专利名称：并排安放高低速泵试验系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及并排安放高低速泵试验系统，具体涉及火箭发动机泵地面试验系统。
背景技术：
涡轮泵是火箭发动机的关键组件，它是由涡轮带动泵，对液体推进剂组元进行增压的一种联动装置。近十年来航天发展迅速，对泵的要求也越来越高，泵不断向小型化和高速化发展，大多数泵在离心泵前增加诱导轮来提高泵的汽蚀性能。目前火箭上使用的涡轮泵的转速已经达到每分钟几万转，而地面上泵的试验系统的转速一般在每分钟5000转以下，只能通过相似准则在低速下对泵进行模拟试验，而且由于某些限制，地面试验系统不能满足不同工况对试验条件的要求，如除气不够彻底，加热系统在水箱内部，不易维护等。本发明中完整提出并排安放高低速泵试验系统设计方法，提出设计中需要关注的问题，可供各种需要设计火箭发动机涡轮泵地面试验系统的试验台参考。
发明内容
本发明针对泵试验系统功能不全，提出了一种并排安放高低速泵试验系统，能实现实验室空间的充分利用，通过阀门的开启和关闭，实现高低速泵试验系统的切换，可准确控制回路中的压力和流量，可消除水中溶解气泡的干扰，提高汽蚀试验精度。试验系统设置专门的循环水温控系统，能对系统温度进行控制。试验系统设计有高的可靠性和安全性。本发明的高低速泵共用一套主管路，两台泵分别使用各自的电机，高速泵通过齿轮箱变速输出高转速，通过三通在泵前和泵后与主管路相连。泵后设有过压保护回路，当压力过大时，一部分水直接经安全阀流回水箱，以减小泵后回路的压力。泵后设有除气回路，该回路自出口管上部引一路水管接到水箱顶部，通过喷头将水气分离，达到除气的目的。采用双立式水箱，水箱中部连通，出水口和回水口在不同的水箱，减少泵前泵后不同水压对试验的影响。离心泵前诱导轮段采用透明壳体，通过法兰结构与入口管路和离心泵相连，进行除气作业时可以通过该处观察管路中气体情况，省去了观察窗；进行汽蚀不稳定试验时，可以在该处观察诱导轮内部汽蚀情况，进行汽蚀可视化试验。试验系统设计专门的循环水温控系统，能对工质进行加热，实现对系统内工质温度的控制，同时由于加热装置有专门的控温水箱，易于进行更换和维护。本发明中完整提出并排安放高低速泵试验系统设计方法，提出设计中需要关注的问题，可供各种需要设计泵试验系统的试验台参考。本发明的优点在于:( I) 一套试验系统，既有高速泵，又有低速泵，有效的利用了实验室空间，系统涵盖速度范围广，一套系统满足高速和低速不同试验要求；(2)双立式水箱的设置，出水口和回水口不在同一水箱，能尽量减少泵前和泵后水压不同对试验的影响；(3)除气管路加喷头的设置，能有效对管路中的水气进行分离；
(4)诱导轮处采用透明壳体，省去了在泵前设置观察窗的麻烦，并且可以进行汽蚀可视化试验，对诱导轮流场进行观察。(5)循环水温控系统，能对系统内工质温度进行控制，方便研究不同工质温度下火箭发动机泵的性能；(6)独立的控温水箱，能够方便的对加热装置进行维护和更换。
图1是本发明的试验系统结构示意图。图中:1-第一截止阀2-第十四球阀3-真空泵4-压气机5-第四截止阀6-第五截止阀7_第七截止阀8_第九球阀9_回水水箱10-第一浮球阀11-第一喷头12-第一安全阀13-第一压力传感器14-第二截止阀15-第三球阀16-第一球阀17-第一液位计18-第四球阀19-水泵20-放水口21-控温水箱22-加热丝23-第二液位计24-第一温度传感器25-第五球阀26-第二球阀27-第六球阀28-出水水箱29-第三截止阀30-第二喷头31-第二浮球阀32-第十球阀33-第六截止阀34-过滤器35-第一软管36-第二安全阀37-第二温度传感器38-第七球阀39-第八球阀40-第三压力传感器41-第二压力传感器42-第二透明壳体43-第二离心泵44-齿轮箱45-第二电机46-第一电机47-第一离心泵48-第一透明壳体49-第四压力传感器50-单向阀51-第十一球阀52-第二软管53-第十二球阀54-第十三球阀55-第三温度传感器56-电动套筒调节阀57-第十五球阀58-流量计
