本实用新型为一种研究多级离心泵叶轮前盖板间隙的动力学实验装置，具体地说是用于研究多级离心泵叶轮前盖板间隙在不同工作状态和各种叶轮结构及叶轮前端定子结构下对转子动力特性的影响。
背景技术：
多级离心泵是石油、化工、电力和制药等流程领域的关键设备，将液态工作介质加压输送至系统各个生产环节和操作单元，是整个液体输送系统的心脏。随着流程工业领域的发展，多级离心泵向大功率高压高速方向发展，因此其转子动力学设计就显得十分重要。在多级离心泵的转子动力学设计中存在着“干”、“湿”临界转速分析设计的难题。“干”临界转速是只考虑泵转子在两端支撑作用下的临界转速，但在泵工作状态下由于叶轮前盖板和叶轮前端定子之间充满流体介质并且级间存在很高的压差，叶轮前盖板间隙中流体介质的激烈湍流对转子有一定的平衡恢复作用，造成了工作条件下的“湿”临界转速高于“干”临界转速。在大功率高速流程离心泵这种“湿”临界转速效应就很显著了，它成为这个泵机组安全设计的关键。
目前国内对多级离心泵关于叶轮前盖板间隙的“湿”转子效应方面开展的研究几乎没有，特别是在实验研究领域处于空白状态。这种情况使得国内多级离心泵行业在设计生产中还处于仿制和依靠经验的状态，没有充分的理论与实验研究支持，造成了我国大型超高压离心泵机组基本上依赖于国外进口产品的局面。
因此，需要对现有技术进行改进。
技术实现要素：
本实用新型要解决的技术问题是提供一种研究多级离心泵叶轮前盖板间隙的动力学实验装置，该装置可以对不同工作压力和各种叶轮结构及叶轮前端定子结构下多级转子的振幅和转矩随转速的变化进行测量，并且探索多级离心泵转子临界转速和振型等动力学特性在各种叶轮结构及叶轮前端定子结构下的变化规律。
为解决上述技术问题，本实用新型提供一种研究多级离心泵叶轮前盖板间隙的动力学实验装置，包括驱动电机、信号采集处理系统、多级转子实验台和用于模拟真实多级离心泵前盖板间隙工作状态的压力循环系统，所述多级转子实验台包括由套筒组成的承压壳体和贯穿承压壳体且与承压壳体转动相连的转轴；所述承压壳体包括一个平衡盘储液仓和至少2级节段；
所述承压壳体的每级节段都由高压仓和低压仓组成，平衡盘储液仓、所有的高压仓和所有的低压仓分别由一个套筒形成，同一节段的高压仓和低压仓由叶轮轮盘和叶轮前端定子隔开；所述叶轮轮盘包括固定部分和可更换部分；所述叶轮前端定子设置在套筒上；所述固定部分套设在转轴上，可更换部分设置在固定部分上；所述叶轮前端定子和可更换部分之间设有叶轮前盖板间隙，高压仓通过叶轮前盖板间隙与同一节段的低压仓连通；所述低压仓中分隔有隔离仓，隔离仓中设置速度位移传感器；
所述承压壳体内的低压仓和高压仓为交替设置，承压壳体最左端为低压仓，平衡盘储液仓位于承压壳体最右端且与一个高压仓相连；所述转轴穿过所有的高压仓、低压仓和平衡盘储液仓；所述平衡盘储液仓中设置有套设在转轴上的平衡盘，平衡盘穿过相邻高压仓的侧壁伸入相邻高压仓内与固定部分抵接；所述平衡盘与相邻高压仓的侧壁之间设有空隙，平衡盘储液仓通过空隙与相邻高压仓连通；
所述压力循环系统分别与平衡盘储液仓、每个高压仓和每个低压仓相连通；所述驱动电机通过联轴器Ⅰ和联轴器Ⅱ后与转轴相连，在驱动电机和转轴之间设置扭矩转速测量仪；所述信号采集处理系统分别与扭矩转速测量仪和速度位移传感器相连。
