一种适用于离心泵不同汽蚀区域的防汽蚀补气装置

摘要

本发明公开了一种适用于离心泵不同汽蚀区域的防汽蚀补气装置。转轴内部设有导气空腔，流体滑环套装在转轴上，流体滑环外圈和内圈连接相通，流体滑环外圈作为固定端并与进气管相连，流体滑环内圈作为转动端与出气管的一端相连，出气管的另一端与转轴的导气空腔连接相通；叶轮与转轴通过键同轴相连，转轴端部沿周向连接有均匀布置于叶轮各叶片的叶片吸力面处的多个补气机构，补气机构和导气空腔连接相通。本发明通过流体滑环和转轴中的导气空腔，直接布置于离心泵叶片吸力面的低压汽蚀区处，使得补气直接补入汽蚀区域减少补入气体与水流的接触，从而避免由于补入气体溶于水中导致汽蚀恶化的现象。

说明书

技术领域

本发明涉及一种自动补气装置，具体地说是一种适用于离心泵不同汽蚀区域的防汽蚀补气装置。

背景技术

离心泵汽蚀危害困扰着许多泵站的运行，许多泵站由于严重汽蚀所引起的强烈振动而无法运行。当叶轮入口处压强下降至被送液体在工作温度下的饱和蒸汽压时，液体将会发生部分汽化，生成的气泡将随液体从低压区进入高压区，在高压区气泡会急剧收缩，凝结，其周围的液体以极高的速度冲向原气泡所占空间，产生高强度的冲击波，冲击叶轮和泵壳，发生噪音引起震动。由于长期受到冲击力反复作用以及液体中微量溶解氧的化学腐蚀作用，叶轮局部表面出现斑痕和裂纹甚至成海绵状损坏。但是现在市面上传统的离心泵抗汽蚀装置主要以安装诱导轮、调节泵的安装高度和泵的进口尺寸为主。这些装置既增加了成本又降低了工作效率。

在实际的工业生产中，补气防治汽蚀危害在水轮机、高坝溢流方面有较多的应用，而由于补气防治离心泵汽蚀，技术性很强，只有补气流量、补气位置和补气方式恰当，才能取得好的效是。否则，会使泵的流量、扬程和效率下降很多，引起不良后果。因此离心泵方面则几乎尚未应用。传统补气装置直接补入于叶轮进口前使得补入气体与水流长时间接触，从而由于补入气体溶于水中导致汽蚀恶化。同时离心泵中的汽蚀区位置和强度会随着泵进口流量的变化而变化，传统补气装置无法改变补气位置从而导致补入气体未在汽蚀区域处反而使得汽蚀恶化。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提出了一种适用于离心泵不同汽蚀区域的防汽蚀补气装置，在汽蚀区的位置和强度随着进口流量变化而变化的情况下可自动调节补气位置和补气量(均匀与不均匀补气)，并且直接补气于汽蚀区域减少补入气体与水流的接触，从而避免由于补入气体溶于水中导致汽蚀恶化，降低离心泵不同汽蚀区域振动和噪声。

按照本发明的技术方案：

本发明主要由转轴、进气管、出气管、流体滑环和补气机构组成；转轴内部设有导气空腔，流体滑环套装在转轴上，流体滑环外圈和内圈连接相通，流体滑环外圈作为固定端并与进气管相连，流体滑环内圈作为转动端与出气管的一端相连，出气管的另一端与转轴的导气空腔连接相通；叶轮与转轴通过键同轴相连，转轴端部沿周向连接有均匀布置于叶轮各叶片的叶片吸力面处的多个补气机构，补气机构和导气空腔连接相通。

每个所述补气机构包括导气管、补气管、挡气板、梯形挡板、电磁推进驱动件和进给驱动件；导气管一端连接到转轴端部周面，并且导气管与转轴的导气空腔相通；补气管套装在导气管外，补气管的内管壁与导气管的外管壁密封相配合，补气管的壁面开有气孔；导气管上焊接有电磁推进驱动件，电磁推进驱动件的输出推杆与补气管内端固定，电磁推进驱动件驱动补气管沿导气管轴向移动，进而调节补气管上气孔被导气管覆盖的孔数和未被导气管覆盖而正常通气的孔数；补气管外壁固定有进给驱动件，进给驱动件通过牵引绳和挡气组件连接，补气管一端外壁周面套装有环形的滑轨，挡气板一端嵌装于滑轨中，进给驱动件驱动经牵引绳拉动挡气组件沿滑轨移动，进而调节挡气组件挡住补气管上气孔的位置和孔数。

