一种对非光滑水翼表面减阻效果测试的试验装置的制作方法

本实用新型涉及一种对非光滑水翼表面减阻效果测试的试验装置。

背景技术：

目前可应用于对水翼表面减阻效果的试验装置主要有水洞装置与水池装置。

随着节约能源节能环保的政策逐渐落实，在流体机械领域，由于水翼表面是重要的过流部件，其表面减阻问题尤为重要，通过采用必要的手段来降低水翼表面摩擦阻力对于改善水翼整体性能、节约能源、提高寿命等均具有重要意义，而如何设计制造能够简洁直观地测试水翼表面减阻效果的试验装置十分重要。现在的高校及企业主要以水洞实验和水槽试验作为主要的试验装置，但其造价高、空间要求巨大的弊端使得该手段成本巨大、难以普及，我国现有的水池由于长度和费用的限制，难以满足多种类水翼表面和可变大范围速度的要求。而小型的试验装置，如一般离心泵闭式试验装置，由于其结构采用封闭式装置，虽然降低了外界因素对试验结果的影响，但是同时也局限了可进行的试验模型，并且无法进行减阻效果的比较，难以进行新型减阻方法的测试。基于这样的现状，如今的水翼表面减阻研究十分需要一种经济、可靠、适用性广泛的用以研究减阻效果的试验装置，同时，如果该试验装置可以更换如叶轮等的水翼表面，则可以满足现阶段对射流及变形壁面等针对水翼表面减阻效果的研究的需要。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种易于操作，装卸简便，测试准确的，针对非光滑水翼表面减阻效果进行测试的试验装置。

本实用新型所述的一种对非光滑水翼表面减阻效果测试的试验装置，其特征在于：包括驱动装置、传动单元、可更换水翼表面试验样件的试验单元、供水装置、支架以及控制器，所述驱动装置配有扭矩测定部分，并且驱动装置的扭矩测定部分输出轴与所述传动单元的输入端轴接，所述传动单元的输出端与所述试验单元固接；所述供水装置的进水管路、出水管路均与试验单元的试验腔连通；所述驱动装置、传动单元以及试验单元均安装在支架的滑动区域，所述供水装置安装在支架的非滑动区域；所述驱动装置的控制端与所述控制器的控制端电连；所述驱动装置的扭矩测定部分信号输出端与所述控制器的信号输入端电连；

所述传动单元包括传动轴和用于安装传动轴的第一安装筒，所述第一安装筒底部安装在所述支架的滑动区域，所述传动轴与所述第一安装筒密封转动连接，所述传动轴的第一端与所述驱动装置的输出轴轴接，所述传动轴的第二端贯穿第一安装筒后伸入试验单元的试验腔，传动轴的第二端端部配有用于支撑水翼表面试验样件的轴套；

所述试验单元包括带有试验腔的试验组件以及磁流体密封装置，所述试验组件与所述第一安装筒的一端固接，所述试验组件设有供传动轴第二端穿过的安装通孔，所述磁流体密封装置嵌在所述安装通孔内，并且所述试验组件通过磁流体密封装置与所述传动轴的第二端密封转动连接；

所述供水装置包括储水箱、出水管路和进水管路，所述储水箱通过出水管路与试验腔顶部的出水口连通，所述储水箱通过进水管路与试验腔的进水口连通；所述出水管路以及所述进水管路上都配有相应的控制阀；

所述驱动装置的输出轴、所述传动单元的中心轴以及所述试验单元的中心轴同轴布置。

所述第一安装筒包括两端敞口的筒体和设置在筒体一端的尾部端盖，所述尾部端盖密封固接在筒体的第一端，筒体的第二端与所述试验组件一端密封固接；所述传动轴通过装在筒体内腔的支撑轴承与筒体转动连接，所述传动轴的第一端贯穿所述尾部端盖后与所述驱动装置的输出轴轴接，所述传动轴的第二端伸入所述试验组件的试验腔内。

所述试验组件包括一端敞口的第二安装筒和头部端盖，第二安装筒的封闭端与第一安装筒的第二端固接，第二安装筒的敞口端与所述头部端盖密封固接；所述第二安装筒的封闭端设有用于贯穿传动轴的第二端的通孔，所述磁流体密封装置设置在第二安装筒的封闭端与传动轴之间；所述第二安装筒顶部设有出水口；所述头部端盖设有进水口。

