（化工过程机械专业论文）回转动力泵试验装置研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 回转动力泵在国民经济的各项生产中应用十分广泛，目前回转动力泵的设计、 改进及选型主要依靠泵的性能试验，因此提高回转动力泵试验装置的稳定性和流 量测量精度对提高泵类产品质量及节约能源都具有重要意义。 本文首先设计了一个开式试验装置，进行提高试验装置稳定性和提高流量测 量精度的试验研究，再利用研究成果进行回转动力泵闭式试验装置的优化设计， 最后根据试验结果对所设计回转动力泵闭式试验台进行不确定度分析。 提高回转动力泵试验装置稳定性的研究主要是减小测量时泵扬程波动幅度的 试验研究，通过改变试验泵的入口条件，即改变水箱容积、水位高度、增加稳流 栅和改变泵流量几种方案，研究扬程波动与泵入口条件的关系。研究表明：扬程 的波动幅度随泵入口条件的改变而改变，降低泵的入口流速、改善入口流态和增 加液体在储液装置中的停留时间都可以减小扬程波动。 选择流速充分发展为轴对称分布的截面进行流量测量，可以减小流量测量误 差提高测试精度。通过用皮托管测量出口管中不同截面上的动压研究出口管中流 速分布规律，确定出口管中流速呈轴对称分布截面的位置。研究表明：流速在直 管中经过1 6 4 d n 的发展后基本呈轴对称分布状态。 根据试验装置稳定性研究和提高流量测量精度研究的成果优化设计回转动力 泵闭式试验装置，合理布局泵测试平台现场及控制系统。在所设计的回转动力泵 闭式试验装置上进行了大量的试验，根据试验结果对试验装置进行不确定度分析。 分析结果显示：系统流量、扬程、转速、效率的不确定度均达到g b t3 2 1 6 2 0 0 5 回转动力泵水力性能验收试验1 级和2 级标准中的1 级精度要求。 关键词：回转动力泵，稳定性研究，速度分布，试验台优化设计，不确定度分析 江苏大学硕士学位论文 a bs t r a c t r o t o d y n a m i cp u m ph a saw i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n si nt h en a t i o n a le c o n o m i c i n d u s t r i e s a tp r e s e n tt h ed e s i g n ，i m p r o v e m e n ta n ds e l e c t i o no fr o t o d y n a m i cp u m p s m a i n l yr e l yo np e r f o r m a n c et e s t ，h e n c et oi m p r o v et h es t a b i l i t ya n dl e v e lo fa c c u r a c y o ft h ep u m pt e s td e v i c eh a v eg r e a ts i g n i f i c a n c eo ni m p r o v i n gp r o d u c tq u a l i t ya n d e n e r g ys a v i n g i nt h i sp a p e r , a l lo p e nt e s te q u i p m e n tw a sd e s i g n e df o re x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho f e n h a n c i n gt h ee q u i p m e n ts t a b i l i t ya n di m p r o v i n gt h ef l o wm e a s u r e m e n ta c c u r a c y , t h e nd e s i g n e dac l o s e dr o t o d y n a m i cp u m pt e s td e v i c ea c c o r d i n gt ot h er e s e a r c hr e s u l t s ， f i n a l l yt h eu n c e r t a i n t yo ft h ed e s i g n e dc l o s e dr o t o d y n a m i cp u m pt e s td e v i c ew a s a n a l y z e da c c o r