一种涡轮泵试验系统
阅读说明：本技术 一种涡轮泵试验系统 (Turbine pump test system ) 是由 梁赞 俞涛 唐慧慧 徐佳佳 汪翔羚 于 2021-04-29 设计创作，主要内容包括：一种涡轮泵试验系统,包括液压系统,供气系统,试验工装、测控系统、增压油箱；所述的试验工装用于安装被试涡轮泵以及采集试验所需各类参数的传感器,传感器采集的数据发送至测控系统；所述增压油箱在测控系统的控制下充满液压油；所述的液压系统在测控系统的控制下将增压油箱内的油充满管路并向被试涡轮泵入口提供带有一定压力的液压油；所述的供气系统调节所述增压油箱的压力,同时通过循环的方式向所述被试涡轮泵提供工作气体,并在测控系统的控制下对被测涡轮泵出口液压油进行冷却,冷却后的油液回到增压油箱。(A turbine pump test system comprises a hydraulic system, an air supply system, a test tool, a measurement and control system and a pressurizing oil tank; the test tool is used for installing a tested turbine pump and a sensor for acquiring various parameters required by the test, and data acquired by the sensor is sent to the measurement and control system; the pressurizing oil tank is filled with hydraulic oil under the control of the measurement and control system; the hydraulic system fills the oil in the pressurizing oil tank into the pipeline under the control of the measurement and control system and provides hydraulic oil with certain pressure to the inlet of the tested turbine pump; the gas supply system adjust the pressure of pressurized oil tank, simultaneously through the endless mode to the turbopump under test provides working gas to being surveyed turbopump export hydraulic oil and cooling down under the control of observing and controlling system, the fluid after the cooling gets back to pressurized oil tank.)
技术领域
本发明涉及一种运载火箭伺服机构中涡轮泵产品的试验系统，具体来说涉及一种液氢液氧运载火箭的推力矢量控制伺服机构中的涡轮泵产品的生产研制试验系统。
背景技术
超高速氢气涡轮泵为伺服系统的动力元件，以发动机引出的低温氢气流为驱动介质，带动切线泵高速运转，吸入低压液压油，泵出高压液压油，为伺服系统提供动力。
超高速氢气涡轮泵长程试验系统是为超高速涡轮泵进行性能试验、寿命试验、可靠型增长试验而设计的重要试验设备，可以单独对涡轮泵进行性能试验，为氢气涡轮泵研制和可靠型增长的研究提供试验依据。
试验系统能否模拟真实负载，并采集所有关键数据并且操作简单方便是对试验系统的重要要求。同时，由于涡轮泵在工作过程中对液压油做功，液压油温升严重，以往设计的涡轮泵试验台，不能有效冷却油温，严重制了约涡轮泵试验台单次连续工作时间。
单次工作时间明显加长，涡轮泵持续工作对液压油做功，油温迅速上升会影响试验系统的正常工作，这对涡轮泵试验台的稳定性、可靠性提出了更严峻的要求，以前设计的涡轮泵试验系统已无法满足需求单次长时工作涡轮泵的研制和试验的需要。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种涡轮泵试验系统，尤其是一种可满足高可靠性需求的超高速涡轮泵试验系统。
