离心泵特性曲线的测定实验

离心泵特性曲线的测定实验 093858 张亚辉 6.1 实验内容 测定—定转速下离心泵的特性曲线。 6.2 实验目的 （1）了解离心泵的结构特点，熟悉并掌握离心泵的工作原理和操作方法。 （2）掌握离心泵特性曲线的测定方法。 （3）学习并掌握用误差理论来确定曲线标绘的坐标比例。 6.3 基本原理 泵是输送液体的机械。工业上选用泵时，—般根据生产工艺要求的扬程和 流量，考虑所输送液体的性质和泵的结构特点及工作特性，来决定泵的类型和型 号。对—定类型的泵而言，泵的特性主要是指泵在—定转速下，其扬程、功率和 效率与流量的关系。 图6-1 离心泵的理论扬程与实际扬程 离心泵是工业上最常用的液体输送机械之—，其结构特点可参阅《化工原 理》教材第二章。离心泵的特性，通常与泵的结构（如叶轮直径的大小，叶片数目及弯曲程度）、泵的转速以及所输送液体的性质有关，影响因素很多。在理论上，为了导出扬程的计算公式，假定液体为理想流体（无黏性），叶片无限多。对于后弯叶片的泵，理论上导出的流量Q和扬程H之间的关系如图6-1中a线所示。实际上，任何液体都是有黏性的，且泵的叶片数也是有限的。因此，液体在通过泵的过程中会产生—定的机械能损失，使离心泵的实际扬程与理论扬程差别很大。 如图6-1所示，由于离心泵叶片数并非无限多，液体在泵内叶片间会产生涡 流，导致机械能损失，此损失只与叶片数、液体黏度、叶片面的粗糙度等因素有关，考虑这些因素后的扬程为图6-1中的b线。实际流体从泵的人口到出口存 在阻力损失，其大小约与流速的平方成正比，亦即约与流量的平方成正比，考虑 到这项损失后的扬程为图6-1中的c线。此外，进人泵中的液体在突然离开叶 轮周边冲人沿泵涡壳流动的液流中，会产生冲击，也造成机械能的部分损失，该 部分损失在泵的设计点处达到最小（图6-1中点P所示）泵的实际流量偏离设计 点愈大，冲击损失便愈大。在考虑到这项损失后，离心泵的实际扬程应为图6-1 中的曲线d。 显然，以上讨论的机械能损失在理论上是难以计算的。因此，离心泵的特性 只能采用实验的方法实际测定。 如果在泵的进口管和出口管处分别安装上真空表和压力表，则可根据柏努 利方程得到扬程的计算公式 -式①中，h0———二测压点截面之间的垂直距离，m； P1———真空表所处截面的绝对压力，MPa； P2———压力表所处截面的绝对压力，MPa； u———泵进口管流速，m/s； u2———泵出口管流速，m/s； H———泵的实际扬程，m。 由于压力表和真空表的读数均是表示两测压点处的表压，因此，式①可表 示为 式③、④中的P2和P1分别是压力表和真空表的显示值。 注意，工业上使用的真空表有的是以mmHg为单位的，计算时要进行单位 换算。 离心泵的进、出口管直径—般是相同的，因此，扬程He的最终计算式为 离心泵的效率为泵的有效功率与轴功率之比值， 式⑥中 η———离心泵的效率； Ne———离心泵的有效功率，kW； N轴———离心泵的轴功率，kW。 有效功率可用下式计算 轴功率可用马达天平仪实际测定。 泵的轴功率是由泵配置的电机提供的，而输人电机的电能在转变成机械能 时亦存在—定的损失，因此，工程上有意义的是测定离心泵的总效率（包括电机 效率和传动效率）。 实验时，使泵在—定转速下运转，测出对应于不同流量的扬程、电机输人功 率、效率等参数值，将所得数据整理后用曲线表示，即得到泵的特性曲线。 要知道，离心泵的特性与泵的转速有关，转速不同，泵的流量、扬程、功率、效 率等也将不同，亦即离心泵的特性曲线要相应发生改变。工业上，广泛利用出口 阀门调节离心泵的流量，实际上是利用阀门的开度改变系统的阻力，从而达到调 节的目的。从能量利用的角度看，这种方法并不合理。随着变频调速技术的完 善，通过改变泵的转速来达到调节流量的方法在工业领域越来越多地被采用，这 在经济上更为合理。 应指出的是，根据上述实验原理测定的结果只是反映了离心泵本身在—定 转速下的特性。在工业应用中，液体的输送实际是由离心泵和管路系统共同完 成的，泵的实际流量和扬程不仅与离心泵的特性有关，还取决于管路系统的特性 （阻力与流量之间的关系）。以上所论及的阀门调节，实际上是在离心泵特性曲 线不变的情况下通过改变管路特性曲线来达到流量调节的目的；而通过改变泵的转速调节流量的办法，实际上是在管路特性曲线不变的情况下改变泵的特性 曲线来实现流量的调节。因此，脱离特定的管路条件讲离心泵的流量或扬程是 没有意义的。通常生产厂家给出的泵特性曲线是在进、出口管路直径与泵的进、 出口直径相同的情况下测定的，离心泵铭牌上给出的参数值只是指泵在最高效 率点的流量和扬程。 6.4 实验设计 实验设计包括实验操作方案的确定，数据测试点及测试方法和操作控制点 及控制方法的确定，以及实验装置的设计。 实验方案 用自来水做实验物料；在离心泵转速—定的情况下，测定不同流量下离心泵 进、出口的压力和电机功率，即可由式⑥、⑧和⑨计算出相应的扬程、功率和效 率；在实验布点时，要考虑到泵的效率随流量变化的趋势。 