作为对本实用新型研究多级离心泵叶轮前盖板间隙的动力学实验装置的改进：在承压壳体的左右两侧分别设有左轴承座和右轴承座，在左轴承座内设有左滚动轴承，在右轴承座内设有右滚动轴承，转轴的左右两端分别与左滚动轴承和右滚动轴承相连；在转轴与承压壳体的承压壳体左端面之间设置左机械密封，在转轴与承压壳体的承压壳体右端面之间设置右机械密封；在低压仓上设有低压仓流体出口；在高压仓上设有高压仓流体进口；在平衡盘储液仓上设置平衡盘储液仓流体出口；所述低压仓流体出口、平衡盘储液仓流体出口和高压仓流体进口分别与压力循环系统相连通。
作为对本实用新型研究多级离心泵叶轮前盖板间隙的动力学实验装置的进一步改进：所述压力循环系统包括水箱、过滤器、增压泵、稳流罐、电磁流量计、进水口截止阀和出水口截止阀，水箱的出口依次经过过滤器、增压泵、稳流罐、电磁流量计和进水口截止阀后与所有高压仓流体进口相连，低压仓流体出口和平衡盘储液仓流体出口经过出水口截止阀后与水箱的进口相连。
作为对本实用新型研究多级离心泵叶轮前盖板间隙的动力学实验装置的进一步改进：所述转轴为中间直径大于两端直径的阶梯轴，转轴上设置有与固定部分配合使用的轴肩，转轴套设有与固定部分配合使用的轴套，通过轴套使固定部分与轴肩抵接；所述固定部分和平衡盘都通过定位键设置在在转轴上。
作为对本实用新型研究多级离心泵叶轮前盖板间隙的动力学实验装置的进一步改进：所述可更换部分通过螺栓Ⅰ固定设置在叶轮轮盘的固定部分上；所述叶轮前端定子通过螺栓Ⅱ固定设置在套筒上。
作为对本实用新型研究多级离心泵叶轮前盖板间隙的动力学实验装置的进一步改进：所述驱动电机、联轴器Ⅰ、扭矩转速测量仪、联轴器Ⅱ与转轴依次相连。
作为对本实用新型研究多级离心泵叶轮前盖板间隙的动力学实验装置的进一步改进：所述承压壳体不同节段的相邻高压仓和低压仓之间通过填料密封密封连接。
本实用新型还提供一种研究多级离心泵叶轮前盖板间隙的动力学实验方法，其特征是，包括以下步骤：
启动驱动电机，驱动电机带动转轴转动，转轴带动叶轮轮盘和平衡盘共同转动；
流体从水箱出口流出，依次经过滤器过滤、增压泵加压和稳流罐稳流后经过进水口截止阀流动到所有高压仓，流体在高压仓中经过叶轮前盖板间隙到达同一节段的低压仓，且与平衡盘储液仓相邻的高压仓中的流体通过平衡盘与相邻高压仓侧壁的空隙流动到平衡盘储液仓中；
然后平衡盘储液仓中的流体从平衡盘储液仓流体出口流出，低压仓中的流体从低压仓流体出口流出，两者共同经过出水口截止阀后从水箱进口流回水箱中。
本实用新型研究多级离心泵叶轮前盖板间隙的动力学实验装置的技术优势为：
本实用新型研究多级离心泵叶轮前盖板间隙的动力学实验装置的叶轮轮盘的可更换部分可更换，叶轮前端定子也可更换，叶轮轮盘两端的压力差可以自由调控。因此该装置可以对不同工作压力、各种叶轮结构及叶轮前端定子结构下多级转子的振幅、转矩随转速的变化进行测量，从而探索在各种叶轮结构及叶轮前端定子结构下多级离心泵转子临界转速和振型等动力学特性变化规律。
附图说明
下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细说明。
图1为本实用新型研究多级离心泵叶轮前盖板间隙的动力学实验装置的总体结构示意图；
图2为图1中多级转子实验台50的放大结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本实用新型进行进一步描述，但本实用新型的保护范围并不仅限于此。
