本發(fā)明涉及低溫空化實驗裝置，尤其涉及一種高速誘導輪低溫空化實驗裝置。屬于低溫工程、流體機械工程領域和航空工程領域。

背景技術：

隨著石化工業(yè)和航天技術的不斷發(fā)展，離心泵也逐步向高速和大功率密度方向發(fā)展，而且隨著離心泵輸送介質的多樣化，離心泵在輸送易汽化介質和氣體低溫液化輸送等應用領域的不斷拓展，使得離心泵內復雜湍流場對進口條件異常敏感，特別是空化導致液體火箭發(fā)動機離心泵故障越來越突出的背景下，進口截面上即使相對強度較弱的擾動，也可能與泵內空化流場作用，進而影響泵的穩(wěn)定運行，這些都對離心泵的空化性能、工作穩(wěn)定性等提出了更高的要求。

為了保證離心泵具有優(yōu)越的空化性能，在離心泵葉輪前加載高抗空化性能的誘導輪是保證離心泵穩(wěn)定運行的最有效方法。由于低溫液體的表面張力比常溫水小很多，誘導輪在輸送低溫液體的過程中，如果管路泄熱將促使低溫介質相變析出氣泡，導致低溫液體的運動行為和常溫汽液兩相流動有較大差別。此外，低溫流體較低的粘性也會直接影響氣泡尾跡區(qū)域的流場結構，進而影響汽液兩相流動流型的轉變邊界，這些都會對輸送低溫介質的誘導輪空化性能產生影響。開展針對性的誘導輪低溫空化實驗，并在此基礎上提出改進措施具有顯著的現(xiàn)實意義。然而，在實際的操作的過程中開展低溫液體含氣條件下的空化實驗難度較大：一方面因為在進行誘導輪高速運轉實驗時，直接通過壁面加熱或輻射傳熱等方法研究輸送管路泄熱導致的低溫液體相變時，如果操作不慎，可能造成管內低溫流體瞬間沸騰，具有較難的技術問題；另一方面，如果保溫措施實施不當或者發(fā)生低溫液體泄漏，就會造成人員傷害。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服上述背景技術的不足，提供一種高速誘導輪低溫空化實驗裝置，該裝置應能確保實驗能夠順利進行,實驗過程安全可靠，易于操作,并且具有結構簡單的特點。

本發(fā)明通過以下技術方案實現(xiàn)。

一種高速誘導輪低溫空化實驗裝置，包括臥式供液罐、帶有二號真空泵接口的誘導輪測試段以及通過單層管道連通誘導輪測試段輸出口的立式集液罐，二號真空泵接口用于連通二號真空泵；

其特征在于所述臥式供液罐通過帶有閥門的雙層管道與誘導輪測試段連通,雙層管道與誘導輪測試段之間還通過配有入口壓力和溫度傳感器的接頭連通著配有穩(wěn)壓罐的高壓氣瓶；所述臥式供液罐上還分別安裝著帶有閥門的一號真空泵接口和壓縮機接口；前述的各個部件及各管道的外表面均包覆著聚氨醋泡沫材料。

所述誘導輪測試段包括低溫電機帶動的誘導輪和安裝在誘導輪測試段的石英玻璃管下面的導流體；誘導輪測試段外部的透明真空視窗采用有機玻璃材質的方腔型結構，且透明真空視窗與石英玻璃管之間抽真空。

