离心泵内部气液相流动可视化观测实验台的制作方法

本实用新型属于流体力学实验设备技术领域，涉及一种离心泵内部气液相流动可视化观测实验台。

背景技术：

离心泵作为石油、化工、核电、农业等领域中极其重要的动力设备，其在工作过程中，泵送流体广泛存在气液两相或多相流动状态。在气液两相流条件下，气相在离心泵叶轮内运动、发展及变化，可能导致流动分离以及气泡破碎、聚并、形成等现象的发生，进而对离心泵扬程、流量、效率等产生一定影响。当气体在叶轮内积聚到一定程度，离心泵的性能下降，严重情况下，离心泵处于气锁状态，导致泵发生空转。研究气液两相流在离心泵内的流动特性、深入认识其动力学过程以及查清内部流动机理是保证离心泵在两相流体的工况下优化和安全设计的物理机理基础。

目前，大多数用于观测气液两相流的实验技术均采用高速成像技术，基于光学元件观测离心泵内部流场。高速摄像机可以在很短的时间内完成对高速目标的快速、多次采样，当以常规速度放映时，所记录目标的变化过程就清晰、缓慢地呈现在我们眼前。高速摄像机技术具有实时目标捕获、图像快速记录、即时回放、图像直观清晰等突出优点。高速摄影能够观察不定常流场和高速运动流场的每一瞬时的流动图像及变化过程，因此高速摄影技术在流场测试，尤其是多相流场测试中是一种十分重要的技术手段。现有的试验装置有的可用于单相介质状态下离心泵吸水室、叶轮流道和压水室等区域的测量拍摄；还以可用于单相介质/固液两相流状态下泵外特性、内流场等测试试验，并对泵内高速流动进行局部拍摄；另外，还有试验台设有除气装置，可用于单相介质状态下离心泵内部流场可视化拍摄。

然而，传统离心泵进水端与动力传动系统分在两侧，这对拍摄离心泵内部完整的流动图像增加不少的难度。现有的试验装置多用于测量单相或多相流动条件下离心泵内部局部流场，尚不能获得整个叶轮内的流动图像。离心泵作为一种典型的旋转机械，其内部流动呈现出明显的非对称性，尤其是多相流动条件下，不同叶轮流道内流动特征差异性更为显著。因此，获得整个叶轮流道内气液两相流动特征，有助于揭示泵内多相流动机理，进而指导离心泵的优化设计。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种离心泵内部气液相流动可视化观测实验台，解决了现有试验装置对于离心泵的内部流动观测区域受限、装置结构复杂以及操作性低的问题。

本实用新型所采用的技术方案是，离心泵内部气液相流动可视化观测实验台，包括出水部分、进水部分、箱体和动力传输部分，出水部分、进水部分、箱体和动力传输部分的内部中央设置有泵轴；

出水部分包括出口法兰段，出口法兰段的上端通过螺栓可拆卸连接试验泵系统，出口法兰段的下端通过螺栓连接矩形的蜗壳，蜗壳的蜗壳右半部的上端连接有固定板，固定板上表面开有螺纹孔，出口法兰段的下端法兰与蜗壳右半部分通过螺栓连接在固定板上的螺纹孔处，蜗壳的蜗壳左半部与蜗壳右半部通过螺栓可拆卸连接，蜗壳左半部中部开有凹槽，凹槽中央开有进水孔，凹槽与叶轮连接，叶轮的进水端卡接在凹槽处，保证叶轮安装在蜗壳的流道中心，叶轮连接进水部分，进水部分包括管段，管段的右端通过螺栓连接进口法兰段，并通过“O”型密封圈密封，进口法兰段通过螺栓连接在蜗壳左半部上，并通过“O”型密封圈进行密封，管段的左端呈喇叭状，通过螺栓连接在箱体的右侧壁的法兰段上，箱体的左侧壁连接动力传输部分。

本实用新型的其他特点还在于，

动力传输部分包括电机，电机通过联轴器b和扭矩转速传感器连接，扭矩转速传感器通过联轴器与箱体连接，电机通过螺栓固定在电机支座上，扭矩转速传感器通过螺栓固定连接在扭矩转速传感器支座上。

叶轮包括轮毂、叶片、前盖板和后盖板，均采用有机玻璃材质，叶片采用圆柱形叶片，与前盖板加工成一体与后盖板连接。

箱体右侧与管段连接处设置有圆形凹槽，凹槽内放置有两个半圆形稳流板，两个稳流板对接形成整块圆形板，凹槽的厚度与稳流板厚度一致，用于有效的减速和缓冲，起到均流效果；每个稳流板的中央开有泵轴孔，表面沿圆周均匀开有若干网孔，网孔的孔径大小为4～6mm。