本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：一种涡轮泵试验系统，包括液压系统，供气系统，试验工装、测控系统、增压油箱；
所述的试验工装用于安装被试涡轮泵以及采集试验所需各类参数的传感器，传感器采集的数据发送至测控系统；
所述增压油箱在测控系统的控制下充满液压油；所述的液压系统在测控系统的控制下将增压油箱内的油充满管路并向被试涡轮泵入口提供带有一定压力的液压油；
所述的供气系统调节所述增压油箱的压力，同时通过循环的方式向所述被试涡轮泵提供工作气体，并在测控系统的控制下对被测涡轮泵出口液压油进行冷却，冷却后的油液回到增压油箱。
优选的，还包括增压系统，所述增压系统用于将气源内的气体供入增压油箱，用于调节所述增压油箱的压力。
优选的，所述的增压系统包括增压电磁阀、减压阀、单向阀；气源依次连接减压阀以及增压电磁阀，增压电磁阀的下游连接单向阀，单向阀下游连接增压油箱的气腔。
优选的，所述的供气系统包括氢/氦气源、增压输送机、泵吹电磁阀、回流电磁阀、防爆电动调节阀、冷却器、回气单向阀、回气过滤器、减压阀、单向阀、电动排气阀；
增压输送机连通氢/氦气源后输出分成两路，一路串联减压阀和单向阀后与增压油箱的气腔连通，用于调节增压油箱的压力，电动排气阀一端与增压油箱的气腔连通，另一端与大气连通；另一路通过泵吹电磁阀接入被试涡轮本的动力叶片；涡轮泵动力叶片的出口分两路分别连接防爆电动调节阀和回流电磁阀；回流电磁阀的下游连接氢/氦气源；防爆电动调节阀的下游连接冷却器，冷却器下游连接回气单向阀和回气过滤器，回气过滤器下游连接氢/氦气源。
优选的，所述的供气系统还包括储气罐，所述储气罐安装在增压输送机与泵吹电磁阀之间。
优选的，泵吹电磁阀下游串联流量计，电磁阀与流量计之间设有温度传感器和压力传感器；涡轮泵动力叶片出口处设有温度传感器和压力传感器，涡轮泵的泵壳靠近涡轮泵动力叶片设有转速传感器；防爆电动调节阀下游连接流量计。
优选的，所述的增压油箱包括壳体、活塞、位移传感器、气体安全阀、排气阀、油液收集盒；活塞安装在壳体内，将壳体分为气腔和油腔；活塞与壳体之间采用密封结构密封，活塞内部设置通孔，该通孔底端连通所述的油腔，顶端通过管路连接排气阀，排气阀下游安装油液收集盒；所述的气腔上设置一个气体安全阀，位移传感器用于监测活塞的运动位置，从而监测油箱液位。
优选的，所述的液压系统包括加注循环泵、两位三通阀、加注手阀、进油过滤器、循环手阀、溢流阀、伺服阀、回油单向阀、回油过滤器；
增压油箱的油腔分两路，一路连接加注手阀一端，一路连接两位三通阀的 K口。两位三通电磁阀共K、Y、W三个口，电磁阀一个工位为K口与W口连通，另一个工位为K口与Y口连通；加注手阀另一端连接进油过滤器的一端，进油过滤器的另一端连接循环手阀的一端，循环手阀的另一端与涡轮泵油腔的入口相连，涡轮泵油腔的出口分两路，一路连接伺服阀的B口，另一路连接溢流阀；溢流阀与伺服阀A口汇合后接入冷却器，通过冷却器后出口连接单向阀，单向阀下游连接回油过滤器，过滤器下游连接增压油箱的油腔；油源连接两位三通阀的W口，两位三通阀的Y口与加注循环泵连接，加注循环泵分两路分别与进油过滤器和加注手阀连接。
优选的，涡轮泵油腔的出口串接流量计Q3后分成两路，涡轮泵油腔的出口与流量计Q3之间设有温度传感器T5和压力传感器P5；伺服阀A口下游设有流量计Q4、温度传感器T6、压力传感器P6，流量计Q3下游的另一路连接溢流阀6，溢流阀6与流量计4出口汇合后连接温度传感器T7和压力传感器P7，然后接入冷却器7，通过冷却器7后出口与流量计Q5串联，冷却器7与流量计 Q5之间设有温度传感器T8和压力传感器P8，流量传感器下游连接单向阀24。
优选的，所述的测控系统按照如下流程控制试验：
发送外部信号至液压系统，将外部液压油加注至增压油箱的油腔，加注到位后发送信号停止加注；
发送外部信号至液压系统，断开液压系统与外部液压油，将增压油箱内的油液充满液压系统内整个管路并完成管路的排气；
发送指令至供气系统，使气源内气体进入增压油箱的气腔，由增压油箱为被试涡轮泵油腔提供初始压力；
开始正式试验，发送指令至供气系统，由供气系统将气体输入被试涡轮泵动力叶片带动其旋转，当被试涡轮泵达到额定转速后，按照试验工况的要求发送指令通过液压系统实现被试涡轮泵负载的调节；当试验完毕后，发送指令至供气系统使增压油箱排气；