实施例1、研究多级离心泵叶轮前盖板间隙的动力学实验装置，如图1-2所示，包括驱动电机35、信号采集处理系统37、多级转子实验台50和用于模拟真实多级离心泵前盖板间隙工作状态的压力循环系统，多级转子实验台50放置在实验台底座34上。
多级转子实验台50包括内设有四级转子节段的承压壳体和贯穿承压壳体且与承压壳体转动相连的转轴1。承压壳体包括由均套筒8组成的一个平衡盘储液仓30和至少2级节段(图中采用4级节段)。每级节段都由高压仓6和低压仓5组成，平衡盘储液仓30、所有的高压仓6和所有的低压仓5都单独由一个套筒8形成。每个低压仓5内都隔出一个隔离仓23，在隔离仓23内各设置有速度位移传感器11，隔离仓23不与高压仓6连通。承压壳体内的低压仓5和高压仓6为交替设置，承压壳体最左端(承压壳体的最右端即为承压壳体离驱动电机35较近的一端)为低压仓5，平衡盘储液仓30设置在承压壳体的最右端(承压壳体的最右端即为承压壳体离驱动电机35较远的一端)且与一个高压仓6相连；平衡盘储液仓30内设置有平衡盘13，平衡盘13穿过相邻节段的高压仓6的侧壁(高压仓6的侧壁为套筒8)伸入高压仓6中与固定部分12抵接。平衡盘13与相邻高压仓6的侧壁有空隙，平衡盘储液仓30与相邻高压仓6通过该空隙连通。承压壳体相邻节段通过套筒8阻隔，不相互连通。
在平衡盘储液仓30上设置平衡盘储液仓流体出口31。平衡盘储液仓30的作用相当于低压仓5，平衡盘13相当于是叶轮轮盘，这样多级转子试验台50(承压壳体)的左右两端就都是低压仓5了，压力是对称的，可以消除轴向力。承压壳体的两端面分别为承压壳体左端面20和承压壳体右端面14，在承压壳体左端面20和承压壳体右端面14之间设置拉杆4，拉杆4通过拉紧螺母15固定在承压壳体左端面20和承压壳体右端面14上，套筒8设置在承压壳体左端面20和承压壳体右端面14之间，拉杆4能将承压壳体及组成所有仓的套筒8拉紧。在不同节段的相邻高压仓6和低压仓5之间通过填料密封25密封连接(填料密封25用于密封不同节段的相邻高压仓6和低压仓5之间的套筒8与转轴1之间的空隙)，从而确保密封。在同一节段中的高压仓6和低压仓5之间是靠叶轮轮盘和叶轮前端定子7隔开的，叶轮前端定子7通过螺栓Ⅱ28固定在套筒8上；叶轮轮盘包括固定部分12和可更换部分10，可更换部分10通过螺栓Ⅰ29固定在固定部分12上。叶轮前端定子7和可更换部分10之间有叶轮前盖板间隙9，同一节段的高压仓6通过叶轮前盖板间隙9与低压仓5连通。叶轮前端定子7和可更换部分10都可根据工程实际和研究需要进行更换，以研究不同形状叶轮前盖板间隙9对多级离心泵动力学特性的影响。
与平衡盘储液仓30相邻的高压仓6中会有液体流入平衡盘储液仓30中(该高压仓6中的液体会流入相邻的低压仓5和平衡盘储液仓30)，平衡盘13的作用相当于一个叶轮轮盘，平衡盘13和相邻高压仓6的侧壁之间的空隙相当于叶轮前盖板间隙9。
转轴1贯穿承压壳体左端面20、高压仓6、低压仓5、平衡盘储液仓30和承压壳体右端面14。在承压壳体的左右两侧分别设有左轴承座18和右轴承座33，即左轴承座18与承压壳体左端面20固定相连，右轴承座33与承压壳体右端面14固定相连。在左轴承座18内设有左滚动轴承2，在右轴承座33内设有右滚动轴承17；转轴1的左右两端分别与左滚动轴承2和右滚动轴承17相连(实际操作中如果有需要可以在左滚动轴承2和右滚动轴承17中分别设置有速度位移传感器)。在转轴1与承压壳体左端面20之间设置左机械密封3，在转轴1与承压壳体右端面14之间设置右机械密封16，左机械密封3和右机械密封16用于密封承压壳体内流体，从而保证整个装置的密封性。