d i n gt ot h et e s tr e s u l t s s t u d yo ni m p r o v i n gt h es t a b i l i t yo ft h er o t o d y n a m i cp u m pt e s td e v i c em a i n l y f o c u s e so nr e d u c i n gt h em e a s u r e m e n tf l u c t u a t i o n so ft h ep u m ph e a d r e s e a r c ht h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ep u m ph e a df l u c t u a t i o na n dt h ep u m pi n l e tc o n d i t i o n sb y c h a n g i n gt h ep u m pi n l e tc o n d i t i o n s ，s u c ha s ，t h ew a t e rt a n kc a p a c i t y , t h ew a t e rl e v e l h e i g h t ，t h ep u m pc a p a c i t ya n da d d i n gt h es t e a d yf l o wg a t e t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ： t h ep u m ph e a df l u c t u a t i o nc h a n g e sw i t ht h ep u m pi n l e tc o n d i t i o n s ，w h i c hc a nb e r e d u c e db yr e d u c i n gt h ee n t r a n c eo ft h ep u m pf l o wr a t e ，i m p r o v i n gt h ei m p o r tf l o w p a t t e r na n di n c r e a s i n gt h ei nt h er e s i d e n c et i m eo ft h el i q u i di nt h er e s e r v o i rf l u i d d e v i c e s c h o s e nt h es e c t i o nw h i c hf l o wv e l o c i t yf u l l yd e v e l o p e di n t oa x i s y m m e t r i c d i s t r i b u t i o nt om e a s u r ef l o wc a nr e d u c em e a s u r e m e n te r r o r sa n di m p r o v et e s t i n g a c c u r a c y d y n a m i cp r e s s u r e so fd i f f e r e n ts e c t i o n sw e r em e a s u r e db yp i t o tt u b e st o s t u d yt h ev e l o c i t yd i s t r i b u t i o no fd i s c h a r g ep i p ea n df i n dt h ev e l o c i t yf u l l yd e v e l o p e d i n t oa x i s y m m e t r i cd i s t r i b u t i o n ss e c t i o n t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ：v e l o c i t yo ff l u i d f u l l yd e v e l o p e di n t oa x i s y m m e t r i cd i s t r i b u t i o na f t e rp a s s i n g1 6 4 d ni ns t r a i g h tt u b e a c c o r d i n gt os t a b i l i t ya n ds p e e dr e s e a r