動軸承，轉軸的左右兩端分別與左滾動軸承和右滾動軸承相連；在轉軸與承壓殼體的左端面之間設置左機械密封，在轉軸與承壓殼體的右端面之間設置右機械密封；在低壓倉上分別設有速度位移傳感器接口和低壓倉流體出口 ；在高壓倉上設有高壓倉流體進口 ；低壓倉 流體出口和高壓倉流體進口分別與用于模擬真實多級泵級間密封工作狀態的壓力循環系 統相連通。作為本發明的多級離心泵“濕”轉子效應的實驗裝置的進一步改進用于模擬真實 多級泵級間密封工作狀態的壓力循環系統包括循環水儲存容器和加壓用多級離心泵，循環 水儲存容器的出口經加壓用多級離心泵與高壓倉流體進口相連，低壓倉流體出口與循環水 儲存容器的進口相連。作為本發明的多級離心泵“濕”轉子效應的實驗裝置的進一步改進泵轉子通過脹 緊套與轉軸固定相連。作為本發明的多級離心泵“濕”轉子效應的實驗裝置的進一步改進在承壓殼體上 設置用于將高壓倉和低壓倉拉緊的拉桿。作為本發明的多級離心泵“濕”轉子效應的實驗裝置的進一步改進位于高壓倉和 低壓倉之間的級間密封可更換。作為本發明的多級離心泵“濕”轉子效應的實驗裝置的進一步改進皮帶輪變速裝 置、彈性聯軸器I、扭矩轉速測量儀、彈性聯軸器II和轉軸依次相連。本實驗裝置是針對研究多級離心泵轉子系統“濕”轉子效應的產生機理和影響因 素而專門設計的；在本發明的技術方案中采用驅動電機驅動，經皮帶輪變速裝置提高轉速，通過2個彈性聯軸器(彈性聯軸 器I和彈性聯軸器II)將皮帶輪變速裝置、扭矩轉速測量儀和與轉軸相連的泵轉子連接起 來。驅動電機與電機變頻控制柜相連，從而能夠實現轉速自由調控；皮帶輪變速裝置變速后 轉速達到eooor/min、并能夠消除徑向拉力；轉子采用五級轉子和節段式結構，分別設計高 壓倉和低壓倉模擬真實多級離心泵內部級間密封的工作狀態。在每個泵轉子根部的軸頸上 分別設置有一個速度位移傳感器，扭矩轉速測量儀和速度位移傳感器均與信號采集處理系 統相連，由信號采集處理系統負責進行動態信號的采集。在本發明的技術方案中，模擬真實多級泵級間密封工作狀態的壓力由一套流體壓 力循環系統提供流體經加壓用多級離心泵加壓后輸送到高壓倉，經過級間密封達到裝有 泵轉子的低壓倉，再回到循環水儲存容器，這樣在級間密封兩端就形成壓力差從而模擬泵 的級間密封的工作狀態。在每個倉上都裝有壓力表，可通過截止閥可調控級間密封兩端的 壓力，從而模擬不同的工作狀態。本發明裝置的特點在于設置在高壓倉和低壓倉間的級間密封能夠更換；密封兩 端的壓力差可以自由調控；皮帶輪變速裝置能夠消除徑向拉力。因此該裝置可以對不同壓 力差的工況下和不同的級間密封結構下轉子的振幅、扭矩參數隨轉速變化進行測量，從而 探索“濕”轉子效應下的轉子的各項動力學特性(臨界轉速、振型等)的變化規律。其實驗 結果對“濕”轉子效應的理論研究和多級離心泵的實際設計都具有很高的參考價值；也為生 產實踐中的設計提供可靠依據，從而提高國內大型高壓離心泵的自主設計生產的能力。
下面結合附圖對本發明的具體實施方式
作進一步詳細說明。