箱体右侧的法兰段中部开有泵轴孔和密封孔，密封孔处通过骨架密封圈 c和密封压盖对泵轴孔进行密封，以防箱体内部水流泄漏，密封压盖通过螺栓连接在箱体右侧的法兰段上，箱体的上端连接进水法兰段，进水法兰段通过螺栓可拆卸连接试验泵系统，箱体底部开有螺纹孔，通过螺栓固定在箱体支座上。

箱体右侧的法兰段的一端通过螺栓连接轴承座，轴承座的中央安装有轴承b，轴承b过盈配合安装在轴承座内部，轴承b与轴承座连接处右侧设置有挡肩，用以固定，轴承b与轴承座连接处左侧通过螺母固定，轴承b的内圈连接泵轴，泵轴的左端依次连接联轴器、扭矩转速传感器和联轴器。

泵轴的右端与叶轮连接处的左端设置有挡肩，用于使叶轮固定在泵轴上，泵轴的右端与叶轮连接处的右端设置垫片，并通过带帽螺栓固定在泵轴右端的螺纹孔处，螺纹孔中的螺纹方向与泵轴的旋转方向相反。

进口法兰段的右端内部设置有卡槽，卡槽内部过盈配合安装有轴承a，轴承a的两侧分别安装有骨架密封圈a和骨架密封圈b，卡槽的左侧与泵轴连接处设置有挡肩，卡槽的右侧与泵轴连接处填充有固体胶。

蜗壳底面上开有螺纹孔，通过螺栓固定在蜗壳底座上。

本实用新型的有益效果是，离心泵内部气液相流动可视化观测实验台，解决了现有试验装置对于离心泵的内部流动观测区域受限、装置结构复杂以及操作性低的问题。与现有技术相比，具有以下优势：针对气液两相流条件下离心泵整个叶轮内部流场测试设计专用的实验台，利用有机玻璃表面光滑、透光性好的特点，通过一定的手段将离心泵实验装置设计成中间侧向进水，使进水端与动力传动部分同侧，叶轮后盖板向外，因此可从叶轮后盖板方向利用高速摄像机拍摄到整个叶轮内部完整的流动图像；通过设置箱体、稳流板和直、曲管段减小来流的扰动，达到均流的效果；泵轴引起湍流有助于气、液两相混合物的均匀性；本实用新型结构简单、安装方便、适用范围广、操作便捷，为离心泵内部流场观测实验的进行提供了有效的手段，具有很强的实用价值。

附图说明

图1是本实用新型的离心泵内部气液相流动可视化观测实验台的结构示意图；

图2是离心泵的示意图；

图3是叶轮前盖板与叶片结构示意图；

图4是叶轮后盖板与轮毂结构示意图；

图5是稳流板的结构示意图；

图6是泵轴的装配图。

图中，1.出口法兰段，2.蜗壳右半部，3.蜗壳左半部，4.固定板，5.叶轮， 51.轮毂，52.叶片，53.前盖板，54.后盖板，6.进口法兰段，7.管段，8.箱体， 9.密封压盖，10.轴承座，11.泵轴，12.联轴器a，13.扭矩转速传感器，14.联轴器b，15.电机，16.蜗壳底座，17.箱体支座，18.扭矩转速传感器支座，19. 电机支座，20.卡槽，21.垫片，22.带帽螺栓，23.骨架密封圈a，24.轴承a， 25.骨架密封圈b，26.稳流板，27.骨架密封圈c，28.轴承b、29.螺母。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

本实用新型的离心泵内部气液相流动可视化观测实验台，如图1和图2 所示，包括出水部分、进水部分、箱体8和动力传输部分，出水部分、进水部分、箱体8和动力传输部分的内部中央设置有泵轴11；

出水部分包括出口法兰段1，出口法兰段1的上端通过螺栓可拆卸连接试验泵系统，出口法兰段1的下端通过螺栓连接矩形的蜗壳，蜗壳的蜗壳右半部2的上端连接有固定板4，固定板4上表面开有螺纹孔，出口法兰段1 的下端与蜗壳右半部2通过螺栓连接在固定板4上的螺纹孔处，蜗壳的蜗壳左半部3与蜗壳右半部2通过螺栓可拆卸连接，蜗壳左半部3中部开有凹槽，凹槽中央开有进水孔，凹槽与叶轮5连接，叶轮5的进水端卡接在凹槽处，保证叶轮5安装在蜗壳的流道中心，叶轮5连接进水部分，进水部分包括管段7，管段7的右端通过螺栓连接进口法兰段6，并通过“O”型密封圈密封，进口法兰段6通过螺栓连接在蜗壳左半部3上，并通过“O”型密封圈进行密封，管段7的左端呈喇叭状，通过螺栓连接在箱体8的右侧壁的法兰段上，箱体8的左侧壁连接动力传输部分。