c h ，t h er o t o d y n a m i cp u m pd o s e dt e s t d e v i c ew a so p t i m i z e d ，t h eo n - s i t ep u m pt e s tp l a t f o r ma n dc o n t r o ls y s t e mw e r er a t i o n a l a r r a n g e d c a r r i e do u tl a r g en u m b e ro ft e s t so nt h ed e s i g n e dt e s tp l a t f o r ma n dd o i i u n c e r t a i n t ya n a l y s i s a n a l y s i ss h o w e dt h a t ：t h eu n c e r t a i n t yo fp u m pc a p a c i t y , p u m p h e a d ，r e v o l u t i o ns p e e da n dp u m pe f f i c i e n c ya l lc o n t e n t e dt h e l a c c u r a c yd e m a n do f g b t3 2 1 6 - 2 0 0 5 k e y w o r d s ：r o t o d y n a m i cp u m p ，s t a b i l i t ys t u d y , v e l o c i t y , t e s td e v i c eo p t i m a l d e s i g n ，u n c e r t a i n t ya n a l y s i s ! i i 江苏大学硕士学位论文 符号表 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密囱。 学位论文作者签名：指导教师签名： 年月 日年 月 日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：年月日 江苏大学硕士学位论文 1 1 课题的目的和意义 第一章绪论 回转动力泵主要包括离心泵、混流泵和轴流泵【1 】( 以下简称“泵) 。泵在农 田排灌、水利水电、石油化工、海水淡化、制药和航空航天等行业中都起到了不 可替代的作用。目前，泵的设计依然停留在半理论、半经验和试验验证即“设计 试制试验改进 阶段【m j ，其中进行水力试验仍然是泵开发人员获 得泵技术数据的基本手段。因此试验研究在泵的发展中具有十分重要的作用，很 多资料也明确表明【5 j ，泵试验研究水平在很大程度上说明了泵生产和研究单位在 泵设计及其生产上的能力。 试验台的测试准确度和灵敏度是试验台技术性能中最主要的综合技术指标， 并且只有在泵试验台具有较高的测试准确度的情况下，试验才能最真实地反应被 测泵的各项性能。目前国内外关于泵的研究主要集中在运用三维造型和c f d 、 c f x 分析软件相结合的手段对泵进行内部流场分析、汽蚀分析、性能预测及提 高和效率提高等方面，而对试验装置的研究相对较少。近年来随着计算机、电子 技术及自动测控技术的飞速发展，我国泵测试水平及自动化程度也有了大幅度的 提高，各种泵自动测试系统接踵而建，为水泵质量的提高和水泵性能试验的不断 完善发挥了重要的作用。相应的关于自动测控及数据采集、分析方面的研究也逐 渐增多，为后来试验装置的设计及建造提供了重要的参考依据。纵观多年来对试 验装置的研究情况，笔者发现此类研究多集中在计算机自动测试技术在泵试验中 的应用、控制方案及算法的设计、试验台设计及仪器仪表选型和试验台误差分析 等方面，而对试验装置中设备的稳定性、试验装置中液体流态以及他们对测试精 度影响方面的研究却很少。 泵的进口流态对工作性能影响很大f 6 】，储液装置设计的好坏直接关系到泵进 口流念的优劣，但在各种试验装置的研究及设计中具体的储液装置设计方面资料 却很少，而且基本为经验设计，设计方法不统一。如文献f 7 1 中建议：开式试验 台水池的容量在可能的条件下做大些，容量等于泵抽5 。7 分钟液体的体积再加上 2 0 3 0 的余量，深度为2 。