圖1是本發明的多級離心泵“濕”轉子效應的實驗裝置的結構示意圖；圖2是圖1中的轉子臺9的剖視結構放大示意圖。 圖中1為電機變頻控制柜，2為實驗臺基座，3為驅動電機，4為皮帶輪變速裝置， 5為彈性聯軸器1，6為扭矩轉速測量儀，7為彈性聯軸器11，8為信號采集處理系統，9為多 級濕轉子臺，10為速度位移傳感器接口，11為截止閥I，12為高壓倉流體接入總管，13加壓 用多級離心泵，14為循環水儲存容器，15為截止閥II，16為低壓倉流體接出總管，17為壓力 表，18為轉軸，19為左滾動軸承，20為左軸承座，21為左機械密封，22為速度位移傳感器，24 為低壓倉，25為高壓倉，26為泵轉子，27為脹緊套，28為級間密封，29為拉桿，30為右機械 密封，31為右軸承座，32為右滾動軸承，33為低壓倉流體出口，34為高壓倉流體進口，35為 承壓殼體的左端面，36為承壓殼體的右端面，37為高壓倉流體接入分管，38為低壓倉流體 接出分管。
具體實施例方式實施例1、圖1和圖2結合給出了一種多級離心泵“濕”轉子效應的實驗裝置，包括 設置在實驗臺基座2上的皮帶輪變速裝置4和驅動電機3，還包括電機變頻控制柜1、信號 采集處理系統8、多級濕轉子臺9和用于模擬真實多級泵級間密封工作狀態的壓力循環系 統。多級濕轉子臺9包括內設5級轉子節段的承壓殼體，每級轉子節段由高壓倉25和 低壓倉24組成，在每個低壓倉24內分別設有一個泵轉子26 ；由于是在每2個低壓倉24之 間設置一個高壓倉25，因此在承壓殼體內共設有5個低壓倉24和4個高壓倉25，這5個低 壓倉24和4個高壓倉25固定地位于承壓殼體的左端面35和承壓殼體的右端面36之間。 在承壓殼體的左端面35和承壓殼體的右端面36之間設置拉桿29，用于將所有的高壓倉25 和低壓倉24緊密拉緊。在相鄰的高壓倉25和低壓倉24之間設置級間密封28，從而確保密 封，該級間密封28可根據實際需要進行更換。轉軸18貫穿承壓殼體，即轉軸18貫穿承壓殼體的左端面35、位于承壓殼體內的5 個低壓倉24和4個高壓倉25、承壓殼體的右端面36。在承壓殼體的左右兩側分別設有左軸承座20和右軸承座31，即左軸承座20與承 壓殼體的左端面35固定相連，右軸承座31與承壓殼體的右端面36固定相連。在左軸承座 20內設有左滾動軸承19，在右軸承座31內設有右滾動軸承32 ；轉軸18的左右兩端分別與 左滾動軸承19和右滾動軸承32相連；從而實現轉軸18與整個承壓殼體(包括有5個低壓 倉24和4個高壓倉25)的轉動相連。位于低壓倉24內的泵轉子26通過脹緊套27與轉軸 18固定相連，因此轉軸18能帶動泵轉子26作旋轉運動。在每個泵轉子26根部的軸頸處 設置一個速度位移傳感器22，該速度位移傳感器22可以測量轉軸18的實時運動軌跡和振 型，即測量此處轉軸18的位移振動數據。在轉軸18與承壓殼體的左端面35之間設置左機 械密封21，在轉軸18與承壓殼體的右端面36之間設置右機械密封30，用于密封腔體內流 體，從而確保整個裝置的密封性。在每個低壓倉24上分別設有一個速度位移傳感器接口 10和一個低壓倉流體出口 33，速度位移傳感器22的信號通過數據線由速度位移傳感器接口 10輸出；在高壓倉25上 設有高壓倉流體進口 34 ；每個低壓倉24和高壓倉25均分別設有一個壓力表17，壓力表17用于測量各個倉內的壓力。每個低壓倉流體出口 33各連接一根低壓倉流體接出分管38，每個高壓倉流體進口 34各連接一根高壓倉流體接入分管37。用于模擬真實多級泵級間密封工作狀態的壓力循環系統包括循環水儲存容器14、 加壓用多級離心泵13 ；循環水儲存容器14的出口依次經加壓用多級離心泵13、高壓倉流體 接入總管12與每根高壓倉流體接入分管37相連，在每根高壓倉流體接入分管37上各設置 一個截止閥111 ；每根低壓倉流體接出分管38通過低壓倉流體接出總管16與循環水儲存 容器14的進口相連，在低壓倉流體接出總管16上設置截止閥1115。