CN101696684A - 自循环台式泵特性实验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自循环台式泵特性综合实验系统，它具有供水箱，供水箱设有透明进水管道，进水管道分岔后与两实验泵进口相接；进水管道设有进水阀和压力真空表，两实验泵连接功率表，两实验泵出口分别连接稳压罐，稳压罐设有压力表、出水管道，两出水管道经交汇后连接输水管道，输水管道与供水箱相接，输水管道上设有文透利流量计，文透利流量计上设有测压计。本发明采用了独立自循环恒压供水系统，小巧精致，且只需220V市电支持，操作便捷；独有的进口调压设计技术，汽蚀现象一目了然；首创了在教学实验中全程测定泵性能曲线、串并联性能实验及正确的吸水条件实验。

Description

自循环台式泵特性实验系统

技术领域

本发明涉及实验量测仪器，尤其涉及一种自循环台式泵特性综合实验系统。

背景技术

对应某一额定转速n，泵的实际扬程H，轴功率N，总效率η与泵的出水流量Q之间的关系以曲线表示，称为泵的特性曲线，它能反映出泵的工作性能，可作为选择泵的依据。当一台泵单独工作不能满足用户流量和扬程的需要时，可用两台或两台以上的水泵共同工作，这种共同工作可以有并联，也可以有串联。

泵特性实验包括泵特性曲线、泵的串联工作、泵的并联工作实验等几部分，是机械流体力学学专业重要教学内容之一。然而传统的泵特性实验，几乎没有专门的实验设备，或者直接延用生产设备，故存在着一定弊端：其一，直接延用的设备庞大，往往需要建设专门水池及大功率动力电源，由此带来的设备运行维护复杂，运行成本也较高；其三，进口水压调节困难，断裂工况现象难实现；其三，受设备流量、压力等制约，只能对部分工作段进行测量，无法实现全程测量。因此，实验效果大打折扣。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种自循环台式泵特性综合实验系统。

发明的目的是提供自循环台式泵特性综合实验系统具有供水箱，在供水箱下方设有透明进水管道，进水管道另一端经分岔后分别与第一实验泵、第二实验泵进口相接；在进水管道上设有第一进水阀和压力真空表，第二实验泵处设有第二进水阀；第一实验泵与第二实验泵连接功率表，转速表用于测定第一实验泵、第二实验泵电机转速；第一实验泵出口连接第一稳压罐，第一稳压罐设有第一压力表、第一出水管道、第三出水管道；第二实验泵出口连接第二稳压罐，第二稳压罐设有第二压力表和第二出水管道；第三出水管道另一端与第二实验泵进口连接；第一、第二、第三出水管道分别设有第四流量调节阀、第五流量调节阀、第三进水阀；第一出水管道、第二出水管道经交汇后连接输水管道，输水管道另一端与供水箱相接，输水管道上设有文透利流量计，文透利流量计上设有测压计。

所述的供水箱内设置水过滤系统及稳压装置，供水箱容积要求大于10倍第一实验泵与第二实验泵流道容积之和；

所述的透明进水管道的管径要求同时开启第一实验泵与第二实验泵，在最大出流工况下，保证管道内流速水头低于10cm水柱。

本发明与现有技术相比，具有的有益效果：

1)独立的自循环恒压供水系统，无须专门实验场地建设，并采用220V二相市电，功率小，节约资源；

2)精简实验装置，突出各个实验环节，实验运行思路一目了然，操作简便直观，适合于现代教学要求；

3)采用专门的进口调压设计，实现在水头恒定前提下水泵进口端压力从常压到临界真空的无级调控，可轻松实现泵在运行过程中的汽蚀现象，测定正确的吸水条件。

4)首创了在教学实验中运用小型装置，全程测定泵性能曲线，泵的串、并联性能实验，以及确定泵正确的吸水条件实验，这是以往实验设备无法实现的。

附图说明

图1是自循环台式泵特性综合实验系统结构示意图；

图2是泵串联工作特性曲线图；

图3是泵并联工作特性曲线图。

图中：第二出水管道1、第五流量调节阀2、第二实验泵3、功率表4、第一实验泵5、第一出水管道6、第四流量调节阀7、输水管道8、文透利流量计9、测压计10、供水箱11、第二压力表12、第二稳压罐13、转速表14、第二进水阀15、第三进水阀16、第三出水管道17、第一稳压罐18、透明进水管道19、压力真空表20、第一压力表21、第一进水阀22