4 m ，长度为最大管路直径的5 0 6 0 倍，而在其关于 江苏大学硕士学位论文 闭式试验台设计的介绍中并没有关于储液装置的容积及结构设计方面的内容；文 献8 1 中，也是仅有关于开式水池设计方面的介绍而无闭式台中储液容器的容积 设计方面的介绍；文献f 9 1 中规定：开式水池以将来水池承担的最大功率估算水 池容量，一般l k w 功率匹配o 5 1 0 m 3 的水池容量，闭式试验回路的容量按l k w 功率匹配约0 5 m 3 容积，其他资料也仅止于此而已。 众所周知，流量是泵性能的重要指标【1 0 】，流量是否能准确测量直接关系到 泵的流量扬程、效率和临界汽蚀余量检测结果的准确性。关于试验装置中流量计 安装位置与流量测量精度关系的研究很少，大部分资料中都是采用了g b t 3 2 1 6 2 0 0 5 回转动力泵水力性能验收试验1 级和2 级( 以下简称g b 厂r3 2 1 6 ) 标准中关于流量测量的要求：涡轮流量计和电磁流量计不需要很长的上游直管段 ( 在大多数情况下5 倍管子直径的长度即可) ，但是却并没有对此长度处管中流 速分布是否达到了流量测量需轴对称速度分布要求方面的相关研究。 本研究正是从以上两个方面对试验装置稳定性和出口管中速度分布进行试 验研究，以期达到优化试验装置设计，补充和细化g b t3 2 1 6 标准的目的。 1 2 泵测试技术研究现状及发展趋势 1 2 1 国内外泵测试乞术研究现状 泵起源于公元前5 世纪的葡萄牙1 1 1 l ，但却长期没有得到推广，直到著名数学 家列奥那德欧拉( l e o n a r d oe u l e r , 1 7 0 7 1 7 8 3 ) 0 2 1 推导出了著名的e u l e r 方程，叶 片泵才得以真j 下的发展起来。我国对泵的研究始于在2 0 世纪5 0 年代【1 3 1 ，滞后于 国外，但是我国是最早提出三元流原理的国家，也是将三元流理论成功地应用于 机泵设计的国家之一【1 4 】。国外欧、美等发达国家对泵测试技术的研究同样也早于 国内，尤其对于泵的特性测试等方面国外技术更为成熟，很多方面领先于国内1 1 5 1 。 早在1 9 6 1 年，英国国立工程试验室( n e l ) 就建立了自己的水力机械试验台， 可用于水泵和模型水轮机的性能试验，可以在开式和闭式两种循环方式进行效率 和汽蚀试验，部分参数实现半自动控制，试验数据由计算机自动采集和处理，并 能自动绘制试验曲线和打印试验结果【1 6 1 。美国路易士研究中心【”】对水泵试验台做 了大量的研究，为现代汽蚀试验台的搭建提供了参考依据。计算机测试系统的研 究和开发工作开始于5 0 年代的美国【1 8 - , 2 0 l 。国内在2 0 世纪7 0 年代仍然为指针测 2 江苏大学硕士学位论文 试时期，直到2 0 世纪8 0 年代，我国泵测试技术才进入自动化时代，各种智能流 量计、压力变送器、传感器及计算机的应用，大大的提高了水泵测试系统的测试 精度及人工效率等【2 1 l 。与国际先进水平相比，由于我国水泵测试技术研究不够深 入，工艺和技术装备相对落后等原因，导致我国水泵产品质量不高，泵的主要性 能参数和可靠性低于国际先进水平1 2 2 - 2 s 1 ，这在一定程度上影响了我国水泵在国际 市场的竞争力。 1 2 2 发展趋势 测试精度是判断一个试验台等级的重要指标1 2 6 - 2 7 1 ，人工测试由于不同个体反 应时间不同及读数位置偏差都会造成很大的人为误差。近年来自适应、鲁棒控制、 非线性控制及预测控制等现代控制理论的出现【2 潮】以及自动化仪器仪表的出现 都使泵测试水平和测试精度都有了大幅度的提高。综合来说，泵测试技术正朝着 以下几个方向发展： ( 1 ) 高精度、高自动化测试技术 随着仪器仪表的高度自动化和信息化f 3 1 】发展和各种先进控制理论引入泵测 试中，泵测试系统越来越多的打破常规，采用现代的检测技术、智能控制技术、 网络技术和电子计算机及其外部设备自动进行参数测试、传输和处理，采用实时 调节、实时测试从而提高了泵测试系统的精度和自动化程度。 ( 2 ) 多功能、高度集成测试技术 根据相关文献资料【3 2 以5 1 ，国外尤其是美国、德国、日本等发达国家泵测试 的测试精度、自动化程度均较高，并且具有集成化程度高、体积小、可移动、多 功能、易操作等特点。 ( 3 ) 泵内特性方面的测试技术 随着高速摄影技术及流场显示技术的发展、热膜探针、电子探针以及激光测 速仪等在测量泵内部流场，压力分布、压力脉动和汽蚀形态及部位方面都得到广 泛的应用，并对全面测试泵的性能、泵理论的推导和完善及提高设计水平方面都 有重要的意义。 3 江苏大学硕士学位论文 1 3 本文主要研究内容 本文是依托中国石油总公司兰州分公司离心泵试验台的设计、制造项目中流 量范围为1 6 一- - 9 0 m 3 h ，扬程为1 2 - - 1 2 8 m 的常用泵闭式试验台设计而进行研究 的，研究的主要内容包括以下几个方面。 