高壓倉25與低壓倉 24之間的壓力差可用截止閥111、截止閥II15來調節控制。電機變頻控制柜1與驅動電機3信號相連，驅動電機3、皮帶輪變速裝置4、彈性聯 軸器15、扭矩轉速測量儀6、彈性聯軸器117和轉軸18依次相連。信號采集處理系統8分 別與扭矩轉速測量儀6、每個速度位移傳感器22信號相連。電機變頻控制柜1為驅動電機3提供工作電源，通過皮帶輪變速裝置4轉速最高 可達到eOOOr/min，扭矩轉速測量儀6測量并控制轉速，通過彈性聯軸器15將皮帶輪變速裝 置4和扭矩轉速測量儀6連接起來，通過彈性聯軸器117將扭矩轉速測量儀6和多級濕轉 子臺9中的轉軸18連接起來。最終扭矩轉速測量儀6和速度位移傳感器22測量的信號由 信號采集處理系統8完成信號采集和數據處理。皮帶輪變速裝置4的徑向拉力由左滾動軸承19作用于與左軸承座20連接的左滾 動軸承19的外圈上，因此轉軸18上就不再有徑向力的作用。該皮帶輪變速裝置4消除了 徑向力對多級轉子實驗的影響，并節約了長度上的空間，與減速箱相比減少了成本。本發明的多級離心泵“濕”轉子效應的實驗裝置，實際工作過程如下該實驗裝置采用驅動電機3驅動，經皮帶輪變速裝置4提高轉速，通過2個彈性聯 軸器(彈性聯軸器15和彈性聯軸器117)將皮帶輪變速裝置4、扭矩轉速測量儀6和與多級 濕轉子臺9連接起來。驅動電機3與電機變頻控制柜1相連，從而能夠實現轉速自由調控； 皮帶輪變速裝置4變速后最高轉速可達到eOOOr/min。轉子采用五級轉子和節段式結構，設 置在高壓倉25和低壓倉24間的級間密封28能夠更換。在每個泵轉子26根部的軸頸上分 別設置有一個速度位移傳感器22，扭矩轉速測量儀6和速度位移傳感器22均與信號采集處 理系統8相連，由信號采集處理系統8負責進行動態信號的采集。由一套流體壓力循環系統提供流體模擬真實多級泵級間密封工作狀態流體經加 壓用多級離心泵13加壓后輸送到高壓倉25，經過級間密封28達到裝有泵轉子26的低壓倉 24，再回到循環水儲存容器14 ；這樣在級間密封28兩端就形成壓力差從而模擬泵的級間密 封的工作狀態。在每個倉上都裝有壓力表17，通過截止閥(即截止閥111、截止閥1115)可 調控級間密封28兩端的壓力，從而模擬不同的壓力下的工作狀態。因此該裝置可以對不同 壓力差的工況下和不同的級間密封結構下轉子的振幅、扭矩參數隨轉速變化進行測量，從 而探索“濕”轉子效應下的轉子的各項動力學特性(臨界轉速、振型等)的變化規律。最后，還需要注意的是，以上列舉的僅是本發明的一個具體實施例。顯然，本發明 不限于以上實施例，還可以有許多變形。本領域的普通技術人員能從本發明公開的內容直 接導出或聯想到的所有變形，均應認為是本發明的保護范圍。
權利要求
一種多級離心泵“濕”轉子效應的實驗裝置，其特征在于包括設置在實驗臺基座(2)上的皮帶輪變速裝置(4)和驅動電機(3)，還包括電機變頻控制柜(1)、信號采集處理系統(8)和多級濕轉子臺(9)，所述多級濕轉子臺(9)包括內設至少2級的轉子節段的承壓殼體和貫穿承壓殼體且與承壓殼體轉動相連的轉軸(18)；每級轉子節段由高壓倉(25)和裝有泵轉子(26)的低壓倉(24)組成，高壓倉(25)和低壓倉(24)之間設置級間密封(28)；在泵轉子(26)根部的軸頸處設置速度位移傳感器(22)，用于模擬真實多級泵級間密封工作狀態的壓力循環系統分別與高壓倉(25)和低壓倉(24)相連通；驅動電機(3)通過皮帶輪變速裝置(4)與多級濕轉子臺(9)上的轉軸(18)相連，在皮帶輪變速裝置(4)和轉軸(18)之間設置扭矩轉速測量儀(6)；信號采集處理系統(8)分別與扭矩轉速測量儀(6)、速度位移傳感器(22)信號相連；電機變頻控制柜(1)與驅動電機(3)相連。