外部气源输入进气管，经由流体滑环输送到导气空腔中，从分散到各个补气机构中，从导气管进入到补气管中，再从补气管的气孔分散到叶片吸力面附近的低压汽蚀区。

所述的挡气组件包括挡气板、液压推杆和梯形挡板，挡气板经液压推杆和梯形挡板连接，梯形挡板与液压推杆之间通过活动铰链连接，挡气板通过液压推杆控制梯形挡板的姿态位置来有限遮挡补气管部分气孔，调节同一排气孔不同的遮挡面积实现均匀补气和非均匀补气的目的。

所述的补气管外端部固定有加速度传感器，加速度传感器分别经振动信号传输线Ⅰ、振动信号传输线Ⅱ和电磁推进驱动件、进给驱动件连接。

所述的补气管的壁面开有沿补气管周向间隔均布的多排气孔；每排气孔的各个气孔沿补气管轴向间隔均布，使得补气管表面均布有气孔。

所述的振动信号传输线Ⅰ和振动信号传输线Ⅱ在不影响正常补气的情况下安置于导气管和补气管的内部以减少水流对于线路的冲击。

所述的电磁推进驱动件与进给驱动件分别焊接于导气管和补气管上。

本发明装置通过流体滑环和转轴中的导气空腔，直接布置于离心泵叶片吸力面的低压汽蚀区处，使得补气直接补入汽蚀区域减少补入气体与水流的接触，从而避免由于补入气体溶于水中导致汽蚀恶化的现象。

补气管布置于导气管外部，补气管表面布置有分布均匀的气孔，加速度传感器通过检测的汽蚀振动信号控制导气管上的电磁推进驱动件，使得补气管在导气管表面前后滑动，以达到自动调节补气位置的目的。

补气管表面布置有挡气板，加速度传感器通过检测的汽蚀振动信号控制补气管上的进给驱动件，使得挡气板在牵引绳的作用下在补气管表面转动，遮挡部分气孔以达到自动调节补气量的目的。且挡气板通过液压推杆控制前端有限遮挡部分的梯形挡板，以到达叶片进口端与出口端均匀与不均匀补气切换的目的。

本发明的技术效果在于：

本发明将不受泵进口流量变化导致汽蚀区位置和强度的变化对补气防汽蚀效果的影响。实现了一种在汽蚀区的位置和强度随着进口流量变化而变化的情况下可自动调节补气位置和补气量(均匀与不均匀补气)并且直接补气于汽蚀区域减少补入气体与水流的接触，从而避免由于补入气体溶于水中导致汽蚀恶化的防汽蚀补气装置。

附图说明

图1是新型补气装置安装结构图；

图2是叶片吸力面处装置布置图；

图3是补气调节装置局部细节图；

图4是补气位置调节机构工作原理图；

图5是挡气板不均匀进气结构图；

图6是新型补气装置整体结构图；

图7是补气转轴半剖图；

图8是补气防汽蚀离心泵机组整体效果图；

图9是汽蚀发展过程的不均匀补气实例图；

图10是汽蚀稳定后均匀补气实例图。

图中：离心泵壳体1、叶轮2、转轴3、导气空腔4、空压机5、进气管6、流体滑环7、出气管8、叶片吸力面9、导气管10、补气管11、挡气板12、加速度传感器13、振动信号传输线Ⅰ14、电磁推进驱动件15、振动信号传输线Ⅱ16、进给驱动件17、牵引绳18、滑轨19、液压推杆20、梯形挡板21、汽蚀空泡22。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的说明。

如图1所示，本发明主要由转轴3、进气管6、出气管8、流体滑环7和补气机构组成；叶轮2与转轴3通过键同轴相连，转轴3内部设有导气空腔4，流体滑环7套装在转轴3上，流体滑环7外圈和内圈连接相通，流体滑环7外圈作为固定端并与进气管6相连，流体滑环7内圈作为转动端与出气管8的一端相连，出气管8的另一端与转轴3的导气空腔4连接相通；流体滑环7使得转轴3旋转时出气管8也随之旋转但进气管6不发生旋转，以达到向旋转的导气空腔4稳定输气同时进气管6和空压机5保持固定的目的，如图8所示。

如图2所示，转轴3端部沿周向连接有均匀布置于叶轮2各叶片的叶片吸力面9处(即叶轮2发生汽蚀的低压汽蚀区)的多个补气机构。如图7所示，补气机构和导气空腔4连接相通，补气机构位于叶轮2内部，补气机构沿叶片吸力面9延伸布置，补气机构布置数量和叶轮2的叶片数量相同。