1 设计一个开式试验装置，用m 泵作为试验泵，改变泵的入口条件测量泵 的进出口压力波动情况。分析泵扬程波动分别与水箱容积及箱中介质截 面积的关系，推导出扬程波动小于3 的流量与水箱容积的曲线方程及 流量与箱中介质截面积的曲线方程。 2 设计一个流速测量管段，通过移动测速段位置的方法测量试验装置出口 管中不同截面处的流速分布情况，找出管中速度呈轴对称分布的截面位 置，优化设计闭式试验装置提高流量测量精度。 3 将所要设计闭式试验装置被试泵的最大流量值代入稳定性研究所得到的 流量与水箱容积曲线方程和流量与箱中介质截面积方程，确定试验装置 中储液装置汽蚀筒和稳流罐的设计方案，综合考虑各方面因素优化设计 回转动力泵闭式试验装置。 4 利用用户提供的h t a 流程泵在所设计回转动力泵闭式试验装置上进行 验收试验，并用试验结果对试验装置进行不确定度分析。 1 4 本章小结 本章首先阐述了进出口压力波动和管路试验研究的目的和意义，并分析和总 结了国内外对此研究的现状及其发展趋势，在此基础上确立了本文的主要研究内 容，泵测试装置精度研究仍然需要做大量的研究工作。 4 江苏大学硕士学位论文 第二章开式试验装置设计 2 1 试验装置设计原则及分类 2 1 1 试验装置的设计原则 泵试验装置应能保证通过测量截面的流体具有均匀的流速和压力分布，并且 无装置引起的涡旋等特征【1 1 。泵在实际运行时，一般保持转速恒定通过调节流量 来改变工况。因此在本试验研究中，同样保持转速不变，通过改变流量实现预期 的研究目标。依据以下原贝, t j f 8 】设计与建造泵试验装置： ( 1 ) 要符合有关试验标准的具体规定，并使回路系统尽量紧凑； ( 2 ) 回路的流体流动要顺畅，水力阻力要尽可能小； ( 3 ) 运行要安全可靠，使用和维护比较方便； ( 4 ) 布置、造型要适用、美观和大方。 2 1 2 试验装置分类 泵试验装置按回路连接状况分为开式试验装置和闭式试验装置两种，下面详 细介绍这两种试验装置的组成和各自的特点。 ( 1 ) 泵的开式试验装置 泵开式试验装置由吸入管路、吐出管路、水池、管道支架及试验平台组成， 在开式试验装置系统中，有一部分与大气相通。开式试验装置，具有结构简单， 装配方便，系统布置灵活，散热条件和稳定性好等优点。但进行汽蚀试验时，只 能调节进口阀门开度来改变装置汽蚀余量，会造成泵进口流动不稳定，且不宜准 确控制试验工况，阀门本身也会产生汽蚀，影响汽蚀性能的测定。 开式试验装置水池的容量应根据试验时对水温的要求、吐出系统对吸入系统 流动情况的干扰及水中气体逸出程度来确定。开式水池的容积的计算没有确定、 通过验证的计算公式，一般根据多年从事泵测试工作和试验回路设计、建造的经 验设计。一般以将来水池承担最大试验功率估算一个水池容量：l k w 功率需匹 配0 5 - 1 o m 3 的水池容量，水池的容量在可能的条件下做大些，对散热和稳定液 流均有好处【9 1 。 5 江苏大学硕士学位论文 ( 2 ) 泵的闭式试验装置 泵闭式试验装置主要由吸入管路、吐出管路、流量测量段、稳流罐、汽蚀罐、 辅助泵、真空泵、除气装置、充气装置和试验平台等组成，整个试验系统是一个 与外界大气相隔绝的封闭回路。闭式试验装置既可作性能试验，又可作汽蚀试验， 汽蚀试验的精度较高p 6 1 ，但由于闭式台的管道是封闭的，不同规格的被试泵安装 比较困难，批量试验效率低。 闭式试验装置的容量设计由于影响因素众多，所以一般情况下回路的容量根 据经验估算，l k w 功率匹配约0 5 m 3 容积【9 】o 2 2 开式试验装置设计 2 2 1 开式试验装置设计 研究分为泵的扬程波动试验研究与出口管中速度分布试验研究两项，试验装 置也是从方便这两项研究顺利、高效进行的角度出发进行设计。 首先，在扬程波动试验研究中，通过泵的多工况运行、改变水箱容积和添加 稳流栅等方案实现对泵入口条件的改变，在这几种入口条件下，测量泵的进出口 压力计算各入口条件下的扬程波动，找出各流量下扬程波动满足g b t3 2 1 6 标准 中1 级精度要求的水箱容积。为试验操作和监控方便，研究中设计了开式试验台， 同时设计可以方便改变水箱容积的隔板和稳流栅。 其次，在管中速度分布试验研究中，通过改变流速测量管段的位置，找出流 速分布均匀截面的位置，因此将出口管段设计成多段管的组合管。综合这两项研 究目的设计开式试验装置如图2 1 所示。 