具体实施例方式下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。本发明的一种并排安放高低速泵试验系统，如图1所示，采用闭式循环系统，包括第一截止阀1、第十四球阀2、真空泵3、压气机4、第四截止阀5、第五截止阀6、第七截止阀7、第九球阀8、回水水箱9、第一浮球阀10、第一喷头11、第一安全阀12、第一压力传感器13、第二截止阀14、第三球阀15、第一球阀16、第一液位计17、第四球阀18、水泵19、放水口20、控温水箱21、加热丝22、第二液位计23、第一温度传感器24、第五球阀25、第二球阀26、第六球阀27、出水水箱28、第三截止阀29、第二喷头30、第二浮球阀31、第十球阀32、第六截止阀33、过滤器34、第一软管35、第二安全阀36、第二温度传感器37、第七球阀38、第八球阀39、第三压力传感器40、第二压力传感器41、第二透明壳体42、第二高速泵43、齿轮箱44、第二电机45、第一电机46、第一离心泵47、第一透明壳体48、第四压力传感器49、单向阀50、第i^一球阀51、第二软管52、第十二球阀53、第十三球阀54、第三温度传感器55、电动套筒调节阀56、第十五球阀57、流量计58。双立式水箱包括回水水箱9和出水水箱28，回水水箱9和出水水箱28中部通过连通管连通；回水水箱9、出水水箱28上端设有进水的顶盖,下端设有水管；进水口通过管路连接第一截止阀1，第一截止阀I的另一端连接三通，三通的另外两端分别连接第二截止阀14和第三截止阀29，回水水箱9和出水水箱28顶盖侧面内部分别安装有第一浮球阀10和第二浮球阀31，第二截止阀14的另一端通过管路连接回水水箱9的第一浮球阀10，第三截止阀29的另一端通过管 路连接出水水箱28的第二浮球阀31。给水箱注水时，水从进水口进入，首先通过第一截止阀1，然后经过一个三通分别流向两个水箱。一部分水经过第二截止阀14后流向回水水箱9顶盖侧面内部安装的第一浮球阀10，最后进入回水水箱9 ;另一部分水经过第三截止阀29后流向出水水箱28顶盖侧面内部安装的第二浮球阀31，最后进入出水水箱28。第一浮球阀10和第二浮球阀31会在水位达到一定高度时自动关闭，防止水箱内水溢出。回水水箱9与出水水箱28之间的连通管分别连接第一球阀16、第二球阀26，第一球阀16的另一端连接第一液位计17，第一液位计17上端连接回水水箱9顶盖侧面，第二球阀26另一端连接第二液位计23，第二液位计23上端连接出水水箱28顶盖侧面。回水水箱9的水从水箱中部连通管经过第一球阀16后进入第一液位计17，由于第一液位计17的上端与回水水箱9顶部的空气相通，所以通过第一液位计17可以显示回水水箱9的液位，同样的，出水水箱28的水也从水箱中部连通管经过第一球阀26后进入第二液位计23，通过第二液位计23显示流回出水水箱28的液位。回水水箱9和出水水箱28内的压力通过真空泵3和压气机4进行控制。真空泵3连接第四截止阀5的一端，压气机4连接第五截止阀6的一端，第四截止阀5和第五截止阀6的另一端均通过管路连接三通的一端，三通的另外两端分别连接回水水箱9和出水水箱28的顶盖。第四截止阀5和第五截止阀6与三通之间的管路上设有第一压力传感器13,第一压力传感器13处还设有第一安全阀12。当试验系统需要减压时，真空泵3工作，回水水箱9和出水水箱28内的空气分别从两个水箱的顶部沿管路经过第一压力传感器13，然后经过第四截止阀5，从真空泵3处抽走，此时第五截止阀6关闭；当试验系统需要增压时，第四截止阀5关闭，压缩空气从压气机4经过第五截止阀6，流向第一压力传感器13，然后分别进入回水水箱9和出水水箱28。