如图3所示，每个补气机构包括导气管10、补气管11、挡气板12、电磁推进驱动件15和进给驱动件17；导气管10一端连接到转轴3端部周面，并且导气管10与转轴3的导气空腔4相通，如图7所示，各个补气机构的导气管10均匀布置于叶轮2各叶片的叶片吸力面9处，图中导气管10有5个但不仅限于5个；如图4所示，补气管11套装在导气管10外，补气管11的内管壁与导气管10的外管壁密封相配合，使得导气管10与补气管11之间保持密封且补气管11在导气管10上自由滑动；补气管11的壁面开有沿补气管11轴向间隔均布的气孔。

如图3所示，导气管10上在未套装补气管11位置焊接有电磁推进驱动件15，电磁推进驱动件15可以固定在导气管10靠近内端的外壁面，电磁推进驱动件15的输出推杆与补气管11内端固定，电磁推进驱动件15驱动补气管11沿导气管10轴向移动，进而调节补气管11上气孔被导气管10覆盖的孔数和未被导气管10覆盖而正常通气的孔数。

如图3所示，补气管11外壁固定有进给驱动件17，进给驱动件17通过牵引绳18和挡气组件连接，挡气组件用于挡住补气管11上的气孔，牵引绳18可绕于补气管11外，补气管11一端外壁周面套装有环形的滑轨19，挡气板12一端嵌装于滑轨19中，进给驱动件17驱动经牵引绳18拉动挡气组件沿滑轨19移动，进而调节挡气组件挡住补气管11上气孔的位置和孔数。

补气管11的壁面开有沿补气管11周向间隔均布的多排气孔；每排气孔的各个气孔沿补气管11轴向间隔均布，使得补气管11表面均布有气孔，实现多方向多角度的补气进而实现防止汽蚀发生。

如图6所示，外部气源输入进气管6，经由流体滑环7输送到导气空腔4中，从分散到各个补气机构中，从导气管10进入到补气管11中，再从补气管11的气孔分散到叶片吸力面9附近的低压汽蚀区，并且由电磁推进驱动件15和进给驱动件17控制补气管11的气孔的通气位置和数量。

具体实施中，叶轮2的尺寸要与离心泵壳体1内流道的尺寸大小相匹配。转轴3的尺寸与离心泵壳体1的尺寸大小相匹配。流体滑环7、进气管6和出气管8的尺寸大小要与转轴3的尺寸大小相匹配。导气管10的尺寸大小要与补气管11尺寸大小相匹配，要保证补气管11能在导气管10上自由滑动，但同时要保证补气管11和导气管10之间的密封性良好防止气体泄漏。挡气板12尺寸大小要与补气管11的尺寸大小相配合，保证可以遮挡住气孔。滑轨19的尺寸大小要与挡气板12的尺寸大小相匹配，使得挡气板12能在滑轨19中自由转动。加速度传感器13尺寸大小要与补气管11的尺寸大小相配合。

如图5所示，挡气组件包括挡气板12、液压推杆20和梯形挡板21，挡气板12经液压推杆20和梯形挡板21连接，梯形挡板21与液压推杆20之间通过活动铰链连接保证梯形挡板21可以发生一定转动，挡气板12通过液压推杆20控制梯形挡板21的姿态位置来有限遮挡补气管11部分气孔，利用在不同位置的液压推杆20推出不同距离时使得梯形挡板21发生偏转，表现为进口段宽、出口端窄等姿态位置，以到达遮挡补气管11部分气孔，进而实现叶片进口端与出口端均匀与不均匀补气切换的目的。

补气管11外端部固定有加速度传感器13，加速度传感器13分别经振动信号传输线Ⅰ14、振动信号传输线Ⅱ16和电磁推进驱动件15、进给驱动件17连接，加速度传感器13用来测量汽蚀振动所引起的振幅，从而判断汽蚀发生的位置和强。振动信号传输线Ⅰ14和振动信号传输线Ⅱ16在不影响正常补气的情况下安置于导气管10和补气管11的内部以减少水流对于线路的冲击。

具体实施中，电磁推进驱动件15采用LX4-45250Y型号力迅4代电磁推拉器，行程为100mm，额定载荷载率：4mm/s(1500N)，极限推理可加300N-400N。进给驱动件17具体采用型号为VPF-250Z进给装置，通过齿轮啮合传动的方式依靠齿轮组旋转方向的改变来调节穿过其牵引绳18的前进与后退。牵引绳18表面有齿条形机构，进给驱动件17中含有齿轮组，牵引绳18的齿条与进给驱动件17中的齿轮组啮合。进给驱动件17中的齿轮顺时针旋转将带动与其啮合的牵引绳18逆时针转动，进给驱动件17中的齿轮逆时针旋转将带动与其啮合的牵引绳18顺时针转动。