图2 1 试验装置示意图 6 江苏大学硕士学位论文 222 试验泵 选用m 型化工离心泵作为试验泵，m 型化工离心泵主要由泵体、泵盖、叶 轮、轴、密封环、中间支架、悬架体等组成，通过加长联轴器由电动机直接驱动， 广泛应用于石油、化工、冶金、食品和制药等部门【川，泵的结构如图2 2 所示， 试验照片如图z 3 所示，性能参数见表互1 所示。 1 1 0 囤z 2 试验幕蛄构图 1 一幕壳2 轴套3 - 中同支架4 一悬泉部件5 一叶轮 6 - 机械密封7 机封端盖8 一轴9 进口1 扣出口 图2 3 试验泵实物圈 表2 1 试验秉性能参敷 江苏大学硕士学位论文 2 2 3 储液及整流装置设计 ( 1 ) 试验水箱设计 根据开式试验装置中水池设计、建造的经验，按照l k w 功率匹配0 5 i n 3 的 水箱容量，试验泵功率为3 9 5 k w ，稳定性试验需要多次改变进口液位，因此将 水箱容积设计为3m 3 ，长宽高为( 2 x1x1 5 ) m ，壁厚为1 0 m m 。 ( 2 ) 整流装置设计 稳流栅装于稳流罐中可以滤除罐中的液位波动和涌浪，使紊乱的液流( 旋涡 或不对称流) 变得整齐并可起到稳定波动和减慢温升的作用【8 1 。 稳流栅j 下对着液体来流方向是按一定规律分布的圆孔，孔的大小与轮廓尺寸 中的最大值有关，稳流栅的长度与轮廓尺寸相同。根据试验水箱尺寸稳流栅用长 l m ，宽0 2 m ，厚0 0 1 m 的碳钢钢板焊接成：长l m ，高1 5 m ，宽0 2 m 的方形筛 子，为制作方便将其筛孔全部设计为0 1 m x 0 1 m 的方孔。 ( 3 ) 管路布置 根据g b t3 2 1 6 标准入口直管段长度l 按下式确定：乡葫= k + 5 ，式中 1 d n 为管路公称直径，k 为泵的型式数，k = 型坐= 0 7 6 ，入i o 2 直管段长度 ，口1 ( ) 力 l = 5 7 6 d n ，入口管道公称直径为8 0 m m ，则入口直管段长度至少应保证 4 6 0 8 m m 。考虑到出口需要测速的点较多，并且出口管路中需要安装出口阀和电 磁流量计，因此从整个管路布局的合理性考虑将入口直管段长度设计为 1 7 0 0 n l n l 。 速度分布试验主要是为了研究不同进口条件下，试验泵在不同工况运行时出 口管中速度分布情况，并找出管中流速呈轴对称均匀分布的截面。为试验需要将 泵出口管设计成直径均为1 0 0 m m ，长度分别为5 0 0 m m 、6 0 0 m m 、7 0 0 m m 和 1 0 0 0 m m 的管路组成的出口段，皮托管测速管段长度为5 0 0 m m ，管上两个皮托 管沿轴线间隔2 2 0 m m 布置，便于移动皮托管测速管段的位置，找出管道中速度 轴对称均匀分布的截面。 8 江苏大学硕士学位论文 2 3 试验泵参数测量 2 3 1 压力的测量 压力测量仪表的品种规格很多，泵试验中常用的压力测量仪表主要有液柱式 压力计、弹簧式压力计、压力变送器和静重压力计( 活塞式压力计) 1 8 1 等。为提 高压力测量精度，分别使用绝压变送器和压力变送器测量测量泵的进出口压力。 根据标准g b 厂r 3 2 1 6 ，在进出口圆管( 避开横截面的最高点) 沿圆周方向对 称的开设4 个直径为6 m m 的取压孔。测试时4 个取压孔均通过单独的截流旋塞 阀与环形汇集管相连通，用压力变送器测量环形汇集管中的平均压力。环形管可 以均匀4 个取压孔间的压力波动，使测量值更为精确，环形集管及取压孔设计如 图2 4 所示。 1 一放气阀；2 一压力计；3 一排液阀 图2 4 环形集管及取压孔设计图 标准g b t3 2 1 6 中规定，入口压力测量截面设在距泵入口法兰1 6 0 m m ，出 口压力测量截面设在距泵出口法兰1 3 0 m m 处，试验泵进出口压力测量截面示意 图如图2 5 所示。 图2 5 泵进出口测量截面示意图 卜被测泵，2 一集液环，3 一压力变送器，4 撖气阀 9 江苏大学硕士学位论文 2 3 2 流量的测量 装置稳定性研究的试验中为准确标定各流量下对应的进出口压力波动分布 情况，试验中不使用速度面积法来测量流量而是重新选择流量测量装置，以便提 高稳定性试验研究的精度。 在小型泵的试验中，常用的流量测量方法有水堰、节流法、涡轮流量计、电 磁流量计、超声波流量计、激光流量计、容积法、称重法等 3 8 - 3 9 1 。 电磁流量计主要是基于法拉第电磁感应定律制成的用于测量导电的非磁性 液体体积流量的仪表，主要由传感器和转换显示器组成。