试验过程中，采集被试涡轮泵出口油液温度，当油温达到50～160℃，控制供气系统从被试涡轮泵做功后的气体作为冷却介质对液压油进行冷却，冷却后的气体回到气源；当油温低于50℃，被试涡轮泵做功后的气体直接回到气源；冷却过程通过气体流量的调节实现不同的冷却效果。
优选的，本发明系统还包括图像监视系统，包括红外摄像机和监视器，所述红外摄像机将拍摄数据发送至远程监视器进行监控。
优选的测控系统放置在与液压系统，供气系统，试验工装、增压油箱相隔离的其他试验间内，通过远程检测，以保障人员安全。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
本发明通过控制被测涡轮出口气体对液压系统温度进行有效控制，同时，供气系统为循环系统，气体能源可循环使用，从而，实现系统节能并可极大延长涡轮泵的测试时间。液压系统同样为循环闭式系统，通过伺服阀控制涡轮泵油腔出口压力，模拟真实负载情况。具体的本发明系统具备如下特点：
油箱采用气压增压活塞式闭式油箱，油箱加注完成后，通过自循环形式完好系统排气。
油箱压力稳定设计及安全设计。油箱上的气腔部分设有安全溢流阀，由于工作过程中，随着试验的进行，油箱内油的温度会逐渐升高，从而导致系统内液压油的体积变大，此时活塞下方液压油的压力会逐渐大于上方氮气的增压压力，从而推动活塞向上运动直至达到新的平衡，由于在此过程中油箱的增压系统一直处于加压状态，增压系统管路的压力将不断升高，为保证系统安全，在油箱的气腔设置一个气体安全阀，当管路压力因油温升高而超过设定压力时自动打开以降低压力。
通过伺服阀模拟负载具有较好真实性且系统简单易控。
涡轮泵排气冷却液压油路技术。为使设备结构简单，节约能源，冷却器的冷却介质采用对涡轮做功后的低温氢气(或氦气)，以提高冷却效果，冷却后的氢气(或氦气)返回至氢/氦气源进行回收循环利用。
通过防爆电动调节阀来调节进入到冷却器的氢气(或氦气)流量大小调控温度控制效果。
涡轮泵出口设置有溢流阀，保障系统安全。当涡轮泵出口压力超过溢流阀设定值时，溢流阀打开，将涡轮泵出口的油液直接泄回油箱。
测试系统组成包括压力、温度、流量、涡轮转速、涡轮位移等传感器，可对涡轮泵和整个试验台状态进行全面采集。
远程监控，确保人员和设备安全。由于设备运行时具有高危险性，所以本设备带有图像监视系统。它由红外摄像机及液晶监视器组成。红外摄像机安装在液压试验台上面，当外部光线较弱时，红外LED自动启动，适于日夜两用，液晶监视器安装在控制柜内。因为本试验具有一定的危险性，测控系统放置在与液压系统，供气系统，试验工装、增压油箱相隔离的其他试验间内。
轴系振动、涡轮转速、油位超出设置的安全值时系统会报警并自动终止试验。油箱温度、高压气源压力超出设置的安全值时系统报警并可以手动终止试验。
涡轮泵出口的负载阀采用插装阀式结构，上面留有伺服阀的安装面，此设计一方面避免了管路接头的泄漏环节，另一方面也使回路结构紧凑，节省空间。
附图说明
图1涡轮泵试验系统原理图。
具体实施方式
下面结合附图1和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
本发明的试验系统主要分为如下几部分：液压系统，供气系统(包含液压油冷却系统)，试验工艺装置(即试验工装)。
液压系统主要用来向被试涡轮泵入口提供带有一定压力的液压油，通过涡轮泵进气控制阀门的开启来驱动涡轮泵工作，涡轮泵的出口带有模拟负载调节阀，能够对涡轮泵的出口压力进行调节。涡轮泵出口的油液经冷却到指定温度后，回到增压油箱。增压油箱的压力通过气体供应系统来调节。
供气系统用于给油箱增压以及涡轮泵出口液压油的冷却。油箱的增压压力通过压缩氮气实现，通过配气箱将高压氮气过滤并减压后送到油箱上部气腔中，通过控制配气箱内减压阀可使气腔内的压力达到试验所需的0.5～0.8MPa之间的任意值，该配气箱设计加工成一个便携箱体结构，从配气箱到油箱采用金属软管连接。
液压油冷却系统用于对高温液压油进行冷却。涡轮泵对液压油做功，经过负载后，出口液压油温度升高，为节约能源，冷却器的冷却介质采用对涡轮做功后的低温氢气(或氦气)，以提高冷却效果，冷却后的氢气(或氦气)返回至氢/氦气源进行回收循环利用。