所述雙層管道的外層管道兩端分別安裝有等溫氣體入口和等溫氣體出口，雙層管道的內層管道之間連接有低溫渦街流量計。

雙層管道的外層管道安裝有等溫氣體連通管，以繞過低溫渦街流量計并保持連通。

所述高壓氣瓶通過帶有通氣噴嘴的管路連通穩(wěn)壓罐以單向且以一定速率向主循環(huán)回路注入等溫氣體，所述通氣噴嘴是直管通氣噴嘴或螺旋通氣噴嘴。

誘導輪測試段與立式集液罐之間的單層管道上安裝有出口溫度和壓力傳感器。

所述誘導輪測試段配有觀察研究用的冷光燈以及高速相機。

誘導輪測試段的動密封采用金屬波紋管密封，靜密封采用金屬纏繞墊密封。

臥式供液罐主要用于存儲和提供低溫液體(液氮)，罐體的表面包裹有聚氨醋泡沫材料進行絕熱，罐子上端的一號真空泵接口是為了降低低溫液體的壓強，使液體在誘導輪處較容易發(fā)生空化現(xiàn)象；壓縮機接口是為了提高低溫液體的壓強，使液體在誘導輪處不易發(fā)生空化現(xiàn)象，這樣方便比較誘導輪處發(fā)生空化和沒有發(fā)生空化時流場流動的差異。雙層管道中的低溫渦街流量計用來實時測量實驗過程中流量的變化情況，從而可以準確有效的控制管道系統(tǒng)中低溫流體的流動速度。雙層管道的內層管道中流動的是低溫液體，外層管道中流動的是和低溫液體等溫的氣體(氮氣)，雙層管道的起始端和終止端分別安裝有等溫氣體入口和等溫氣體出口，且低溫渦街流量計兩端的外層管道之間通過等溫氣體連通管連接，這樣確保雙層管道的外層管道中流動的等溫氣體能夠順利的從等溫氣體入口處流到等溫氣體出口處；雙層管道的表面同樣包裹有聚氨醋泡沫材料進行絕熱，這樣整個管道系統(tǒng)在等溫氣體和聚氨醋泡沫材料的雙重保溫作用下，大大降低了管道內低溫液體泄熱的現(xiàn)象，從而確保后面的實驗能夠順利展開。入口溫度和壓力傳感器用來測量低溫流體在實驗之前的溫度和壓力值，出口溫度和壓力傳感器用來測量低溫流體在實驗過后的溫度和壓力值，這樣通過比較實驗前后傳感器的溫度和壓力值的差異來確定低溫流體通過誘導輪后溫度和壓力的變化情況。實驗過程中二號真空泵接口不斷地將石英玻璃管和透明真空窗之間部分抽真空以避免真空視窗與空氣接觸的一面結霜。在進行誘導輪高速運轉實驗時通過采用高壓氣瓶向管路通入氣體(氮氣)替代管路加熱的方法來研究管道因為泄熱而在壁面處析出的氣泡，穩(wěn)壓罐的作用是確保高壓氣體均勻平緩地進入到低溫液體中；其中高壓氣瓶中的高壓氣體通過通氣噴嘴射入低溫流體，本發(fā)明提供兩種通氣噴嘴(常規(guī)結構)，一種是直管通氣噴嘴，另一種是螺旋管通氣噴嘴。

導流體的外形為弧形圓錐面是為了盡量與離心泵葉輪的前蓋外形一致。固定安裝在軸上的誘導輪一方面驅動石英玻璃管中的低溫流體快速旋轉而發(fā)生空化現(xiàn)象，另一方面起到泵送的作用，驅動整個管道系統(tǒng)中流體運動。低溫驅動電機通過聯(lián)軸器帶動誘導輪旋轉。為保證低溫密封可靠性，動密封采用金屬波紋管密封，以及靜密封采用金屬纏繞墊密封而不是采用傳統(tǒng)的橡膠密封，主要是考慮到橡膠密封低溫易脆需要每次更換的缺點，金屬密封不但提高了實驗裝置的安全性，減少了維修費用及頻繁的維修保養(yǎng)，還提供了清潔安全的實驗環(huán)境。考慮實驗運行時間都比較短，為了簡化結構，低溫軸承采用油脂潤滑。

