一种离心泵叶轮平衡孔流量系数的标定装置的制作方法

1.本发明属于泵技术检测领域，具体涉及一种离心泵叶轮平衡孔流量系数的标定装置。


背景技术：

2.在离心泵设计中，常在叶轮上附设密封环，并在叶轮上开设若干个平衡孔来平衡轴向力。这种离心泵在工作时，叶轮出口的一部分高压液体依次经后泵腔、后密封环间隙、平衡腔、平衡孔回流到叶轮进口处，形成了叶轮后盖板侧腔泄漏量。由流体力学连续性方程可知，叶轮后盖板侧腔泄漏量与平衡孔泄漏量是相等的。根据平衡孔流量系数准确地计算平衡孔泄漏量，是预测轴向力、研究平衡孔的高速射流对泵空化性能的影响机理、减小泵的容积损失节能减排的先决条件，然而目前，平衡孔流量系数只能依靠经验公式估算，且估算结果误差很大。因此，用试验的方法标定平衡孔流量系数具有十分重要的工程应用价值。要标定平衡孔流量系数首先要准确测量平衡孔泄漏量及其进出口压力。但是，由于叶轮随泵轴一起高速旋转，这使得直接测量平衡孔泄漏量及其进出口压力异常困难。
3.经检索，关于标定平衡孔流量系数的文献有：农业工程学报《离心泵平衡孔液体泄漏量试验与分析》（2017年第33卷，第7期），基于后密封环间隙泄漏量与平衡孔泄漏量相等，提出了一种间接测量平衡孔泄漏量的方法，并标定了不同扬程系数时的平衡孔流量系数。具体为：在平衡腔的闷盖上开设液体泄漏孔，首先关闭液体泄漏孔打开平衡孔，让平衡腔内液体经平衡孔流入叶轮进口处，测量后密封环间隙进口及平衡腔的压力。然后堵死平衡孔，打开液体泄漏孔将平衡腔液体引至外界，通过反复调节液体泄漏孔及泵出口管路上闸阀的开度，使后密封环间隙进口压力及平衡腔的压力与平衡孔打开时的压力相等，此时液体泄漏孔的流量即为平衡孔的泄漏量。该方法基本实现了平衡孔泄漏量的间接测量，但不足之处在于：将平衡腔液体引至外界，液体泄漏孔出口处的压力为大气压，而空化状态下叶轮进口处为负压，因此该方法无法测量泵发生空化时的平衡孔泄漏量。
4.华中科技大学学报（自然科学版）《离心泵平衡腔泄漏量和压力的计算与试验研究》，对泄漏量的测试装置进行了改进，并根据试验结果标定了不同比面积时平衡孔流量系数。其通过回水管路将平衡腔与泵进口管路联通，当平衡孔堵死时，平衡腔液体回流到泵进口处，初步实现了泄漏量的闭环测量。由于该测试装置是封闭的，故可以实现空化状态平衡孔泄漏量的间接测量。该装置的不足之处在于：其将平衡腔液体引至泵进口处，平衡孔打开与堵死两种状态下叶轮进口处的流态发生了较大变化，这直接改变了泵的外特性和空化性能，因此在泵空化状态泄漏量的测试结果误差较大。
5.上述两篇文献中的测试装置都具有以下不足：一方面，在测量平衡孔泄漏量时均需先打开平衡孔测压，再堵死平衡孔测压，其试验步骤繁琐，需多次拆卸测试装置，费时费力；另一方面，在标定平衡孔流量系数时，均采用平衡腔压力与泵进口压力分别代替平衡孔的进出口压力。其实离心泵在运转时平衡腔内压力并非均匀分布的，泵进口压力与平衡孔
出口压力也有较大差别，因此无法实现平衡孔流量系数的准确标定。


技术实现要素：

6.针对现有技术中存在的问题，本发明旨在提供一种离心泵叶轮平衡孔流量系数的标定装置，主要包括定子部件、转子部件、压力测试单元和泄漏量测试单元。定子部件由泵体、后泵盖、前密封环、后密封环、透筒、2#骨架密封、3#骨架密封组成；转子部件由泵轴、叶轮、平衡孔盘、平衡孔、1#骨架密封、键、圆螺母组成；压力测试单元由1#取压孔、1#测压腔、1#测压导管、1#对丝接头、1#压力软管、1#球阀、2#取压孔、2#测压腔、2#测压导管、2#对丝接头、2#压力软管、2#球阀、稳压罐、排气阀、正负压力表组成；泄漏量测试单元由引流腔、引水管、回流腔、电磁流量计、平衡腔组成。
7.所述定子部件中，后泵盖由左侧大圆环和右侧圆筒两部分组成，后泵盖通过a组螺栓固定在泵体右侧。前密封环以过盈配合的方式安装在泵体内侧，后密封环以过盈配合的方式安装在后泵盖右侧圆筒的左端，后密封环的左侧端面与后泵盖大圆环的左侧端面平齐。透筒通过b组螺栓螺母组件固联在后泵盖的右侧，透筒左侧端面与叶轮后盖板右侧壁面留有一定间隙，从透筒左侧端面开始，在透筒内侧沿轴向自左向右加工有两级内台阶，内台阶面与中轴线垂直。2#骨架密封通过止口定位安装在透筒第一级内台阶面右侧的透筒内壁上，2#骨架密封的左侧端面与透筒第一级内台阶面平齐。3#骨架密封通过止口定位安装在透筒第二级内台阶面右侧的透筒内壁上，3#骨架密封的左侧端面与透筒第二级内台阶面平齐。