试验工艺装置上装有压力，温度，转速，位移传感器，能够采集试验所需的各类参数，送往计算机测试系统。工装的前端和涡轮泵体直接相连，工装的后部和冷却器直接连接。涡轮泵的进油口和出油口均布置在工装上面。
测控系统接收试验工艺系统传送过来的压力，温度，转速，位移，流量等各类传感器数据并进行分析处理，形成满足要求的测试曲线，试验结果具备保存和打印功能。同时对涡轮泵的试验参数以及试验设备的运行状态进行控制。因为本试验具有一定的危险性，所以测控系统放置在与液压系统，供气系统，试验工装、增压油箱相隔离的其他试验间内。
实施例
本实验系统主要由一个试验台架和测控系统组成。试验台架主体主要由增压油箱1、涡轮泵安装支架2、隔板3、涡轮泵油腔4、伺服阀5、溢流阀6、冷却器7、增压输送9、储气罐10、一号减压阀11、手动截止阀12、二号减压阀 13、泵吹电磁阀15、防爆电动调节阀16、回流电磁阀17、加注手阀19、进油过滤器20、循环手阀21、加注循环泵23、两位三通阀22、回油单向阀24、回油过滤器25、回气单向阀26、回气过滤器27、电动排气阀28、增压电磁阀29、温度传感器T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8、T9压力传感器P1、P2、P3、 P4、P5、P6、P7、P8、P9、流量传感器Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、转速传感器 Z1等部分组成。测控系统采集温度传感器、压力传感器和速度传感器等信号，可实现远程数据采集和监控功能。
被测涡轮泵18安装在试验台架的涡轮泵安装支架2上，涡轮泵安装支架2 上设有隔板3，泵壳18-4固定在安装支架2上，涡轮泵泵油叶片18-1和涡轮泵动力叶片18-2分别位于隔板3的两侧，涡轮泵泵油叶片18-1插入涡轮泵油腔4 内，泵油泵油腔4与涡轮泵伸出轴18-3处设有密封4-1，可防止涡轮泵高速旋转时泄漏。
增压油箱1的液压油腔G分两路，一路连接加注手阀19一端，一路连接两位三通阀的K口，加注手阀19另一端连接进油过滤器20的一端，进油过滤器20的另一端连接循环手阀21的一端，循环手阀21的另一端与与涡轮泵油腔 4的入口相连，涡轮泵油腔4的出口串接流量计Q3，涡轮泵油腔4的出口与流量计Q3之间设有温度传感器T5和压力传感器P5，流量计Q3下游分两路，一路连接伺服阀5的B口，伺服阀C口与D口连通，伺服阀A口下游设有流量计Q4、温度传感器T6、压力传感器P6，流量计Q3下游的另一路连接溢流阀6，溢流阀6与流量计4出口汇合后连接温度传感器T7和压力传感器P7，然后接入冷却器7，通过冷却器7后出口与流量计Q5串联，冷却器7与流量计Q5之间设有温度传感器T8和压力传感器P8，流量传感器下游连接单向阀24，单向阀24下游连接回油过滤器25，过滤器25下游连接增压油箱1的液压油腔G；
油源连接两位三通阀的W口，两位三通阀的Y口与加注循环泵23连接，加注循环泵23分两路分别与进油过滤器20和加注手阀19连接。
加注循环泵23主要由电机泵23-1、溢流阀23-2、单向阀23-3组成，溢流阀 23-2用于设定油箱压力，待油箱压力高于溢流阀23-2设定压力时，液压油通过溢流阀23-2回到油源。
增压油箱1主要由壳体1-1、活塞1-2、双道密封1-3、位移传感器1-4、安全阀1-5、排气阀1-6、油液收集盒1-7、气腔H、油腔G组成。
氢气源8连接增压输送机9，增压输送机9分两路一路连接储气罐10，一路连接一号减压阀11。储气罐10下游连接电磁阀15，电磁阀15下游串联流量计Q1，电磁阀15与流量计Q1之间设有温度传感器T1和压力传感器P1，流量计Q1下游连接涡轮泵动力叶片18-2，涡轮泵动力叶片18-2出口分两路分别连接冷却电磁阀16、回流电磁阀17；涡轮泵动力叶片18-2出口处设有温度传感器 T2和压力传感器P2，泵壳18-4靠近涡轮泵动力叶片18-2设有转速传感器Z1；冷却电磁阀16下游连接流量计Q2，流量计Q2下游连接冷却器7，冷却器7下游连接回气单向阀26和回气过滤器27，回气过滤器27下游连接氢气源；
一号减压阀11下游连接单向阀12-1，单向阀12-1下游连接增压油箱1的气腔H；
气源连接减压阀13，减压阀13连接单向阀12-2，单向阀12-2下游连接增压油箱1的气腔H；电动排气阀28一端与增压油箱1的气腔H连通，另一端与大气连通；
氢气涡轮泵长程试验系统液压与供气系统(含液压油冷却系统)原理如图 1所示。具体工作过程及原理如下：