如图3和图4所示，叶轮5包括轮毂51、叶片52、前盖板53和后盖板 54，均采用有机玻璃材质，叶片52采用圆柱形叶片，与前盖板53加工成一体与后盖板54连接。

动力传输部分包括电机15，电机15通过联轴器b14和扭矩转速传感器 13连接，扭矩转速传感器13通过联轴器a12与箱体8连接，电机15通过螺栓固定在电机支座19上，扭矩转速传感器13通过螺栓固定连接在扭矩转速传感器支座18上。

进口法兰段6与管段7连接的直管侧壁上开有若干进气孔。

箱体8右侧与管段7连接处设置有圆形凹槽，凹槽内放置有两个半圆形稳流板26，两个稳流板26对接形成整块圆形板，凹槽的厚度与稳流板26 厚度一致，稳流板26用于有效的减速和缓冲，起到均流效果；如图5所示，每个稳流板26的中央开有泵轴孔，表面沿圆周均匀开有若干网孔，网孔的孔径大小为4～6mm。

箱体8右侧的法兰段中部开有泵轴孔和密封孔，密封孔处通过骨架密封圈c27和密封压盖9对泵轴孔进行密封，以防箱体8内部水流泄漏，密封压盖9通过螺栓连接在箱体8右侧的法兰段上，箱体8的上端连接进水法兰段，进水法兰段通过螺栓可拆卸连接试验泵系统，箱体8底部开有螺纹孔，通过螺栓固定在箱体支座17上。

如图6所示，箱体8右侧的法兰段的一端通过螺栓连接轴承座10，轴承座10的中央安装有轴承b28，轴承b28过盈配合安装在轴承座10内部，轴承b28与轴承座10连接处右侧设置有挡肩，用以固定，轴承b28与轴承座10连接处左侧通过螺母29固定，轴承b28的内圈连接泵轴11，泵轴11 的左端依次连接联轴器a12、扭矩转速传感器13和联轴器b14。

泵轴11的右端与叶轮5连接处的左端设置有挡肩，用于使叶轮5固定在泵轴11上，泵轴11的右端与叶轮5连接处的右端设置垫片21，并通过带帽螺栓22固定在泵轴11右端的螺纹孔处，螺纹孔中的螺纹方向与泵轴11 的旋转方向相反。

进口法兰段6的右端内部设置有卡槽20，卡槽20内部过盈配合安装有轴承a24，轴承a24的两侧分别安装有骨架密封圈a23和骨架密封圈b25，卡槽20的左侧与泵轴11连接处设置有挡肩，卡槽20的右侧与泵轴11连接处填充有固体胶。

蜗壳底面上开有螺纹孔，通过螺栓固定在蜗壳底座16上。

本实用新型的离心泵内部气液相流动可视化观测实验台的工作原理如下：出水部分包括出口法兰段1和蜗壳，均采用有机玻璃材料加工，出口法兰段1上端法兰与试验泵系统通过螺栓实现可拆卸连接，出口法兰段1下端法兰通过螺栓连接着蜗壳出口，两处均采用O型密封圈进行密封；蜗壳外部形状为矩形，内部加工成圆形截面蜗壳，离心泵内部流场观测方向为蜗壳右半部2的右侧方向，利用有机玻璃表面光滑、透光性好的特点，可以通过蜗壳右半部2观测到叶轮5的后盖板，进而观测到叶轮内整个流道流动状况；蜗壳右半部2在满足出口尺寸和结构强度的情况下设计尽量薄，以便光源更好地透过蜗壳右半部2进入叶轮5内部，利用高速摄像机拍摄到叶轮内部流动图像；由于蜗壳右半部2厚度较薄，出口法兰段1下端法兰无法直接与蜗壳右半部2通过螺栓连接，所以在蜗壳右半部2上端右侧设置有固定板4，固定板4上表面打有螺纹孔，并与蜗壳右半部2连接在一起，固定板4与出口法兰段2下端处法兰通过螺栓实现可拆卸连接；蜗壳左半部3开设有进水孔并设置凹槽，凹槽与叶轮5的进水端匹配，使叶轮5准确安装在蜗壳流道中心处；蜗壳右半部2和蜗壳左半部3厚度不同，蜗壳内部流道以中心对称形式分别布置于蜗壳左半部2和蜗壳右半部3上；蜗壳右半部2和蜗壳左半部3四周设有数处贯穿孔，两者通过螺栓实现可拆卸连接并进行密封；