所述磁流体密封装置包括磁流体、O型密封圈、永磁铁和磁极，整个所述磁流体密封装置设置在试验单元的安装通孔内，所述永磁铁紧密套在所述传动轴的第二端，两个磁极分列在永磁铁的两侧，并且所述磁极与传动轴之间形成内填磁流体的环形密封间隙；所述O型密封圈嵌在所述磁极的外壁上，保证磁极与安装通孔密封。

所述驱动装置包括电机、第一联轴器、扭矩信号耦合器以及第二联轴器，所述电机的输出轴通过第一联轴器与所述扭矩信号耦合器的输入端连接，所述扭矩信号耦合器的输出端通过第二联轴器与传动单元的输入端连接；所述电机、所述扭矩信号耦合器安装在所述支架的滑动区域；所述扭矩信号耦合器的信号输出端与所述控制器的信号输入端电连。

所述支架包括轨道、滑轨和固定块，所述滑轨为支架的滑动区域，所述轨道作为支架的非滑动区域；所述轨道安装在所述轨道上，并且所述轨道沿动力传输方向布置，所述滑轨与所述轨道滑动连接；轨道上开有两排各两个螺栓孔，固定块通过螺栓分别在这两处固定在轨道上；滑轨承载驱动单元、传动单元以及试验单元部分配件，滑轨下端配有与轨道滑动连接的轮子，轨道承载头部端盖并由螺栓固定在地面上；所述出水管路、所述进水管路通过支撑架架设在支架的轨道上。

所述第一安装筒的内壁设有两个支撑轴承，其中一个支撑轴承处配有轴承支撑，所述传动轴贯穿轴承支撑上的传动轴通孔，并且二者保持密封转动连接。

所述传动轴为台阶轴，并且传动轴的第二端末端端面装有防止水翼表面试验样件轴向移动的轴头固定环，所述传动轴通过装在其端部的沉头螺钉与所述轴套固定环固接；所述传动轴的第二端与套在其外壁的水翼表面试验样件键连接，其中所述水翼表面试验样件的一端抵在传动轴的台阶面上，另一端抵在轴头固定环的端面上。

所述第一安装筒的筒体的底部设有带第一螺栓的第一排液口；所述第二安装筒的底部设有带第二螺栓的第二排液口。

本实用新型即能够实现对非光滑水翼表面减阻效果进行测试，还能够对一部分叶轮、叶片减阻效果进行测试。本试验装置工作时，通过连接在扭矩信号耦合器上的数据分析系统分析在非光滑及光滑水翼表面等情况下采集到的扭矩信号值，进行数据对比，得出非光滑水翼表面的减阻效果。

本实用新型的有益效果是：由于磁流体密封的摩擦阻力很小，可通过扭矩型号耦合器简便地得到准确的测试结果；试验样件易于更换，更换过程操作简便节省时间，降低成本并对实验结果不造成干扰，可以快速简捷地测试非光滑和相应的光滑水翼表面的扭矩值，经过对比参考可以量化出准确的减阻效果；只需针对试验样件的水翼表面制造相应的轴套，就可以安装在本装置上，所以通用性良好，可以依照需求进行多组多种类的对照试验，以得到最优选择；给水系统由高度差可以不需额外的动力系统即可提供给试验装置，并通过实验装置的运作达成闭式循环，降低成本并且减少外界干扰。

附图说明

图1：是试验装置总图；

图2：是数据分析原理图；

图3：是试验部分结构图；

图4：是出水管口示意图；

图5：是磁流体密封示意图；

图6a：是水翼表面试验样件侧视图示意图；

图6b：是叶轮试验样件侧视图示意图；

图7：是轨道右侧固定截面示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本实用新型

参照附图：

实施例1本实用新型所述的一种对非光滑水翼表面减阻效果测试的试验装置，包括驱动装置1、传动单元2、可更换水翼表面试验样件的试验单元3、供水装置4、支架5以及控制器，所述驱动装置配有扭矩测定部分，并且驱动装置1的扭矩测定部分输出轴与所述传动单元2的输入端轴接，所述传动单元2的输出端与所述试验单元3 固接；所述供水装置4的进水管路、出水管路均与试验单元3的试验腔连通；所述驱动装置1、传动单元2以及试验单元3均安装在支架 5的滑动区域，所述供水装置4安装在支架的非滑动区域；所述驱动装置1的控制端与所述控制器的控制端电连；所述驱动装置1的扭矩测定部分信号输出端与所述控制器的信号输入端电连；