当回水水箱9和出水水箱28内部的压力超过规定的压力时，第一安全阀12打开，多余的空气从第一安全阀12处流出，防止回水水箱9和出水水箱28内压力过大。另外也可手动进行开关，对回水水箱9和出水水箱28进行放气。第三球阀15、第四球阀18、水泵19、放水口 20、控温水箱21、加热丝22、第一温度传感器24、第五球阀25、第六球阀27组成循环水温控系统和排水管路，回水水箱9底部的水管分别通过管路连接第三球阀15和第四球阀18，第三球阀15的另一端连接水泵19，水泵19连接控温水箱21 —端，控温水箱21另一端连接第六球阀27，控温水箱20与第六球阀27之间的管路设有第一温度传感器24，出水水箱28底部的水管分别通过管路连接第五球阀25和第六球阀27，第四球阀18与第五球阀25之间通过管路连接，并且在管路上设有放水口 20，控温水箱21内部设有加热丝22。循环水温控系统的入口接在回水水箱9底部的水管上，出口接在出水水箱28底部的水管上。当研究低速泵或高速泵在高于环境温度的工质下的性能时，需要在试验前对系统水箱内的水进行加热。进行加热时，打开第三球阀15和第六球阀27，使该系统内充满水，然后加热丝22对控温水箱21内的水进行加热，接着水泵19进行工作，高温水从控温水箱21内流出，经过第一温度传感器24和第六球阀27，流入出水水箱28，与出水水箱28内的水混合，从而达到加热的目的；然后回水水箱9的低温水又从回水水箱9底部沿水管经过第三球阀15，流过水泵19，进入控温水箱21，形成一个完整的循环，实现对两个水箱内水的加热。当不需要对水进行加热时，可以关闭控温水箱21进出口的第三球阀15和第六球阀27。当需要排水时候，将第四球阀18和第五球阀25打开，水通过放水口 20排除，当不需要排水时候，第四球阀18和第五球阀25为关闭的。低速泵包括第一诱导轮、第一透明壳体48、第一离心泵47和第一电机46。第一诱导轮、第一离心泵47的叶轮和第一电机46同轴连接，第一诱导轮位于第一透明壳体48内部，第一透明壳体48通过法兰与上游管路和后面的第一离心泵47连接，第一离心泵47出口连接下游管路。高速泵包括第二诱导轮、第二透明壳体42、第二离心泵43、齿轮箱44和第二电机45。高速泵的连接方式与低速泵一样，只是在第二电机45和第二离心泵43之间加了一个齿轮箱44。第二电机45连接齿轮箱44的低速端，齿轮箱44的高速端连接第二离心泵43，而第二诱导轮与第二离心泵43的叶轮同轴连接，均由第二电机45带动，第二诱导轮位于第二透明壳体42的内部，第二透明壳体42通过法兰与上游管路和后面的第二离心泵43连接，第二离心泵43出口再连接下游管路。本发明试验系统中，诱导轮位于透明壳体内，透明壳体用高强度有机玻璃制作，通过法兰结构与泵前管路和离心泵相连。除气时可以在该处观察管路中含气情况，省去了在泵前设置观察窗的麻烦。另外采用透明壳体，在进行汽蚀试验时，可以通过高速摄影仪观察诱导轮内部的汽蚀情况。第一透明壳体48通过管路连接第七球阀38，其中间管路上设有第二压力传感器41 ;第二透明壳体42通过管路连接第八球阀39，其中间管路上设有第三压力传感器40 ;第七球阀38、第八球阀39的另一端均连接第一软管35,中间设有第二温度传感器37,第一软管35的另一端通过过滤器34、第六截止阀33连接出水水箱28的水管。上述组成上游管路。当启动高速泵或者低速泵时，水通过上游管路流进高速泵或者低速泵。第一离心泵47出口、第二离心泵43出口汇总至同一根管路，管路分别又连接单向阀50、第二安全阀36 ；第二安全阀36连接三通的一端，三通的另外两端分别连接第九球阀8、第十球阀32，第九球阀8的另一端连接回水水箱9顶盖，第十球阀32的另一端连接出水水箱28顶盖，第二安全阀36、第九球阀8、第十球阀32组成过压保护回路，如果泵后压力超过最大压力，第二安全阀36打开，部分水不经过单向阀50，而直接经过第二安全阀36，然后分成两路分别经过第九球阀8和第十球阀32从回水水箱9顶部、出水水箱28顶部分别进入水箱。