具体实施方式

如图1所示，自循环台式泵特性综合实验系统具有供水箱11，在供水箱11下方设有透明进水管道19，进水管道19另一端经分岔后分别与第一实验泵5、第二实验泵3进口相接；在进水管道19上设有第一进水阀22和压力真空表20，第二实验泵3处设有第二进水阀15；第一实验泵5与第二实验泵3连接功率表4，转速表14用于测定第一实验泵5、第二实验泵3电机转速；第一实验泵5出口连接第一稳压罐18，第一稳压罐18设有第一压力表21、第一出水管道6、第三出水管道17；第二实验泵3出口连接第二稳压罐13，第二稳压罐13设有第二压力表12和第二出水管道1；第三出水管道17另一端与第二实验泵3进口连接；第一、第二、第三出水管道6、1、17分别设有第四流量调节阀7、第五流量调节阀2、第三进水阀16；第一出水管道6、第二出水管道1经交汇后连接输水管道8，输水管道8另一端与供水箱11相接，输水管道8上设有文透利流量计9，文透利流量计9上设有测压计10。

所述的供水箱11内设置水过滤系统及稳压装置，供水箱11容积要求大于10倍第一实验泵5与第二实验泵3流道容积之和；

所述的透明进水管道19的管径要求保证同时开启第一实验泵5与第二实验泵3，在最大出流工况下，管道内流速水头底于10cm水柱。

本发明的工作过程是：通电启动实验泵，供水箱内水体被抽入各水泵内，提压后分别输入相应的稳压罐内，再经输水管道回到供水箱内。水泵电机转速有专门转速表测得，水泵电机功率由功率表测得，输水管道内设置文透利流量计可测得实验泵输水流量；通过调节各个阀门开关，分别可实现单泵特性曲线实验、双泵串联性能实验、双泵串联性能实验。

一、泵的特性曲线实验

本发明的实验，泵的特性曲线可用下列三个函数关系表示

H＝f₁(Q)；N＝f₂(Q)；η＝f₃(Q)

这些函数关系均可由实验测得，其测定方法如下：

1)流量Q(10^-6m³/s)

用文丘里流量计12、电测仪16测量，并据下式确定Q值

Q＝A(Δh)^B    (1)

式中：A、B——预先经标定得出的系数，随仪器提供；

Δh——文丘里流量计的测压管水头差，由压差电测仪16读出(单位cm水柱)；

Q——流量(10^-6m³/s)

2)实际扬程H(m水柱)

泵的实际扬程系指水泵出口断面与进口断面之间总能头差，是在测得泵进、出口压强，流速和测压表表位差后，经计算求得。由于本装置内各点流速较小，流速水头可忽略不记，故有：

H＝102(h_d-h_s)         (2)

式中：H——扬程(m水柱)；

h_d——水泵出口压强(MPa)；

h_s——水泵进口压强(MPa)，真空值用“-”表示。

3)轴功率(泵的输入功率)N(W)

N＝P₀·η_电       (3)

P₀＝K·P          (4)

式中：K——功率表表头值转换成实际功率瓦特数的转换系数；

P——功率表读数值(W)；

η_电——电动机效率；

a、b、c、d——电机效率拟合公式系数，预先标定提供。

4)总效率η

$\mathrm{\η}=\frac{\mathrm{\ρgHQ}}{N}\×100\%---\left(6\right)$

式中：ρ——水的容重1000kg/m³；

g——重力加速度(g＝9.8m/s²)。

5)实验结果按额定转速的换算

如果泵实验转速n与额定转速n_sp不同，且转速满足|(n-n_sp)/n_sp×100％|＜20％，则应将实验结果按下面各式进行换算；

$Q_0=Q\left(\frac{n_{\mathrm{sp}}}{n}\right)---\left(7\right)$

$H_0=H{\left(\frac{n_{\mathrm{sp}}}{n}\right)}^2---\left(8\right)$

$N_0=N{\left(\frac{n_{\mathrm{sp}}}{n}\right)}^3---\left(9\right)$

η₀＝η               (10)