所述传动单元2包括传动轴21和用于安装传动轴的第一安装筒 22，所述第一安装筒22底部安装在所述支架5的滑动区域，所述传动轴21与所述第一安装筒22密封转动连接，所述传动轴21的第一端与所述驱动装置1的输出轴轴接，所述传动轴21的第二端贯穿第一安装筒22后伸入试验单元3的试验腔，传动轴21的第二端端部配有用于支撑水翼表面试验样件6的轴套213；

所述试验单元3包括带有试验腔的试验组件31以及磁流体密封装置32，所述试验组件31与所述第一安装筒22的一端固接，所述试验组件31设有供传动轴21第二端穿过的安装通孔，所述磁流体密封装置32嵌在所述安装通孔内，并且所述试验组件31通过磁流体密封装置32与所述传动轴21的第二端密封转动连接；

所述供水装置4包括储水箱41、出水管路42和进水管路43，所述储水箱41通过出水管路42与试验腔顶部的出水口连通，所述储水箱41通过进水管路43与试验腔的进水口连通；所述出水管路42以及所述进水管路43上都配有相应的控制阀(44，45)；

所述驱动装置1的输出轴、所述传动单元2的中心轴以及所述试验单元3的中心轴同轴布置。

所述第一安装筒22包括两端敞口的筒体和设置在筒体221一端的尾部端盖222，所述尾部端盖222密封固接在筒体221的第一端，筒体221的第二端与所述试验组件31一端密封固接；所述传动轴21 通过装在筒体221内腔的支撑轴承223与筒体221转动连接，所述传动轴221的第一端贯穿所述尾部端盖222后与所述驱动装置1的输出轴轴接，所述传动轴21的第二端伸入所述试验组件31的试验腔内。

所述试验组件31包括一端敞口的第二安装筒311和头部端盖 312，第二安装筒311的封闭端与第一安装筒22的第二端固接，第二安装筒311的敞口端与所述头部端盖312密封固接；所述第二安装筒 311的封闭端设有用于贯穿传动轴21的第二端的通孔，所述磁流体密封装置32设置在第二安装筒311的封闭端与传动轴21之间；所述第二安装筒311顶部设有出水口3112；所述头部端盖312设有进水口3121。

所述磁流体密封装置32包括磁流体321、O型密封圈322、永磁铁323和磁极324，整个所述磁流体密封装置32设置在试验单元3 的安装通孔内，所述永磁铁323紧密套在所述传动轴21的第二端，两个磁极324分列在永磁铁323的两侧，并且所述磁极324与传动轴 21之间形成内填磁流体321的环形密封间隙；所述O型密封圈321 嵌在所述磁极324的外壁上，保证磁极324与安装通孔密封。

所述驱动装置1包括电机11、第一联轴器12、扭矩信号耦合器 13以及第二联轴器14，所述电机11的输出轴通过第一联轴器12与所述扭矩信号耦合器13的输入端连接，所述扭矩信号耦合器13的输出端通过第二联轴器14与传动单元2的输入端连接；所述电机11、所述扭矩信号耦合器13安装在所述支架5的滑动区域；所述扭矩信号耦合器13的信号输出端与所述控制器的信号输入端电连。

所述支架5包括轨道51、滑轨52和固定块53，所述滑轨52为支架的滑动区域，所述轨道51作为支架的非滑动区域；所述轨道52 安装在所述轨道51上，并且所述轨道51沿动力传输方向布置，所述滑轨53与所述轨道52滑动连接；轨道52上开有两排各两个螺栓孔，固定块53通过螺栓分别在这两处固定在轨道51上；滑轨52承载驱动单元、传动单元2以及试验单元3部分配件，滑轨52下端配有与轨道51滑动连接的轮子，轨道51承载头部端盖312并由螺栓固定在地面上；所述出水管路42、所述进水管路43通过相应的出水支撑架 421、进水支撑架431架设在支架的轨道51上。

所述第一安装筒22的内壁设有两个支撑轴承223，其中一个支撑轴承223处配有轴承支撑224，所述传动轴21贯穿轴承支撑224 上的传动轴通孔，并且二者保持密封转动连接。

所述传动轴21为台阶轴，并且传动轴21的第二端末端端面装有防止水翼表面试验样件6轴向移动的轴头固定环211，所述传动轴21 通过装在其端部的沉头螺钉212与所述轴套固定环211固接；所述传动轴21的第二端与套在其外壁的水翼表面试验样件6键连接，其中所述水翼表面试验样件6的一端抵在传动轴21的台阶面上，另一端抵在轴头固定环211的端面上。