单向阀50的入口处设有第四压力传感器49，单向阀50的出口连接分别连接第i^一球阀51、第二软管52，第二软管52的另一端分别连接第十二球阀53、电动套筒调节阀56，本发明中所述的管路均为不锈钢管，第二软管52管路出口与电动套筒调节阀56之间的管路顶部设有一个开口，开口通过竖直管连接第十三球阀54 ;第十一球阀51和第十二球阀53的出口作为备用出口，既可以用来放水，也可以在需要时，连接其他管路。电动套筒调节阀56的入口设有第三温度传感器55，电动套筒调节阀56的另一端连接流量计58，流量计58的另一端连接通过第七截止阀7连接回水水箱9的水管。第十三球阀54连接三通的一端，三通的另外两端分别连接第十四球阀2、第十五球阀57，第十四球阀2的另一端连接第一喷头11，第十五球阀57的另一端连接第二喷头11，第十三球阀54、第十四球阀2、第十五球阀57、第一喷头11、第二喷头11组成除气回路。在进行正常试验前，需要对系统进行除气操作。当第二软管52的管路中有气体时，由于气体密度小，会浮在管路顶部，同时下游管路压力大于回水水箱9和出水水箱28中的压力，由于在第二软管52管路出口与电动套筒调节阀56之间的管路顶部开口，气体会在水的挤压下，沿竖直管同水一起流回回水水箱9和出水水箱28，经第一喷头11和第二喷头30喷出后，水气分离。实验过程:当进行低速泵试验时，先进行除气，低速泵运转，含气的水从出水水箱28流出，经过第六截止阀33到过滤器34，再到第一软管35，然后经过第二温度传感器37，第八球阀39关闭，水流过第二温度传感器37后流向第七球阀38，接着流过第二压力传感器41，进入第一诱导轮，这时可以查看管内含气情况。水从第一诱导轮接着流入第一离心泵47，从第一离心泵47出来经过泵后的第四压力传感器49，再通过单向阀50。从单向阀50出来流过第二软管52后，部分水包含着气体从管路顶部经过第十三球阀54，然后分成两路分别经过第九球阀8和第十球阀32进入两个水箱的第一喷头11和第二喷头30，水从两个喷头喷洒出，从而达到水气分离的目的。而 另一部分水沿着主管路经过第三温度传感器55，电动套筒调节阀56，流量计58和第七截止阀7后进入回水水箱9。多循环几次，即可达到除气的目的。除气时泵前压力不能太小，不然不仅不能除气，反而会使管路内气体增多，影响试验。正常试验时，第十三球阀54关闭，水继续循环。如果泵后压力未超过规定的最大压力，水全部经第七截止阀7流入回水水箱9。泵后设有过压保护回路，如果泵后压力超过最大压力，第二安全阀36打开，部分水不经过单向阀50，而直接经过第二安全阀36，然后分成两路分别经过第九球阀8和第十球阀32从两个水箱顶部进入水箱。泵前的第一软管35和泵后的第二软管52是为了防止泵工作时振动向上游和下游传播。泵前和泵后都设有温度传感器和压力传感器，对水进入泵前的温度和压力，以及水流过泵之后的温度和压力进行测量和数据采集。高低速泵前都设有球阀，当选择好高速或是低速试验后可将另一路球阀关闭。高低速泵分别使用各自的电机，但第二离心泵43与第二电机45之间装有齿轮箱44进行变速。电动套筒调节阀56可以实现工作范围内流量的连续调节。当试验结束后，水可从放水口 20排出。
权利要求