式中带下标“0”的各参数都指额定转速下的值。

试验分析与讨论

1)对本试验装置而言，泵的实际扬程(总扬程)即为进出口压强差。

实际扬程H是指单位重量液体从泵进口到泵出口所增加的能量，也就是重量为1N(牛顿)的液体通过泵后所获得的能量总增量，并规定其单位用米水柱表示。H计算公式是：

$H=\frac{P_d-P_s}{\mathrm{\ρg}}+\frac{{\mathrm{\υ}}_d^2-{\mathrm{\υ}}_s^2}{2g}+(Z_d-Z_s)$

式中：P_d、P_s——泵出口和进口液体的相对压强；

v_d、v_s——泵出口和进口处液体的流速；因其数值较小，在本装置中可忽略不记；

Z_d、Z_s——检测进口与出口处压强的测压表系任选基准面的高程。

按国际标准，测压表表值以“Pa”(帕)为压强单位，式(2)中的h_d、h_s分别表示本实验用测压表的读值(MPa)，换算成米水柱为单位时，即有：

1MPa＝102mH₂O

由于本实验表位差为零，且v_d＝v_s，故得(2)式，即：

H＝102(h_d-h_s)(mH₂O)

根据实验标准规定，计算泵扬程的进、出口断面应指泵出口法兰和泵入口法兰处，同时又规定，实际测压点的位置应在离泵法兰2D以外(D为泵进口、出口管直径)的平顺段上，故由(2)式算得的H值应加上测点至泵法兰之间的水头损失H_f。但若H_j＜0.002H(B级精度)或H_f＜0.005H(C级精度)时，则可不予修正。对本实验系统，测点至泵进出口法兰的流程之和l约为40cm，若以H＝13m的工况点为例，有v²/2g＝0.063m，取阻力系数λ＝0.02，则由式

$H_f=\mathrm{\λ}\frac{l}{d}\frac{{\mathrm{\υ}}^2}{2g}$

可得H_f＝0.025m＜0.002H，故本实验系统H按(2)式计算即可。

2)当水泵入口处真空度达7～8mH₂O左右时，泵的性能明显恶化，试分析原因。

这种情况下，泵叶轮内的最低压强已接近或达到了水的饱和蒸汽压强，即水泵开始出现气化空穴现象，当空化造成的汽穴空间较大而阻碍过流时，即会影响泵的外特性而出现“断裂工况”，使性能迅速恶化。从本实验h_s＝-7.8m的测点情况看，它的试验值均偏离特性曲线较多，泵的工作效率明显下降，表明在该工况下，试验泵已出现了“断裂工况”，空化现象已十分严重，在本仪器的透明吸水管中可观察到空化现象。

3)由实验知泵的出水流量越大，泵进口处的真空度也越大。

原因有二。一是流速水头增大了，压能减小；二是由于流速水头增大，泵吸水管进口处到水泵进口处之间的水头损失也随之增大，压能即随之减少。因而泵的出水流量越大，则泵进口处的真空度也越大。

4)本实验泵装机高程能否高于吸水井水面8m？为什么？

若泵吸水管的垂直高度Z_s达到7～8m，那么它的实际吸程h_s为：

$H_s=Z_s+H_W+\frac{{\mathrm{\υ}}^2}{2g}$

上式中的H_W是吸水管的水头损失，υ²/2g是吸水管的流速水头。显然，h_s大于7～8m水柱。而根据试验结果看，该水泵h_s达到7～8m时，已明显发生空化现象，水泵已在非正常状态下运行，这种状态下运行，不仅效率很低，噪声与振动均很大，且长时间运行的结果势必将造成叶轮等部位的空蚀破坏。因此本试验泵的装机高程，最多只能6m左右。

二、双泵的串联实验

前一台水泵的出口向后一台泵的入口输送流体的工作方式，称之为水泵的串联工作。

水泵的串联意味着水流再一次得到新的能量，前一台水泵把扬程提到H₁后，后一台水泵再把扬程提高H₂。即已知水泵串联工作的两台或两台以上水泵的性能曲线函数分别为H₁＝f₁(Q₁)、H₂＝f₁(Q₂)、...，则水泵串联工作后的性能曲线函数为在流量相同情况下各串联水泵的扬程叠加：

H＝f(Q)＝f₁(Q₁)+f₂(Q₂)+...＝H₁+H₂+...