所述第一安装筒22的筒体221的底部设有带第一螺栓225的第一排液口；所述第二安装筒311的底部设有带第二螺栓313的第二排液口。

具体的，结合图1，供水单元4的储水箱41安装在墙壁上，下部开孔连接进水管路43，进水管路43通过入支撑架431固定和支撑，进水管路43上配有控制阀45可调节流速，进水管路43通过入水管端盖432连接试验单元3，其中入水管端盖432通过螺栓与头部端盖 312连接，其中为了防止泄露，在入水管端盖432与头部端盖312连接部位设置密封圈。试验部分流出的流体由出水管路42流出，出水管路42通过螺栓与出水管端盖422连接，由支撑架421固定和支撑，出水管路42由出水管端盖422引出并配有控制阀44，并将流体引回储水箱41。

结合图1和3，传动单元2：试验过程中第一安装筒22起主要的支撑作用，第一安装筒22固定支撑轴承223，与支撑架焊接并由螺栓固定在滑轨52上，尾部端盖222和轴承支撑223分别在左右两端由螺栓与第一安装筒22连接以固定支撑轴承223，并配有密封圈以防止轴承润滑油的泄露，支撑轴承223由轴肩轴向固定轴，保证试验时轴轴向没有位移。第一安装筒22下部设有带第一螺栓225的第一排液口，旋下第一螺栓225后可以实现润滑油的注入和杂质、脏油的流出。

结合图1、3、4和5，试验单元：试验组件31的第二安装筒311 由螺栓与第一安装筒22连接并由支撑架固定在滑轨52上，磁流体密封装置32由第二安装筒311和密封支撑321进行轴向固定在传动轴 21上，磁流体密封装置32由于阻力很小且密封效果好可以在试验进行时在几乎不干扰试验结果的前提下实现流道与机体之间的密封，第二安装筒311下端设有螺栓3111，闲置时可以将螺栓旋下以放出残余的流体。头部端盖312通过入水管端盖432与进水管路43连接并配有密封环，头部端盖312与第二安装筒311通过螺栓连接并配有密封环，并通过螺栓与轨道51连接与固定，出水管路42通过出水管端盖 422与出水口3112连接，由此构成闭式的给水循环。结合图6a，轴套213由键与传动轴21配合实现周向固定，水翼表面试验样件6由键与轴套213实现周向固定，试验时共同随传动轴21旋转，水翼表面试验样件轴套是为了配合水翼表面试验样件所专门制作的，其内部可与轴头的键配合，外部与水翼表面试验样件配合，如此可以在不更换轴的前提下实现简便地更换水翼表面试验样件，轴套213和水翼表面试验样件6由轴头固定环211轴向固定在传动轴21上，中间设有垫圈214，轴头固定环211由沉头螺钉212固定在轴头。沉头螺钉212 旋向要与电机带动的传动轴21的转向向配合，目的是防止在试验时高速旋转时发生松动，并且沉头螺钉212对流道的干扰很小。需要更换水翼表面试验样件时拆下连接入水管端盖432和头部端盖312的螺栓，拆下轨道上的固定块53，推动滑轨使其承载电机等部分共同后移至轨道右侧并以固定块53固定，拆下沉头螺钉212和轴头固定环 211和垫圈214，更换配套的轴套和水翼表面试验样件，之后再移回滑轨52并安装好上述部分，便可进行下轮试验。

结合图1，滑轨部分Ⅰ主要由滑轨52、轨道51、固定块53组成。滑轨52承载电机11、扭矩信号耦合器13、试验部分，滑轨52下端有轮子可以带动上述部分在轨道51里滑动，轨道51承载头部端盖 312并由螺栓固定在地面上。轨道51上开有两排各两个螺栓孔，固定块53通过螺栓可以分别在这两处固定在轨道51上，起到固定滑轨 52的作用，其中安装在右侧螺栓孔时是为了在试验时固定滑轨，防止其轴向滑动，安装在左侧螺栓孔时是为了在更换水翼表面试验样件时固定滑轨52。