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明所提供的高速誘導輪低溫空化實驗裝置，不同于傳統(tǒng)的低溫空化實驗裝置，采用雙層管道和包裹聚氨醋泡沫材料雙重保溫措施，大大降低了管道內低溫液體泄熱的現(xiàn)象，從而確保后面的實驗能夠順利展開。本實驗裝置不需要專門的低溫泵來驅動低溫液體的流動，在實驗進行的過程中，誘導輪的快速旋轉能夠驅動液體流動；另外，臥式供液罐和立式集液罐之間的壓力差也能促進液體的流動。研究輸送管路泄熱導致的低溫液體相變時，采用高壓氣瓶向管路中通入氣體來代替管路加熱的方法，從而使得實驗過程變得安全可靠，易于操作(傳統(tǒng)的誘導輪高速運轉實驗，直接通過壁面加熱或輻射傳熱等方法，若操作不慎，可能造成管內低溫流體瞬間沸騰，具有較大的技術難度和危險性)。

附圖說明

圖1為誘導輪低溫空化實驗裝置結構示意圖。

圖2為誘導輪測試段三維結構示意圖。

圖3為誘導輪測試段二維結構示意圖。

圖4為雙層管道水平段二維結構示意圖。

圖5為直管通氣噴嘴三維結構示意圖。

圖6為螺旋管通氣噴嘴三維結構示意圖。

圖中標號如下：

1、臥式供液罐；2、一號真空泵接口；3、一號真空泵接口閥門；4、壓縮機接口；5、壓縮機接口閥門；6、臥式供液罐出口閥門；7、等溫氣體入口；8、低溫渦街流量計；9、雙層管道；10、等溫氣體出口；11、二號真空泵接口；12、高速相機；13、三號真空泵接口；14、三號真空泵接口閥門；15、等溫氣體連通管；16、渦輪流量計；17、穩(wěn)壓罐閥門；18、入口壓力和溫度傳感器；19、高壓氣瓶；20、穩(wěn)壓罐；21、冷光燈；22、誘導輪測試段；23、低溫驅動電機；24、出口溫度和壓力傳感器；25、立式集液罐閥門；26、立式集液罐；27、直管通氣噴嘴；28、透明真空視窗；29、石英玻璃管；30、誘導輪；31、導流體；32、機械密封轉子；33、機械密封定子；34、機械密封波紋管；35、低溫軸承。

具體實施方式

下面結合附圖與實施例對本發(fā)明作進一步說明。

圖1所示的誘導輪低溫空化實驗裝置中，存儲有低溫液體的臥式供液罐1的外面包裹有聚氨醋泡沫材料進行絕熱處理；所述臥式供液罐的上端安裝有調節(jié)罐內低溫液體靜壓的一號真空泵接口2和壓縮機接口4；本裝置中從臥式供液罐到誘導輪測試段22之間的管道采用雙層管道9連接，而從誘導輪測試段到立式集液罐26之間的管道采用單層管道連接；所述臥式供液罐與雙層管道之間連接有臥式供液罐出口閥門6；所述雙層管道的起始端安裝有等溫氣體入口7，終止端安裝有等溫氣體出口10；所述雙層管道的水平段之間安裝有低溫渦街流量計8用來實時測量實驗過程中流量的變化情況，從而可以準確有效的控制管道系統(tǒng)中低溫流體的流動速度；所述低溫渦街流量計兩端的雙層管道中的管道外層通過等溫氣體連通管15連接，這樣確保與低溫流體等溫的氣體在雙層管道的外層管道中順利地從等溫氣體入口流到等溫氣體出口；誘導輪測試段22上端的接頭(通常是三通)安裝有入口溫度和壓力傳感器18；所述誘導輪測試段連接有向低溫液體中通入永久氣體(氮氣)的高壓氣瓶19；所述高壓氣瓶與誘導輪測試段之間連接有確保永久氣體平穩(wěn)流入低溫液體中的穩(wěn)壓罐20；所述穩(wěn)壓罐與誘導輪測試段之間連接有穩(wěn)壓罐閥門17和渦輪流量計16；所述渦輪流量計用于實時監(jiān)測高壓氣瓶中的永久氣體通過直管通氣噴嘴27射入到低溫液體中的速率；所述直管通氣噴嘴也可以用螺旋管通氣噴嘴36代替；所述誘導輪測試段的出口法蘭處安裝有波紋管，該波紋管的右端安裝有出口溫度和壓力傳感器24；立式集液罐26的低溫流體入口端安裝有立式集液罐閥門25；所述立式集液罐的頂端安裝有三號真空泵接口13；所述立式集液罐和整個管道系統(tǒng)的外面同樣包裹有聚氨醋泡沫材料進行絕熱處理。