1.一种并排安放高低速泵试验系统，包括第一截止阀(I)、第十四球阀(2)、真空泵(3)、压气机(4)、第四截止阀(5)、第五截止阀(6)、第七截止阀(7)、第九球阀(8)、回水水箱(9)、第一浮球阀(10)、第一喷头(11)、第一安全阀(12)、第一压力传感器(13)、第二截止阀(14)、第三球阀(15)、第一球阀(16)、第一液位计(17)、第四球阀(18)、水泵(19)、放水口(20)、控温水箱(21)、加热丝(22)、第二液位计(23)、第一温度传感器(24)、第五球阀(25)、第二球阀(26)、第六球阀(27)、出水水箱(28)、第三截止阀(29)、第二喷头(30)、第二浮球阀(31)、第十球阀(32)、第六截止阀(33)、过滤器(34)、第一软管(35)、第二安全阀(36)、第二温度传感器(37)、第七球阀(38)、第八球阀(39)、第三压力传感器(40)、第二压力传感器(41)、第二透明壳体(42)、第二高速泵(43)、齿轮箱(44)、第二电机(45)、第一电机(46)、第一离心泵(47)、第一透明壳体(48)、第四压力传感器(49)、单向阀(50)、第i^一球阀(51)、第二软管(52)、第十二球阀(53)、第十三球阀(54)、第三温度传感器(55)、电动套筒调节阀(56 )、第十五球阀(57 )、流量计(58 ); 双立式水箱包括回水水箱(9 )和出水水箱(28 )，回水水箱(9 )和出水水箱(28 )中部通过连通管连通； 回水水箱(9)、出水水箱(28)上端设有进水的顶盖，下端设有水管； 进水口通过管路连接第一截止阀(I )，第一截止阀(I)的另一端连接三通，三通的另外两端分别连接第二截止阀(14)和第三截止阀(29)，回水水箱(9)和出水水箱(28)顶盖侧面内部分别安装有第一浮球阀(10)和第二浮球阀(31)，第二截止阀(14)的另一端通过管路连接回水水箱(9)的第一浮球阀(10)，第三截止阀(29)的另一端通过管路连接出水水箱(28)的第二浮球阀(31)； 回水水箱(9)与出水水箱(28)之间的连通管分别连接第一球阀(16)、第二球阀(26)，第一球阀(16)的另一端连接第一液位计(17)，第一液位计(17)上端连接回水水箱(9)顶盖侧面，第二球阀(26)另一端连接第二液位计(23)，第二液位计(23)上端连接出水水箱(28)顶盖侧面； 回水水箱(9 )和出水水箱(28 )内的压力通过真空泵(3 )和压气机(4 )进行控制； 真空泵(3)连接第四截止阀(5)的一端，压气机(4)连接第五截止阀(6)的一端，第四截止阀(5)和第五截止阀(6)的另一端均通过管路连接三通的一端，三通的另外两端分别连接回水水箱(9)和出水水箱(28)的顶盖；第四截止阀(5)和第五截止阀(6)与三通之间的管路上设有第一压力传感器(13)，第一压力传感器(13)处还设有第一安全阀(12); 第三球阀(15)、第四球阀(18)、水泵(19)、放水口(20)、控温水箱(21)、加热丝(22)、第一温度传感器(24)、第五球阀(25)、第六球阀(27)组成循环水温控系统和排水管路，回水水箱(9)底部的水管分别通过管路连接第三球阀(15)和第四球阀(18)，第三球阀(15)的另一端连接水泵(19)，水泵(19)连接控温水箱(21)—端，控温水箱(21)另一端连接第六球阀(27)，控温水箱(20)与第六球阀(27)之间的管路设有第一温度传感器(24)，出水水箱(28)底部的水管分别通过管路连接第五球阀(25)和第六球阀(27)，第四球阀(18)与第五球阀(25)之间通过管路连接，并且在管路上设有放水口(20)，控温水箱(21)内部设有加热丝(22)； 低速泵包括第一诱导轮、第一透明壳体 (48)、第一离心泵(47)和第一电机(46);第一诱导轮、第一离心泵(47)的叶轮和第一电机(46)同轴连接，第一诱导轮位于第一透明壳体(48)内部，第一透明壳体(48)通过法兰与上游管路和后面的第一离心泵(47)连接，第一离心泵(47)出口连接下游管路； 