为了保证叶轮后盖板54表面光滑，使光源的光透过后盖板54，利用高速摄像机拍摄到叶轮内部完整的流动图像，叶片52与前盖板53加工成一体，后盖板54单独加工，然后两者连接在一起形成完整的叶轮。

进水部分包括进口法兰段6和管段7，进口法兰段6右侧端法兰与蜗壳左半部3通过螺栓实现可拆卸连接，采用O型密封圈进行密封；进口法兰段 6靠近左侧端直段上开有一定数量的进气孔，向管道内注气；管段7右侧端法兰与进口法兰段6左侧端法兰通过螺栓实现可拆卸连接，采用O型密封圈进行密封，管段7中的曲管段为喇叭形状，从左往右为光滑过渡的圆弧面，目的是使水流平稳进入到蜗壳内部；

箱体8右侧端与管段7左侧端法兰通过螺栓实现可拆卸连接，箱体8缓存进水；箱体8右侧出口处设有圆形凹槽，两个半块稳流板26对接形成整块稳流板放置在圆形凹槽内，圆形凹槽的厚度与稳流板26厚度一致；稳流板26为缓冲减速装置，由于来流的流速较快，具有较大的动能，在箱体8 出口处设置稳流板26能够有效的减速和缓冲，起到均流效果；稳流板26中间处设有泵轴孔，稳流板网孔排布采用梅花形排布方式，孔径大小为4～ 6mm；箱体8上侧进水法兰段与实验系统通过螺栓实现可拆卸连接，采用O 型密封圈进行密封；箱体8左侧法兰段开设有泵轴孔和密封孔，密封孔处设有骨架密封圈c27，利用密封压盖9和骨架密封圈c27对泵轴孔进行密封，以防箱体内部水流泄漏，密封压盖9与箱体8左侧法兰段通过螺栓实现可拆卸连接；箱体8底侧设置螺纹孔，通过螺栓使其固定在箱体支座上17。

电机15传递给泵轴11的扭矩和转速，电机15为离心泵提供动力，通过变频器连接电机实现电机转速的调节；扭矩转速传感器13通过螺栓使其固定在扭矩转速传感器支座18上，电机15通过螺栓使其固定在电机支座19 上。

泵轴11与叶轮5连接处左侧设置有挡肩，目的是使叶轮5的左侧端固定在泵轴11上；泵轴11最右端开设有螺纹孔，螺纹孔中的螺纹与泵轴旋转方向为反方向，形成反丝，泵轴11与叶轮5连接处右侧端添加有垫片21，并用带帽螺栓22与泵轴最右端螺纹孔进行连接，实现叶轮5的右侧端固定在泵轴上，同样带螺帽的螺栓为反丝；进一步地，由于泵轴11较长，泵轴 11两侧端设有轴承，轴承起支撑转子重量和承受力、固定转子的作用；为了能从叶轮后盖板方向拍摄到叶轮内部完整的流动图像，实验装置设计成中间侧向进水，即泵轴11穿过进水管，进水端与动力传动部分同侧，叶轮后盖板向外，前后盖板垂直于泵轴线；由于泵轴11穿过进水管段，靠近叶轮5 的轴承a24浸没在水中，无法起到支撑和固定转子的作用，所以在进口法兰段6最右端法兰内设置有卡槽20，使卡槽20嵌入到法兰内并固定；卡槽20 外壁上沿圆周均匀设置有数片直肋片，卡槽20内部从右往左依次装有骨架密封a23、轴承a24、骨架密封b25，卡槽20内部留有适当过盈量，以便轴承更好地固定在卡槽20内部；卡槽20左侧处泵轴设置有挡肩，使卡槽20 在泵轴11左侧端固定，卡槽20右侧处法兰内填有固体胶，使卡槽20在泵轴11的右侧端固定；泵轴11另一端处设有轴承b28，轴承b28放置在轴承座10内，轴承座10内部右侧设有挡肩，轴承座10内部留有适当过盈量，以便轴承28更好地固定在轴承座10中，轴承座10与箱体8左侧法兰通过螺栓实现可拆卸连接，轴承b28左侧通过特制的带帽螺母29对其固定。