如圖2和圖3所示，誘導輪測試段的透明真空視窗28與石英玻璃管29之間通過三號真空泵接口(連通著真空泵)抽真空，以此防止透明真空視窗(28)與空氣接觸的部分結霜；所述石英玻璃管與誘導輪30的葉頂之間有一定的間隙；導流體31的外形為弧形圓錐面是為了盡量與離心泵葉輪的前蓋外形一致；所述導流體的下方安裝有與軸固定連接的機械密封轉子32；所述機械密封轉子與機械密封定子33緊密接觸，兩者之間形成動密封的關系；所述機械密封定子與機械密封波紋管34固定連接；考慮實驗運行時間都比較短，為了簡化結構，低溫軸承35采用油脂潤滑；低溫驅動電機23與軸之間采用聯(lián)軸器連接；誘導輪的葉片為等厚度等螺距。顯然，所述誘導輪測試段為現(xiàn)有技術。

具體工作過程如下：

實驗開始之前，關閉壓縮機接口閥門5和穩(wěn)壓罐閥門17，打開其余閥門，二號真空泵接口11開始抽真空，與此同時，等溫氣體入口7不斷通入等溫氣體冷卻雙層管道9，一號真空泵接口2不斷通入等溫氣體對裝置清掃和充分預冷；待裝置溫度穩(wěn)定后，一號真空泵接口和三號真空泵接口13開始對整個實驗裝置抽真空，直到整個裝置內的壓強降低到一定程度時關閉臥式供液罐出口閥門6，打開壓縮機接口閥門5開始往臥式供液罐1內注入低溫液體；待低溫液體添加到實驗所需要的量時，關閉壓縮機接口閥門；根據實驗要求，當一號真空泵接口和三號真空泵接口在抽真空的過程中，臥式供液罐1內的壓強略高于立式集液罐26時，打開臥式供液罐出口閥門；待整個管道系統(tǒng)內充滿低溫液體時，啟動低溫驅動電機23；與此同時，打開穩(wěn)壓罐閥門17往低溫液體中通入永久氣體，并在觀察渦輪流量計16的同時，通過調節(jié)穩(wěn)壓罐閥門控制永久氣體射入低溫流體的速率。

實驗開始后，通過高速相機12拍攝誘導輪流場變化情況，溫度和壓力傳感器獲取流場中溫度和壓力的值；若要進行無空化實驗，則關閉一號真空泵接口閥門3，打開壓縮機接口閥門5往臥式供液罐1內加壓，使臥式供液罐內的靜壓高于低溫液體的飽和蒸氣壓。

實驗結束后，關閉穩(wěn)壓罐閥門17，與此同時，關閉臥式供液罐出口閥門6和低溫驅動電機23并清理整個裝置中低溫液體。

本發(fā)明可在誘導輪低溫空化試驗中，對不同溫度和壓力的低溫液體在發(fā)生空化、不發(fā)生空化、通氣與不通氣流動時，進行流場信息的顯示與采集。低溫流體在管路輸送過程中，通常管路壁面附近析出離散小氣泡，隨主流流動的過程中，小氣泡的相互碰撞和凝并可能導致誘導輪進口流態(tài)發(fā)生變化，本發(fā)明可用于此類現(xiàn)象的研究。