本发明具体实施如下：

离心泵在工作过程中在叶轮叶片的吸力面低压区处产生汽蚀现象，会在汽蚀区引起微射流冲击和冲击波冲击，冲击使叶轮遭到剥蚀并产生振动与噪声，同时其汽蚀区域还会随着泵进口流量的变化而变化。本发明在实验中发现，汽蚀发生区域是连续的，并且汽蚀发生的严重程度呈渐进变化。

当加速度传感器13随补气管11运动到叶片吸力面9的不同位置时，加速度传感器13都会测定所在位置的振动情况，加速度传感器13分别通过振动信号传输线Ⅰ14和振动信号传输线Ⅱ16图中传输线布置于管道外部便于标号说明，同时传输线均可布置于管道内部以减少水流对线路的冲击将所在位置的汽蚀振动信号传输到电磁推进驱动件15和进给驱动件17中。

当电磁推进驱动件15接收到汽蚀振动信号时其处理器将振动信号转化为数字振荡信号，并将其与预设信号值相比较。

当信号的幅值大于预设值时判定为检测区域发生汽蚀，此时电磁推进驱动件15将补气管11向外推离导气管10一段距离，使得补气管11的气孔运动到所检测位置。

当信号的幅值小于预设值时判定为检测区域未发生汽蚀，此时电磁推进驱动件15将补气管11向内拉进导气管10一段距离，使得补气管11的气孔运动到所检测位置的前段，不在所检测位置处补气。通过控制补气管11伸缩调节气孔的位置，以达到自动调节补气位置的目的。

当进给驱动件17接收到汽蚀振动信号时，将会控制通过它的牵引绳18向左右两端拉伸以此带动与牵引绳18相连的挡气板12在滑轨19中转动。每两列相邻的气孔之间都设置有一个挡气板12，牵引绳18带动挡气板12转动，使得挡气板12和梯形挡板21可以挡住补气管11上的气孔，根据不同振动信号的幅值大小调节挡气板12所遮挡气孔的面积，以达到自动调节补气量的目的。

当离心泵进口流量发生变化时，其叶轮2处的汽蚀区域的位置和强度也随之发生改变。随着进口流量变大，其汽蚀区域沿着叶片吸力面9向叶轮2出口处延伸，其汽蚀强度也逐渐增大。进口流量变大时，电磁推进驱动件15将补气管11向外推离导气管10一段距离，以达到自动调节补气位置的目的。进口流量变大时，挡气板12所遮挡气孔的面积减小，以达到自动调节补气量的目的。

同时整个补气装置伴随着叶轮2一起旋转，直接布置于离心泵叶片吸力面9的低压汽蚀区处，使得补气直接补入汽蚀区域减少补入气体与水流的接触，从而避免由于补入气体溶于水中导致汽蚀恶化的现象。

挡气板12通过液压推杆20控制梯形挡板21的姿态位置来有限遮挡补气管11部分气孔，利用在不同位置的液压推杆20推出不同距离时使得梯形挡板21发生偏转，表现为进口段宽、出口端窄等姿态位置，以到达遮挡补气管11部分气孔，进而实现叶片进口端与出口端均匀与不均匀补气切换的目的。

挡气板12通过液压推杆20控制梯形挡板21的姿态位置，利用在不同位置的液压推杆20推出不同距离时使得梯形挡板21发生偏转，表现为进口段宽、出口端窄等姿态位置，以到达遮挡补气管11部分气孔，进而实现叶片进口端与出口端均匀与不均匀补气切换的目的。具体实施例子如下：

实施例1：

如图9所示为汽蚀发展过程的不均匀补气实例，汽蚀发展过程中汽蚀空泡22的强度是沿着叶片吸力面9从进口向出口发展的。在汽蚀发展过程中吸力面9各位置的汽蚀空泡22强度也是逐渐增强的。叶片进口处的汽蚀空泡22发展较早强度较大，叶片出口处的汽蚀空泡22发展较晚强度较小。利用梯形挡板21遮挡补气管11上补气孔的面积沿着叶片出口方向由小变大，使得在汽蚀空泡22较强的位置补气量较大，汽蚀空泡22较弱的位置补气量较小，避免了补气过量恶化汽蚀或者补气不足防汽蚀效果较弱的现象发生，以实现不均匀补气的目的。

实施例2：

如图10所示为汽蚀稳定后均匀补气实例，汽蚀稳定后沿着叶片吸力面9处各位置的汽蚀空泡22强度基本相同。调节梯形挡板21遮挡补气管11上补气孔相同的面积大小，使得在汽蚀空泡22在各位置处得到相同的补气量，以实现均匀补气的目的。

由此可见，本发明实施能将一定量的空气补入汽蚀区域，在汽蚀区域叶片表面会形成小气泡起到气垫作用吸收空泡溃灭时产生的冲击能量，从而减弱或消除剥蚀，降低汽蚀引起的振动与噪声。