8.所述转子部件中，叶轮通过键固定安装在泵轴上。在叶轮后盖板上半径较小位置开设有叶轮预留孔，为了减小叶轮预留孔对平衡孔出口液体流态的干扰，叶轮预留孔的直径要尽量大一些，以足以将平衡孔和1#取压孔左侧端面囊括在内且不至于破坏叶轮轮毂强度为准。平衡孔盘通过叶轮轮毂上的止口定位安装在泵轴和键上。从平衡孔盘右侧端面开始，沿轴向自右向左在平衡孔盘的外侧加工有两级外台阶，外台阶面与中轴线垂直。平衡孔盘的左侧外表面与2#骨架密封的密封唇吻合，平衡孔盘右侧外表面与3#骨架密封的密封唇吻合，平衡孔盘右侧第一级台阶面与3#骨架密封的左端留有间隙。叶轮和平衡孔盘通过圆螺母轴向固定在泵轴上。平衡孔沿轴向水平开设在平衡孔盘上。1#骨架密封安装在叶轮密封环的内侧，1#骨架密封的左侧端面与叶轮后盖板贴合，1#骨架密封的密封唇与透筒左侧外表面吻合。
9.所述压力测试单元中，1#取压孔是沿径向和轴向垂直开设在平衡孔盘左部的反l型孔，可以将平衡孔出口压力传递到1#测压腔内。1#取压孔的数量与平衡孔的数量相等。叶轮后盖板、平衡孔盘、2#骨架密封、透筒的第一级台阶面、透筒内壁、1#骨架密封围成了1#测压腔。1#测压导管开设在透筒上，1#测压导管的左端与1#测压腔联通，1#测压导管的右端通过1#对丝接头与1#压力软管左端联通。1#压力软管右端通过1#球阀与稳压罐联通。2#取压孔是沿径向垂直开设在平衡孔盘右部的短孔，可以将平衡孔进口压力传递到2#测压腔，2#取压孔的数量与平衡孔的数量相等。平衡孔盘外表面、平衡孔盘的第二级外台阶面、3#骨架密封、透筒第二级台阶面、透筒内壁、2#骨架密封围成了2#测压腔。2#测压导管沿轴向水平开设在透筒上，2#测压导管的左端与2#测压腔联通，2#测压导管的右端通过2#对丝接头与2#压力软管左端联通。2#压力软管右端通过2#球阀与稳压罐联通。稳压罐上端安装有排气
阀、稳压罐右侧安装有正负压力表。
10.所述泄漏量测试单元中，透筒的外表面、透筒法兰盘左侧表面、后泵盖右侧圆筒内壁面、后密封环右侧端面、叶轮密封环和1#骨架密封围成了引流腔。两根引水管沿径向对称固定安装在后泵盖右侧圆筒的两侧，两根引水管的对称中心轴线与泵轴的中心线等高。引水管左侧的法兰与后泵盖右侧圆筒两侧的法兰对接，并用e组螺栓螺母组件固联在一起。引水管右侧的法兰与回流腔两侧的法兰对接，并用f组螺栓螺母组件固联在一起。回流腔左侧法兰与电磁流量计右侧法兰对接，并用d组螺栓螺母组件固联在一起。电磁流量计左侧法兰与透筒右侧法兰对接，并用c组螺栓螺母组件固联在一起。透筒的内壁面、3#骨架密封、平衡孔盘、圆螺母、泵轴右端面围成了平衡腔，平衡孔将平衡腔与叶轮进口联通。
11.相对于现有技术，本发明具有明显的有益效果。
12.1、泄漏液体从后密封环间隙流出后，经泄漏量测试单元从平衡孔回流到叶轮进口处，这与离心泵内泄漏量的真实流向是完全相同的。因此，本发明对平衡孔泄漏量的测量，是基于不影响叶轮进口流态的条件下完成的，测试装置不会对泵的外特性和空化性能产生影响，其测试结果可信度高，可以测量泵在任何流量工况及空化状态下运行时的泄漏量。
13.2、压力测试单元可实现叶轮与平衡孔在高速旋转时平衡孔进出口压力的准确测量，为精确标定平衡孔流量系数提供了技术保障。
14.3、本发明结构简单实用，不用反复拆卸测试装置即可实现平衡孔泄漏量的测量及平衡孔流量系数的标定，操作极其方便，省时省力。
附图说明
15.图1是本发明的结构及功能的示意图。
16.图2是图1中测试装置的俯视图。
17.图中：1. 前密封环
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2. 叶轮预留孔
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3. 叶轮
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4. 叶轮后盖板
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5. 后泵腔
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6. 后泵盖
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7. a组螺栓
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8. 1#测压腔