试验分析与讨论

1)当两台泵的特性曲线存在差异时，两泵串联系统的特性曲线与单泵的特性曲线之间应当存在怎样关系？

水泵的串联意味着水流再一次得到新的能量，前一台水泵把某一流量的扬程提高到H₁后，后一台水泵再将其扬程提高H₂。因此，当两台泵的特性曲线存在差异时，两泵串联系统的特性曲线为串联系统内各单泵在流量相同情况下，水泵扬程的叠加。

2)试分析泵串联系统中两泵之间的管道损失对实验数据的影响。

串联系统中两台泵的总扬程为1^#泵吸水管进口测点和2^#泵出水口测点的水头差，这就将两泵之间的管道损失h’w计入了水泵的水力损失中，这与单泵运行情况存有差异，当小流量时，由于h’w较小，对实验结果影响可予忽略，均符合H₁+H₂＝H的关系，而当大流量时，h’w较大，对实验结果也影响较大。

3)分析讨论在实际管路系统中，两台同性能泵在串联工作时，其扬程能否增加一倍？试分析原因。

根据实验结果，两台同性能泵在相同流量下串联工作时，总扬程符合两台单泵扬程相加的关系。如附图2所示为两台性能相同泵串联工作特性曲线。其中R₁₊₂为依据流量相等扬程相加原则得出的串联泵的合成特性曲线。R为实际泵站系统中输水管道各阀门开度不变条件下的管道特性曲线。交点A和A₂分别是两泵串联工况点和一台泵在该系统中单独工作时的工况点。显然H_A＝2H₁＜2H₂。也就是说两台泵串联运行时总扬程没有成倍地增加，这是由于工作点沿管道特性曲线R移动的缘故。附图2还可看出，串联运行时总流量Q_A要大于单台泵运行时的流量Q₁。

4)若要将Q～H曲线转换成Q₀～H₀曲线，应如何实验？实验结果有和异同？

本实验要求测定两台泵在串联工作时流量Q～扬程H特性曲线，是在水泵实际转速条件下测定的，若要测定额定转速条件下的流量Q₀～扬程H₀特性曲线，则实验要作如下调整：

首先，分别测定在某流量下各单泵的实际转速n、实际扬程H，并将Q、H转换成额定转速情况下的Q₀、H₀。然后，进行双泵串联工作，调节流量使接近为单泵运行时的实际流量Q，根据双泵实际转速，微调阀门，使双泵运行时的额定流量达到单泵运行状态下的额定流量Q₀。测出相应流量下的实际扬程H，并转换为额定扬程H₀。最后根据所记录的各组Q₀、H₀绘制流量Q₀～扬程H₀特性曲线。

将本实验的Q～H曲线与单泵时的Q₀～H₀曲线相比较，我们可以清晰地看到，不管是单泵运行还是双泵串联运行，在某给定流量下，泵的实际转速基本保持不变，也就是说，(n_sp/n)恒定，且本实验泵的额定转速n_sp＝2850r/min，而实际转速在2900～2650r/min之间，即(n_sp/n)＝0.98～1.08，(n_sp/n)²＝0.97～1.16。由此可知，Q～H与Q₀～H₀两条曲线基本相同，只是在斜率上稍有点差异。

三、双泵的并联实验

两台或两台以上的水泵向同一压力管道输送流体的工作方式，称之为水泵的并联工作。

水泵在并联工作下的性能曲线，就是把对应同一扬程H值的各个水泵的流量Q值叠加起来。若两台或两台以上水泵的性能曲线函数关系已知，分别为H₁＝f₁(Q₁)、H₂＝f₁(Q₂)、...，这样就可得到两台或两台以上水泵并联工作的性能曲线函数关系：

H＝f’₁(Q₁+Q₂)

试验分析与讨论

1)当两台泵的特性曲线存在差异时，两泵并联系统的特性曲线与单泵的特性曲线之间应当存在怎样关系？

如两台水泵的特性曲线存在差异，且已知分别为Q₁～H₁、Q₂～H₂，则两泵并联系统的特性曲线的绘制，就是把对应同一扬程H值时的各泵的流量值Q₁、Q₂叠加起来。

2)分析讨论在实际管道系统中，两台同性能泵在并联工作时，其流量能否增加一倍？试分析原因。

如附图3所示为两台性能相同泵并联工作特性曲线。R₁(R₂)是两台泵H～Q曲线的重合线。R₁₊₂是两泵并联的H～Q合成特性曲线。由于并联后两泵的扬程相等，R₁₊₂相当于同一扬程之各点的横坐标(流量)相加。曲线R是输水管道各阀门开度不变条件下的管道特性曲线。过R₁₊₂与R的交点A是双泵并联工作时的工况点，过A点作一水平线，交R₁线为A₁点，与A₁点相对应的流量Q。