转轴1为中间直径大于两端直径的阶梯轴，从中间到两边直径依次减小，转轴1分为五节，转轴1上设置有与固定部分12配合使用的四个轴肩27，四个轴肩27分别位于承压壳体的四级节段中，转轴1上套设有与固定部分12配合使用的四个轴套24，转轴1除了正中间以外的四个节段上各自套设有一个轴套24，轴套24将承压壳体每个节段的固定部分12都精确定位在轴肩27上。中间部分的两个轴套24都穿过隔离仓23，且轴套24两端分别与相邻节段的两个固定部分12抵接；最左侧(承压壳体前端)的轴套24穿过隔离仓23，且两端分别与左机械密封3和最左侧的固定部分12抵接；最右侧的轴套24两端分别与右机械密封16和平衡盘13抵接，平衡盘13与固定部分12抵接。固定部分12和平衡盘13都通过定位键26固定在转轴1上，可更换部分10通过螺栓Ⅰ29固定在叶轮轮盘的固定部分12上，因此转轴1能够带动叶轮轮盘(固定部分12和可更换部分10)作旋转运动。将速度位移传感器11设置在隔离仓23中，避免在实验过程中被流体损坏，该速度位移传感器11可以测量转轴1的实时运动轨迹和振型，即测量此处转轴1的位移振动数据。
固定部分12、可更换部分10、平衡盘13和轴套24都随着转轴1共同旋转，它们构成的整体称之为转子。
在每个低压仓5上个都设置一个低压仓流体出口21和速度位移传感器接口41，速度位移传感器11的信号通过速度位移传感器数据传输线39由速度位移传感器接口41输出；在高压仓6上设有高压仓流体进口22；平衡盘储液仓30、每个低压仓5和每个高压仓6均分别设有一个压力表52，压力表52用于测量各个仓内的压力。平衡盘储液仓流体出口31和每个低压仓流体出口21各连接一根低压仓流体接出分管53，每个高压仓流体进口22各连接一根高压仓流体接入分管42。
压力循环系统包括水箱56、过滤器47、增压泵46、稳流罐45、电磁流量计44、进水口截止阀40、出水口截止阀54和压力表55，水箱56的出口依次经过滤器47、增压泵46、稳流罐45、电磁流量计44和高压仓流体接入总管43后与每根高压仓流体接入分管42相连，在每根高压仓流体接入分管42上各设置一个进水口截止阀40；每根低压仓流体接出分管53通过低压仓流体接出总管51与水箱56的进口相连，在低压仓流体接出总管51上设置出水口截止阀54。高压仓6与低压仓5之间的压力差可用进水口截止阀40和出水口截止阀54的开通大小来调节控制(从而调控叶轮前盖板间隙9两端的压力)。在稳流罐45的出口和水箱56之间设置一个压力表55用以监控压力循环系统的总压。
驱动电机35、联轴器Ⅰ36、扭矩转速测量仪48、联轴器Ⅱ49和转轴1依次相连。信号采集处理系统37通过扭矩转速测量仪数据传输线38与扭矩转速测量仪48连接，信号采集处理系统37通过速度位移传感器数据传输线39穿过速度位移传感器接口41与每个速度位移传感器11信号相连。驱动电机35通过联轴器Ⅰ36和扭矩转速测量仪48连接，扭矩转速测量仪48通过联轴器Ⅱ49和转轴1连接。最终扭矩转速测量仪48和速度位移传感器11测量的信号由信号采集处理系统37完成信号采集和数据处理。
本实用新型的工作过程为：