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9. 1#取压孔
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10. 平衡孔盘
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11. 2#测压腔
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12. 2#取压孔
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13. 引流腔
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14. 平衡腔
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15. 引流腔出口
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16. 1#测压导管
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17. 1#对丝接头
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18. 2#对丝接头
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19. 1#压力软管
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20. 2#压力软管
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21. 1#球阀
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22. 排气阀
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23. 正负压力表
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24. 稳压罐
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25. 2#球阀
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26. 回流腔进口
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27. 回流腔
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28. d组螺栓螺母组件
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29. 电磁流量计
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30. c组螺栓螺母组件
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31. 2#测压导管
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32. 透筒
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33. b组螺栓螺母组件
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34. 圆螺母
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35. 3#骨架密封
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36. 平衡孔
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37. 键
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38. 后密封环间隙
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39. 后密封环
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40. 2#骨架密封
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41. 叶轮密封环
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42. 1#骨架密封
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43. 泵体
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44. 泵轴
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45. e组螺栓螺母组件
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46. f组螺栓螺母组件
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47. 引水管。
具体实施方式
18.下面，结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的说明。
19.如图1和图2所示，一种离心泵叶轮平衡孔流量系数的标定装置，主要包括定子部件、转子部件、压力测试单元和泄漏量测试单元，其中：定子部件由泵体43、后泵盖6、前密封环1、后密封环39、透筒32、2#骨架密封40、3#骨架密封35组成；转子部件由泵轴44、叶轮3、平衡孔盘10、平衡孔36、1#骨架密封42、键37、圆螺母34组成；压力测试单元由1#取压孔9、1#测压腔8、1#测压导管16、1#对丝接头17、1#压力软管19、1#球阀21、2#取压孔12、2#测压腔11、
2#测压导管31、2#对丝接头18、2#压力软管20、2#球阀25、稳压罐24、排气阀22、正负压力表23组成；泄漏量测试单元由引流腔13、引水管47、回流腔27、电磁流量计29、平衡腔14组成。
20.如图1和图2所示，定子部件中后泵盖6由左侧大圆环和右侧圆筒两部分组成，后泵盖6通过a组螺栓7固定在泵体43右侧。前密封环1以过盈配合的方式安装在泵体43内侧，后密封环39以过盈配合的方式安装在后泵盖6右侧圆筒的左端，后密封环39的左侧端面与后泵盖6大圆环的左侧端面平齐。透筒32 通过b组螺栓螺母组件33固联在后泵盖6的右侧，透筒32左侧端面与叶轮后盖板4右侧壁面留有一定间隙，从透筒32左侧端面开始，在透筒32内侧沿轴向自左向右加工有两级内台阶，内台阶面与中轴线垂直。2#骨架密封40通过止口定位安装在透筒32的第一级内台阶面右侧的透筒32内壁上，2#骨架密封40的左侧端面与透筒32第一级内台阶面平齐。3#骨架密封35通过止口定位安装在透筒32第二级内台阶面右侧的透筒32内壁上，3#骨架密封35的左侧端面与透筒32第二级内台阶面平齐。
21.如图1所示，转子部件中叶轮3通过键37固定安装在泵轴44上，安装叶轮3时，叶轮3与轴肩的接触面要涂抹密封胶。在叶轮后盖板4上半径较小位置开设有叶轮预留孔2，为了减小叶轮预留孔2对平衡孔36出口液体流态的干扰，叶轮预留孔2的直径要尽量大一些，以足以将平衡孔36和1#取压孔9左侧端面囊括在内且不至于破坏叶轮3轮毂强度为准。平衡孔盘10通过叶轮3轮毂上的止口定位安装在泵轴44和键37上，安装平衡孔盘10时，平衡孔盘10与叶轮后盖板4的接触面要涂抹密封胶。从平衡孔盘10右侧端面开始，沿轴向自右向左在平衡孔盘10的外侧加工有两级外台阶，外台阶面与中轴线垂直。平衡孔盘10的左侧外表面与2#骨架密封40的密封唇吻合，平衡孔盘10的右侧外表面与3#骨架密封35的密封唇吻合，平衡孔盘10右侧的第一级台阶面与3#骨架密封35的左端留有间隙。叶轮3和平衡孔盘10通过圆螺母34轴向固定在泵轴44上。平衡孔36沿轴向水平开设在平衡孔盘10上。1#骨架密封42安装在叶轮密封环41的内侧，1#骨架密封42的左侧端面与叶轮后盖板4贴合，1#骨架密封42的密封唇与透筒32左侧外表面吻合。