高速泵包括第二诱导轮、第二透明壳体(42)、第二离心泵(43)、齿轮箱(44)和第二电机(45);高速泵的连接方式与低速泵相同，只是在第二电机(45)和第二离心泵(43)之间加设齿轮箱(44);第二电机(45)连接齿轮箱(44)的低速端，齿轮箱(44)的高速端连接第二离心泵(43)，而第二诱导轮与第二离心泵(43)的叶轮同轴连接，均由第二电机(45)带动，第二诱导轮位于第二透明壳体(42)的内部，第二透明壳体(42)通过法兰与上游管路和后面的第二离心泵(43)连接，第二离心泵(43)出口再连接下游管路； 第一透明壳体(48)通过管路连接第七球阀(38)，其中间管路上设有第二压力传感器(41);第二透明壳体(42)通过管路连接第八球阀(39)，其中间管路上设有第三压力传感器(40);第七球阀(38)、第八球阀(39)的另一端均连接第一软管(35)，中间设有第二温度传感器(37)，第一软管(35)的另一端通过过滤器(34)、第六截止阀(33)连接出水水箱(28)的水管；上述组成上游管路；当启动高速泵或者低速泵时，水通过上游管路流进高速泵或者低速泵； 第一离心泵(47)出口、第二离心泵(43)出口汇总至同一根管路，管路分别又连接单向阀(50)、第二安全阀(36)； 第二安全阀(36)连接三通的一端，三通的另外两端分别连接第九球阀(8)、第十球阀(32)，第九球阀(8)的另一端连接回水水箱(9)顶盖，第十球阀(32)的另一端连接出水水箱(28)顶盖，第二安全阀(36)、第九球阀(8)、第十球阀(32)组成过压保护回路，如果泵后压力超过最大压力，第二安全阀(36)打开，部分水直接经过第二安全阀(36)，分成两路分别经过第九球阀(8)和第十球 阀(32)从回水水箱(9)顶部、出水水箱(28)顶部分别进入水箱； 单向阀(50)的入口处设有第四压力传感器(49)，单向阀(50)的出口连接分别连接第i^一球阀(51)、第二软管(52)，第二软管(52)的另一端分别连接第十二球阀(53)、电动套筒调节阀(56)，第二软管(52)管路出口与电动套筒调节阀(56)之间的管路顶部设有一个开口，开口通过竖直管连接第十三球阀(54);第^ 球阀(51)和第十二球阀(53)的出口作为备用出口； 电动套筒调节阀(56)的入口设有第三温度传感器(55)，电动套筒调节阀(56)的另一端连接流量计(58)，流量计(58)的另一端连接通过第七截止阀(7)连接回水水箱(9)的水管； 第十三球阀(54)连接三通的一端，三通的另外两端分别连接第十四球阀(2)、第十五球阀(57)，第十四球阀(2)的另一端连接第一喷头(11)，第十五球阀(57)的另一端连接第二喷头(11)，第十三球阀(54)、第十四球阀(2)、第十五球阀(57)、第一喷头(11)、第二喷头(11)组成除气回路。
2.根据权利要求1所述的一种并排安放高低速泵试验系统，所述的第一透明壳体、第二透明壳体采用高强度有机玻璃。
3.根据权利要求1所述的一种并排安放高低速泵试验系统，所述的管路为不锈钢管。
全文摘要
本发明公开了一种并排安放高低速泵试验系统，将高低速泵并排安放，共用一套管路系统，节省了实验室空间，通过阀门的开关，实现高低速泵系统的快速切换。并排安放高低速泵试验系统由系统管路，出水水箱和回水水箱，真空泵，压气机，阀门，流量计，透明壳体，过滤器，高低速泵，循环水温控系统组成。试验系统是闭式循环系统，采用真空泵和压气机控制系统泵前入口压力，电动套筒调节阀控制系统流量，出水和回水使用两个水箱，使入口和出口互不影响，循环水温控系统能够对系统内水的温度进行控制。泵后设置了过压保护的回路和除气的回路，除气回路通过水箱顶部的喷头将回路中的水和气体分离，再通过真空泵抽出，保证良好的试验环境。
文档编号F04B51/00GK103174636SQ20131007556
公开日2013年6月26日 申请日期2013年3月11日 优先权日2013年3月11日
发明者李家文, 蔡国飙, 李欣 申请人:北京航空航天大学