该装置采用驱动电机35驱动，通过两个联轴器(联轴器Ⅰ36和联轴器Ⅱ49)将扭矩转速测量仪48和与多级转子实验台50连接起来。转子采用四级转子和节段式结构，每级节段中的高压仓6和低压仓5都由叶轮轮盘(固定部分12、可更换部分10)和叶轮前端定子7隔开，可更换部分10和叶轮前端定子7可更换。在每个低压仓5中设有一个隔离仓23，每个隔离仓23中都设置一个速度位移传感器11，扭矩转速传感器48和速度位移传感器11均与信号采集处理系统37相连，由信号采集处理系统37进行动态信号的采集。
由一套流体压力循环系统提供流体模拟真实多级离心泵叶轮前盖板间隙9的工作状态：
流体从水箱56中流出，依次经过滤器47过滤、增压泵46加压和稳流罐45稳流后经过进水口截止阀40流动到所有高压仓6，流体在高压仓6中经过叶轮前盖板间隙9到达同一节段的低压仓5，与平衡盘储液仓30相邻的高压仓6中的流体通过平衡盘13与相邻高压仓6侧壁的空隙流动到平衡盘储液仓30中；然后平衡盘储液仓30中的流体从平衡盘储液仓流体出口31流出，低压仓5中的流体从低压仓流体出口21流出，两者共同经过经过出水口截止阀54后从水箱56的进口流回水箱56中。
在低压仓5、高压仓6和平衡盘储液仓30都装有压力表52，通过调节进水口截止阀40和出水口截止阀54的开通大小可调控叶轮前盖板间隙9两端的压力，从而模拟不同的压力下的工作状态。因此该装置可以对不同工作压力和各种叶轮结构及叶轮前端定子7结构下多级转子的振幅、转矩随转速的变化进行测量，从而探索在各种叶轮结构及叶轮前端定子7结构下多级离心泵转子临界转速和振型等动力学特性变化规律。
对比例1：取消实施例1中的平衡盘储液仓30和平衡盘13，其余等同于实施例1，进行对比例1。
以此装置按照实施例1进行操作，多级转子实验台50在工作压力下两端压力不称，会对转子产生较大的轴向力，不利于该装置在工作状况下的精准性。
对比例2：取消实施例1中的轴肩27，其余等同于实施例1，进行对比例2。
以此装置按照实施例1进行操作，叶轮轮盘在转轴1上的定位不够精确，增大了装配难度，产生实验误差，容易发生危险。
对比例3：取消实施例1中的隔离仓23，速度位移传感器11设置在高压仓6或者低压仓5中，其余等同于实施例1，进行对比例3。
以此装置按照实施例1进行操作，速度位移传感器11在工作状态下的流体中易损坏。
对比例4：取消实施例1中的将叶轮轮盘分为可更换部分10和固定部分12，改为叶轮轮盘为一个整体，其余等同于实施例1，进行对比例4。
以此装置按照实施例1进行操作，所得结果为每更换一次叶轮轮盘耗费了太多材料，装配时需要将叶轮轮盘整个拆卸下，增大了装配难度。
对比例5：取消实施例1中的叶轮前端定子7可更换，叶轮前端定子7和套筒8为一个整体，其余等同于实施例1，进行对比例5。
以此装置按照实施例1进行操作，所得结果为每更换一次叶轮前端定子7耗费大量材料，并增大装配难度。
对比例6：取消实施例1中的高压仓6和低压仓5之间采用填料密封25，采用机械密封等其他密封方式，其余等同于实施例1，进行对比例6。
以此装置按照实施例1进行操作，不渗透性差，拆装复杂，价格昂贵。
最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本实用新型的若干个具体实施例。显然，本实用新型不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本实用新型公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本实用新型的保护范围。