$Q=Q_1=Q_2=\frac{1}{2}{Q}_A$

当一台泵在该系统单独工作时，A₂为工况点，此时Q′₁＞Q₁。即2Q₁＝Q_A＜2Q′₁。因此，并联工作时的总流量并非成倍增加，也就是说流量要比两台单独泵在同一系统中单独工作的流量之和为小，这主要是由于并联之后流量增大，管道阻力增加的缘故。

3)若要将Q～H曲线转换成Q₀～H₀曲线，应如何实验？实验结果有和异同？

本实验要求测定两台泵在并联工作时流量Q～扬程H特性曲线，是在水泵实际转速条件下测定的，若要测定额定转速条件下的流量Q₀～扬程H₀特性曲线，则实验要作如下调整：

首先，分别测定在某扬程H下各单泵的实际转速n、实际流量Q，并将Q、H转换成额定转速情况下的Q₀、H₀。然后，进行双泵并联工作，分别调节扬程使接近单泵运行时的实际扬程H，根据各个泵实际转速，分别微调4^#、5^#阀门，使各个实验泵在双泵运行时的额定扬程H₀达到单泵运行状态下的额定扬程H₀。测出相应扬程下的实际流量Q，并转换为额定流量Q₀。最后根据所记录的各组H₀、Q₀绘制流量Q₀～扬程H₀特性曲线。

将本实验的Q～H曲线与单泵时的Q₀～H₀曲线相比较，我们可以清晰地看到，不管是单泵运行还是双泵并联运行，在某给定扬程下，实际流量较恒定，泵的实际转速也基本保持不变，也就是说，(n_sp/n)恒定，且本实验泵的额定转速n_sp＝2850r/min，而实际转速在2900～2650r/min之间，即(n_sp/n)＝0.98～1.08，(n_sp/n)²＝0.97～1.16。由此可知，Q～H与Q₀～H₀两条曲线基本相同，只是在斜率上稍稍有点差异。

Claims (3)

1.一种自循环台式泵特性综合实验系统，其特征在于它具有供水箱(11)，在供水箱(11)下方与透明进水管道(19)相接，透明进水管道(19)经分岔后分别与第一实验泵(5)、第二实验泵(3)进口相接；在透明进水管道(19)上设有第一进水阀(22)和压力真空表(20)，第二实验泵(3)处设有第二进水阀(15)；第一实验泵(5)与第二实验泵(3)连接功率表(4)，转速表(14)用于测定第一实验泵(5)、第二实验泵(3)电机转速；第一实验泵(5)出口连接第一稳压罐(18)，第一稳压罐(18)设有第一压力表(21)、第一出水管道(6)、第三出水管道(17)；第二实验泵(3)出口连接第二稳压罐(13)，第二稳压罐(13)设有第二压力表(12)和第二出水管道(1)；第三出水管道(17)与第二实验泵(3)进口连接；第一出水管道(6)设有第四流量调节阀(7)、第二出水管道(1)设有第五流量调节阀(2)、第三出水管道(17)设有第三进水阀(16)；第一出水管道(6)、第二出水管道(1)经交汇后连接输水管道(8)，输水管道(8)与供水箱(11)相接，输水管道(8)上设有文透利流量计(9)，文透利流量计(9)上设有测压计(10)。

2.根据权利要求1所述的一种自循环台式泵特性综合实验系统，其特征在于，所述的供水箱(11)内设置水过滤系统及稳压装置，供水箱(11)容积要求大于10倍第一实验泵(5)与第二实验泵(3)流道容积之和。

3.根据权利要求1所述的一种自循环台式泵特性综合实验系统，其特征在于，所述的透明进水管道(19)的管径要求保证同时开启第一实验泵(5)与第二实验泵(3)，在最大出流工况下，管道内流速水头底于10cm水柱。

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