22.如图1所示，压力测试单元中1#取压孔9是沿径向和轴向垂直开设在平衡孔盘10左部的反l型孔，可以将平衡孔36出口压力传递到1#测压腔8内。1#取压孔9的数量与平衡孔36的数量相等。叶轮后盖板4、平衡孔盘10、2#骨架密封40、透筒32的第一级台阶面、透筒32内壁、1#骨架密封42围成了1#测压腔8。1#测压导管16开设在透筒32上，1#测压导管16的左端与1#测压腔8联通，1#测压导管16的右端通过1#对丝接头17与1#压力软管19左端联通。1#压力软管19右端通过1#球阀21与稳压罐24联通。2#取压孔12是沿径向垂直开设在平衡孔盘10右部的短孔，可以将平衡孔36进口压力传递到2#测压腔11，2#取压孔12的数量与平衡孔36的数量相等。平衡孔盘10外表面、平衡孔盘10的第二级外台阶面、3#骨架密封35、透筒32第二级台阶面、透筒32内壁、2#骨架密封40围成了2#测压腔11。2#测压导管31轴向水平开设在透筒32上，2#测压导管31的左端与2#测压腔11联通，2#测压导管31的右端通过2#对丝接头18与2#压力软管20左端联通。2#压力软管20右端通过2#球阀25与稳压罐24联通。稳压罐24上端安装有排气阀22、稳压罐24右侧安装有正负压力表23。稳压罐24可以消除压力脉动对压力测试结果的不利影响。
23.如图1和图2所示，泄漏量测试单元中透筒32的外表面、透筒32法兰盘左侧表面、后泵盖6右侧圆筒内壁面、后密封环39右侧端面、叶轮密封环41和1#骨架密封42围成了引流腔13。两根引水管47沿径向对称固定安装在后泵盖6右侧圆筒的两侧，两根引水管47的对称中
心轴线与泵轴44的中心线等高。引水管47左侧的法兰与后泵盖6右侧圆筒两侧的法兰对接，并用e组螺栓螺母组件45固联在一起。引水管47右侧的法兰与回流腔27两侧的法兰对接，并用f组螺栓螺母组件46固联在一起。回流腔27左侧法兰与电磁流量计29右侧法兰对接，并用d组螺栓螺母组件28固联在一起。电磁流量计29左侧法兰与透筒32右侧法兰对接，并用c组螺栓螺母组件30固联在一起。透筒32的内壁面、3#骨架密封35、平衡孔盘10、圆螺母34、泵轴44右端面围成了平衡腔14，平衡孔36将平衡腔14与叶轮3进口联通。
24.下面，结合附图对本发明工作过程进行详细介绍。
25.平衡孔36进出口压力的测量是这样实现的：如图1所示，启动离心泵，待泵运行稳定后打开2#球阀25，平衡孔36进口处的液体依次经2#取压孔12、2#测压腔11、2#测压导管31、2#对丝接头18、2#压力软管20、2#球阀25流入稳压罐24，缓慢打开排气阀22将稳压罐24内的空气排净。待空气排净后关闭排气阀22，此时整个测压管路中的液体不再流动，测压管路中的液体压力为静压传递，正负压力表23的读数即为平衡孔36进口处的压力。然后，关闭2#球阀25打开1#球阀21，此时平衡孔36出口处的液体压力，依次经1#取压孔9、1#测压腔8、1#测压导管16、1#对丝接头17、1#压力软管19、1#球阀21传递到稳压罐24，则正负压力表23的读数即为平衡孔36出口处的压力。
26.平衡孔36泄漏量的测量是这样实现的：如图1和图2所示，启动离心泵后，叶轮3出口的一部分高压液体，依次经后泵腔5、后密封环间隙38进入引流腔13，再从引流腔出口15进入引水管47、经引水管47从回流腔进口26流入回流腔27，在回流腔27内液体流向发生改变从回流腔27左侧出口流出。回流腔27流出的液体依次经电磁流量计29、平衡腔14、平衡孔36流入叶轮3进口，形成了平衡孔36泄漏量。此时，电磁流量计29的示值即为平衡孔36泄漏量的大小。由于泄漏量测试单元是闭环的，后泵腔5内的泄漏液体从后密封环间隙38流出，经泄漏量测试单元最后从平衡孔36回流到叶轮3进口处，这与真实离心泵内泄漏量的流向是完全相同的。因此，所述的泄漏量测试单元对泄漏量的测试，是基于不影响叶轮3进口流态的情况下完成的，其测试装置不会对泵的外特性和空化性能产生影响，测试结果可信度高，可以测量泵的任何工况和泵在空化状态运行时的泄漏量。
27.平衡孔36流量系数的标定是这样实现的：华中科技大学学报（自然科学版）《离心泵平衡腔泄漏量和压力的计算与试验研究》中给出了平衡孔36泄漏量的计算公式，具体为：式中：为平衡孔流量系数；为平衡孔过流断面总面积；为液体密度。
28.将上述测得的平衡孔36进口处的压力、平衡孔36出口处的压力、平衡孔36泄漏量代入上式，并将实测的平衡孔36过流断面总面积和液体密度一并代入，即可反推出既定条件下的平衡孔36的流量系数。
29.如果要标定不同形状、不同锥度、不同长径比条件下的平衡孔36流量系数，只需加
工不同形式的平衡孔盘10即可，操作十分方便。