测试点及测试方法 根据实验基本原理，需测定的原始数据有：泵两端的压力P1和P2，离心泵电机功率Ne、流量Q、水温t（以确定水的密度），以及进出口管路的管径d1和 d2，据此可配置相应的测试点和测试仪表。 离心泵出口压力P2由压力表测定。 离心泵人口压力P1由真空表测定。 流量由装设在管路中的涡轮流量计测定，涡轮流量计在安装时，必须保证仪 表前后有足够的直管稳定段和水平度，涡轮流量计的二次显示仪表采用数字式 电子仪表，其流量计算式为 其中 Q———流量，L/s； f———流量计的转子频率； ξ———涡轮流量计仪表系数。 电机功率采用数字式仪表测量。由于仪表显示的是单相的电机输人功率， 因此 Ne =15（相数）×显示读数（kW） 水的温度用水银温度计测定，温度计安装在泵出口管路的上方。 原始数据表格式如表6-1所示。 表6-1 离心泵特性曲线测定原始数据表 实验装置号：NO. 1  ，进口管径d1  40  mm，出口管径d2  25  mm，h0 108 mm NO 流量x10-3（m3/s） P1（MPa） P2（MPa） Pa(W) u1(m/s) u2(m/s) He(m) Pe(kw) 效率 1.00 3.14 0.02 0.13 1455.00 2.50 6.40 16.90 0.53 0.36 2.00 3.06 0.02 0.14 1440.00 2.43 6.23 17.90 0.55 0.38 3.00 2.92 0.02 0.15 1410.00 2.32 5.95 18.60 0.54 0.39 4.00 2.76 0.02 0.15 1417.50 2.20 5.62 18.40 0.51 0.36 5.00 2.54 0.02 0.16 1365.00 2.02 5.17 18.70 0.47 0.35 6.00 2.43 0.01 0.17 1372.50 1.93 4.95 19.50 0.47 0.35 7.00 2.23 0.01 0.18 1335.00 1.77 4.54 19.70 0.44 0.33 8.00 2.07 0.01 0.18 1305.00 1.65 4.22 20.10 0.42 0.32 9.00 1.88 0.01 0.19 1245.00 1.50 3.83 20.50 0.39 0.31 10.00 1.68 0.01 0.20 1200.00 1.34 3.42 20.80 0.35 0.29 11.00 1.48 0.01 0.20 1125.00 1.18 3.01 21.00 0.31 0.27 12.00 1.32 0.00 0.20 1117.50 1.05 2.69 20.80 0.27 0.25 13.00 1.17 0.00 0.20 1080.00 0.93 2.38 20.70 0.24 0.22 14.00 0.97 0.00 0.20 1050.00 0.77 1.98 20.60 0.20 0.19 15.00 0.77 0.00 0.20 975.00 0.61 1.57 20.40 0.16 0.16                     据上表画出如下He-qv, P-qv, η-qv曲线，曲线没有像上真实曲线那样漂亮，说明此次实验的误差较大。对此误差，我觉得主要是压力表读数造成的。 He-qv 曲线 流量增加，扬程逐渐减小。不同型号的泵，曲线的形式不同，有的平缓，有的陡峭，与泵的结构有关。 P-qv 曲线 流量增加时，功率也随之增加；当流量等于零时，功率最小。所以泵在启动时，应关闭出口阀门，式泵在最低功率下启动，一名，以免电动机超载。 η-qv曲线 随着流量的增加，效率也随之上升；达到峰值以后，流量增加，泵的效率反而下降。 控制点和调节方法 实验中控制的参数是流量Q，可用调节阀来进行控制调节。为了保证系统 满灌，将控制阀安装于出口管路的末端。 实验装置及流程 主要设备： 离心泵 循环水箱 涡轮流量计 流量调节阀 压力表 真空表 温度计 实验装置流程如图6-2所示，由离心泵和进出口管路、压力表、真空表、流量 计和调节控制阀组成测试系统。实验物料为自来水，为节约起见，配置水箱循环 使用。为了保证离心泵在启动时满灌，排除泵壳内的空气，在泵的进口管路末端 安装有止逆底阀。 6.5 实验操作要点 （1）首先打开引水阀引水灌泵，并打开泵体上的排气阀排除泵内的气体，确认泵已灌满且其中的空气已排净，关闭引水阀和泵的排气阀。 （2）在启动泵前，要关闭出口控制阀和显示仪表电源开关，以使泵在最低负 荷下启动，避免启动脉冲电流过大而损坏电机和仪表。 （3）启动泵，然后将控制阀开至最大以确定实验范围，在最大的流量范围内 合理布置实验点（怎样布置？为什么？）。 （4）将流量调至某—数值，待系统稳定后，读取并记录所需数据（包括流量 为零时的各有关参数）。 （5）实验结束时，先将控制阀关闭，再关闭电机电源开关和总电源。 6.7 思考题 （1）离心泵在启动前为什么要引水灌泵？如果已经引水灌泵了，离心泵还 是不能正常启动，你认为是什么原因？ 如果不进行灌泵，会出现“气缚”现象。如果已经引水灌泵了，离心泵还 是不能正常启动，可能是泵内有气泡，导致“气蚀”现象