1.液压油加注准备过程
两位三通阀的W口与油源连接，打开电动排气阀28，通过计算机测控系统给两位三通阀23一个外部信号，使W口和Y口连通，关闭循环手阀21，打开加注手阀19，油液在加注循环泵23的作用下被加注到增压油箱1的油腔G，并推动活塞1-2向上运动，活塞的运动位置可由外部位移传感器1-4进行监测。当活塞1-2运行到顶端时停止加注。
2.液压回路排气准备过程
打开循环手阀21，打开加注手阀19，通过计算机测控系统给两位三通阀23 一个外部信号，使其换向Y口和K口连通，W口和Y口断开，使外部液压油与加注循环泵23断开。安装被试涡轮泵18。启动加注循环泵23，油液在加注循环泵23的作用下，经过两位三通阀23，过滤器20，循环手阀21，被试涡轮泵18，流量计Q3，伺服阀5(此时伺服阀应全开)，流量计Q4，冷却器7，流量计Q5，单向阀24，过滤器25回到增压油箱1。此时打开排气阀1-6进行排气，排除的气体含有少量液压油，由油液收集盒1-7进行收集。
3.油箱增压准备过程
关闭电动排气阀28，打开循环手阀21。关闭排气阀1-6，打开加注手阀19。调节一号减压阀11、二号减压阀13使其出口调定在0.5～0.8MPa范围内，打开增压电磁阀29，使气源气体进入封闭式油箱上面的气腔内，压迫活塞1-2向下运动挤压油腔G内液压油经过加注手阀19、过滤器20、循环手阀21后进入涡轮泵油腔4，氢/氦气源通过一号减压阀11也可给增压油箱1增压，可起到冗余作用，或在无气源14的情况下，实现系统的自增压。
4.涡轮泵正式试验
试验时，测控系统启动泵吹电磁阀15，高压氢气(或氦气)从氢/氦气源通过增压输送机9，储气罐10，泵吹电磁阀15，流量计Q1驱动被试涡轮泵的涡轮泵动力叶片18-2，涡轮泵动力叶片18-2通过涡轮泵伸出轴18-3带动18-1 旋转，此时伺服阀5处于全开状态，当被试涡轮泵18达到额定转速后，按照试验工况的要求调节伺服阀5的开度，达到全开、半开、全关等状态，以实现被试涡轮泵18负载的调节。
流量计Q3用于测量从伺服阀5流出的流量大小。如果被试涡轮泵18出口压力超出设计安全值则溢流阀6自动打开，使油排入冷却器7，然后通过流量计Q5、回油单向阀24和回油过滤器25回到增压油箱1的油腔G。流量计Q5 用于测量通过伺服阀5和溢流阀6的流量总和。
随着试验的进行，增压油箱1内油的温度会逐渐升高，从而导致系统内液压油的体积变大，此时活塞1-2下方液压油的压力会逐渐大于H腔增压气体的增压压力，从而推动活塞1-2向上运动直至达到新的平衡，由于在此过程中增压油箱1的增压系统一直处于加压状态，增压系统管路的压力将不断升高，为保证系统安全，在油箱的气腔H设置一个气体安全阀1-5，当管路压力因油温升高而超过设定压力时自动打开以降低压力。当试验完毕后，关闭泵吹电磁阀 15，打开电动排气阀28，使油箱排气。
4.液压油冷却过程
当被试涡轮泵18工作时，被试涡轮泵18对液压油做功，使油温迅速升高，可达到50～160℃，所以需要在伺服阀5后增加冷却器7，对高温液压油进行冷却，要求液压油的温度能够根据试验需要冷却到40℃、80℃、120℃或者150℃等不同的温度级别。为使设备结构简单，节约能源，冷却器7的冷却介质采用对涡轮做功后的低温氢气(或氦气)，以提高冷却效果，冷却后的氢气(或氦气) 安全回到氢/氦气源。通过防爆电动调节阀16来调节进入到冷却器的氢气(或氦气)流量大小，对于多余的氢气(或氦气)通过回流电磁阀17回到氢/氦气源。进入到冷却器的氢气(或氦气)流量大小不同，则冷却器的冷却效果不同，从而实现将液压油冷却到40℃、80℃、120℃或者150℃等不同的温度级别的要求。
5.模拟负载回路工作原理
被试涡轮泵18出口的模拟负载由伺服阀5构成。涡轮泵刚开始工作时伺服阀处于全开状态，当涡轮泵达到额定转速后，按照试验工况的要求调节伺服阀阀芯的开度，达到全开，半开，全关等，以实现进入模拟负载阀的流量的调节。涡轮泵出口设有溢流阀6，溢流阀设定压力29MPa，当被试涡轮泵18出口压力超过溢流阀6设定值时，溢流阀6打开，将涡轮泵出口的油液直接泄回到冷却器7，然后通过流量计Q5，单向阀24，过滤器25回到增压油箱1。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
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