2.根據權利要求1所述的多級離心泵“濕”轉子效應的實驗裝置，其特征是在承壓殼 體的左右兩側分別設有左軸承座(20)和右軸承座(31)，在左軸承座(20)內設有左滾動軸 承(19)，在右軸承座(31)內設有右滾動軸承(32)，轉軸(18)的左右兩端分別與左滾動軸 承(19)和右滾動軸承(32)相連；在轉軸(18)與承壓殼體的左端面(35)之間設置左機械密 封(21)，在轉軸(18)與承壓殼體的右端面(36)之間設置右機械密封(30)；在低壓倉(24) 上分 別設有速度位移傳感器接口(10)和低壓倉流體出口(33)；在高壓倉(25)上設有高壓 倉流體進口(34)；所述低壓倉流體出口(33)和高壓倉流體進口(34)分別與用于模擬真實 多級泵級間密封工作狀態的壓力循環系統相連通。
3.根據權利要求2所述的多級離心泵“濕”轉子效應的實驗裝置，其特征是所述用于 模擬真實多級泵級間密封工作狀態的壓力循環系統包括循環水儲存容器(14)和加壓用多 級離心泵(13)，所述循環水儲存容器(14)的出口經加壓用多級離心泵(13)與高壓倉流體 進口(34)相連，低壓倉流體出口(33)與循環水儲存容器(14)的進口相連。
4.根據權利要求3所述的多級離心泵“濕”轉子效應的實驗裝置，其特征是所述泵轉 子(26)通過脹緊套(27)與轉軸(18)固定相連。
5.根據權利要求4所述的多級離心泵“濕”轉子效應的實驗裝置，其特征是在承壓殼 體上設置用于將高壓倉(25)和低壓倉(24)拉緊的拉桿(29)。
6.根據權利要求5所述的多級離心泵“濕”轉子效應的實驗裝置，其特征是位于高壓 倉(25)和低壓倉(24)之間的級間密封(28)可更換。
7.根據權利要求6所述的多級離心泵“濕”轉子效應的實驗裝置，其特征是皮帶輪變 速裝置(4)、彈性聯軸器I (5)、扭矩轉速測量儀(6)、彈性聯軸器II (7)和轉軸(18)依次相 連。
全文摘要
本發明公開了一種多級離心泵“濕”轉子效應的實驗裝置，包括多級濕轉子臺(9)等；多級濕轉子臺(9)包括內設至少2級轉子節段的承壓殼體和貫穿承壓殼體的轉軸(18)；每級轉子節段由高壓倉(25)和裝有泵轉子(26)的低壓倉(24)組成，高壓倉(25)和低壓倉(24)之間設置級間密封(28)；在泵轉子(26)根部軸頸處設置速度位移傳感器(22)，壓力循環系統分別與高壓倉(25)和低壓倉(24)相連通；驅動電機(3)通過皮帶輪變速裝置(4)與轉軸(18)相連，皮帶輪變速裝置(4)和轉軸(18)之間設置扭矩轉速測量儀(6)。該裝置可以對不同工作壓力和級間密封結構下多級轉子的振幅、轉矩隨轉速的變化進行測量。
文檔編號F04D15/00GK101865137SQ201010202928
公開日2010年10月20日 申請日期2010年6月17日 優先權日2010年6月17日
發明者吳大轉, 平仕良, 張志雄, 戴維平, 焦磊, 王樂勤 申請人:浙江大學