下面结合附图说明本实用新型的装配过程。

结合图1，将轨道51由螺栓固定在地面上，将滑轨52置入轨道 51，安装固定块53于右侧螺栓孔，固定滑轨52。试验部分具体结构如图3所示。安装时，首先安装第一安装筒22，由螺栓将第一安装筒22底座固定在滑轨52上，之后将尾部端盖222与密封圈配合并由螺栓固定在第一安装筒22上，对支撑轴承223适当润滑后，将轴16 和支撑轴承223配合后由第一安装筒22开口端放入，调节好位置后将轴承支撑223和密封圈配合，并放入第一安装筒22，并由螺栓将其连接固定，旋上螺栓32。之后将磁流体密封装置32置入第二安装筒311，调节好位置后由螺栓安装好密封支撑12，后将第二安装筒 311沿传动轴21顺轴向置入第一安装筒22，安装第一安装筒22与第二安装筒311上的、第二安装筒311和滑轨52的螺栓，依次沿键槽装入轴套213和水翼表面试验样件6，安装垫圈214和轴头固定环 211，配合后旋上沉头螺钉212，旋上第二螺栓313。之后将头部端盖 312对准第二安装筒311，将密封圈配合，通过螺栓将头部端盖312 的支架与轨道51、头部端盖312与第二安装筒311连接固定。将储水箱41通过支架固定在墙体上，将进水管路43与入支撑架431、进水管路控制阀44、入水管端盖432组装好，装入储水箱41内，此时进水管路43上的控制阀45需关闭，后将密封圈置入入水管端盖432，调整位置使入水管端盖432与头部端盖配合22，通过螺栓连接固定入水管端盖432与头部端盖312。将出水管路42与出水管支架、出水管端盖422、控制阀44组装好，装入储水箱41内，调整位置使出水管端盖422与出水管路42配合，通过螺栓连接固定。之后将入支撑架431和出水管支架通过螺栓与地面连接固定。

将电机11与扭矩信号耦合器13输入端通过第一联轴器12连接起来，扭矩信号耦合器13输出端与传动轴21输入端通过第一联轴器 12连接，把传动单元、试验单元作为负载，电机11通过变频器调节转速，以适宜不同的运转工况。通过变送器将扭矩信号耦合器13采集到的信号传输至计算机，通过LabVIEW软件将信号进行分析存储，得出减阻效果的结果。

当做水翼表面减阻测试试验时，具体过程为：按照装配过程，将非光滑水翼表面试验样件6及其配套的轴套213安装在轴上，打开进水管路控制阀45，灌满整个机体，试验过程中通过调节电机变频器，使电机11在所需测试的几组工况下运转，不同转速下的由扭矩信号耦合器13得到的数据存储在计算机中。当非光滑表面水翼表面测试结束后，关闭进水管路控制阀45，旋下第二螺栓313，排空机体内流体，如需排出第一安装筒22内的废油则再旋下第一螺栓225，排出废油，排净后旋上两螺栓。之后解除固定块53，旋下排水管端盖314 与出水口3112、头部端盖312与第二安装筒311的螺栓，将滑轨52 移动至轨道51右侧，将固定块53安装在左侧螺栓孔处，以固定滑轨 52，旋下沉头螺钉212，取下轴头固定环211和垫圈214，取下非光滑水翼表面试验样件6及其配套的轴套213，装上光滑水翼表面试验样件及其配套的轴套，再依次安装好垫圈214、轴头固定环211、沉头螺钉212。解除固定块53，移回滑轨52，将固定块53安装在右侧螺栓孔处，以固定滑轨52。再依次旋上排水管端盖314与出水口3112、头部端盖312与第二安装筒311的螺栓，打开进水管路控制阀45，灌满整个机体，调节电机11，测试光滑水翼表面试验样件的几组工况下的实验数据，并存储在计算机中。当所有情况依次完成后，对所有数据进行对照分析处理得出结论。

当做特定水翼表面减阻测试试验时，如叶轮7，如图6b所示，只需针对性地制造与之配套的轴套便可实现在不更换轴的前提下，完成不同水翼表面减阻测试试验。

本实用新型即能够实现对非光滑水翼表面减阻效果进行测试，还能够对一部分叶轮、叶片减阻效果进行测试。本试验装置工作时，通过连接在扭矩信号耦合器上的数据分析系统分析在非光滑及光滑水翼表面等情况下采集到的扭矩信号值，进行数据对比，得出非光滑水翼表面的减阻效果。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对实用新型构思的实现形式的列举，本实用新型的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本实用新型的保护范围也包括本领域技术人员根据本实用新型构思所能够想到的等同技术手段。