电磁流量计不必在管道 内设置检测元件，因而不产生因检测流量所形成的压力损失，仪表的阻力仅是同 一长度管道的沿程阻力。用电磁流量计所测得的体积流量，不受流体密度、粘度、 温度、压力和电导率变化明显的影响，与其他流量仪表相比，前置直管段要求较 低【踟，试验中选用a d m a g 电磁流量计。 根据g b t 3 2 1 6 标准中的规定电磁流量计应安装在距离弯管、阀门5 倍管径 处，试验中将电磁流量计安装在出口阀门后7 0 0 m m 处。安装时注意将传感器远 离强电磁场，避免强电磁场对流量测量的影响，并且注意介质的流动方向和流量 计的箭头一致。 2 3 3 流速的测量 众所周知，整个水泵测量系统的精度主要受流量精度的控制。根据g b t 3 2 1 6 标准中对试验装置的规定，测量截面处应具有轴对称速度分布。速度分布 是指在管道横截面上流体速度轴向分量的分布模式，这是由于实际流体具有粘性 而造成的。而轴对称流动，是指流体在流过某空间固定轴的所有平面上的运动情 况完全相同的流动。圆管中的流动、沿轴向流经回转体的流动以及水轮机叶轮内 的流动等都可以认为是轴对称流动【柏l 。 试验台出口管最大直径为1 0 0 m m ，试验泵流量为5 0 m 3 h ，当泵在额定流量 下运行时管中流速为v c = 1 7 77 ，试验用液体为2 5 c 清7 k ，查表可知2 5 。c r 清t k 的运动粘度y = 0 8 9 7 x1 0 。6 n z ，代入下式【4 1 l r e 。= 坚( 2 1 ) 1 0 江苏大学硕士学位论文 可得：r e 。= 1 9 7 x 1 0 5 2 3 2 0 ，因此管中液体的流动状态为湍流，光滑圆管 中湍流的分布情况f 4 l 】如下图2 6 所示。 i a ： 、b 墅k 正 、d 一一一一、- = 一t l ，上一了 一一一 一 7 e ( v z ，r 2 ) 一 ：厶 图2 6 圆管中速度分布图 从上图2 6 中可以看出，流体在流入管口前速度分布是均匀的。流体在圆管 内流动的过程中，靠近管壁的各层流体由于黏性的作用而逐渐滞缓下来。又由于 各截面上的流量为一定值，管中心处各点的速度必然增大。当流体深入到一定距 离之后，管中速度曲线成轴对称状态，且曲线形状不再发生变化，此时管中液体 完全形成轴对称的速度分布。 由i j 面的分析及图2 6 可知，管中流速分布是否为轴对称分布可以通过以下 两种方法进行判断。 方法1 ：圆管中同一轴线( 如i ) 上阈值后各点的速度是否相等。 管中流速是一个由均匀分布慢慢发展到轴对称分布的过程，如图2 6 所示， 流速由不对称分布到轴对称分布的过度点称为阈值( 图中点a ) 。由轴对称流动 的定义可知，阈值点a 后管中流体通过轴的所有截面上的速度均呈轴对称速度 分布，满足同一抛物线方程。由抛物线方程的性质可知，同一曲线在空间不同平 面上同一相对位置处的函数值相同，即阈值a 后，与圆管的中轴线平行的同一 流线不同截面上各点的速度相同，如图2 6 中b 、c 、d 点的速度相同。 因此通过测量同一流线不同截面上两点的局部速度，比较两点速度是否相同 来判断此点所在截面上的速度是否分布均匀。如果同一管道中线上任意两截面上 点的速度相同，则说明此处管中流速已充分发展为轴对称速度分布满足流量的测 量要求。 方法2 ：圆管中心轴线同一截面上沿轴线对称两点的速度是否相等。 如上图2 6 所示，如果圆管中流体运动已经呈完全轴对称分布，则沿圆管直 径方向轴对称两个点( 如图中点c 、e ) 的速度值相同。因此可以通过测量沿轴 对称的两个点速度是否相同判断圆管中流速是否达到轴对称状态，如果此两点的 江苏大学硕士学位论文 速度值相同，则此处的流速已经达到了轴对称状态，适合安装流量计进行精确的 流量测量，否则，流速不均匀。按照此法多次测量就可找出圆管中流速轴对称分 布的阈值a 点及其所在的测量截面。 分析以上两种找出圆管中流速轴对称分布截面的方法可以看出：方法1 较为 简单，试验可操作性强，计算也较为简单，但是不能非常准确的找出阈值a 点 所在的测量截面；方法2 准确度较高，但由于试验管道直径和试验条件的限制， 可操作性较差。根据本此试验研究的性质、期望达到的目标以及现有试验条件， 选择方法1 来研究出口管中的流速分布情况。 目前流速测量主要使用皮托管、热线风速仪、激光多谱勒流速仪和粒子图像 测速仪( p i v ) 等 4 2 - 4 3 1 。皮托管是一种精度高、操作简便、可靠性高的流速仪； 热线风速仪主要用于测量风速；激光多谱勒流速仪直接测量的是颗粒的运动速 度，存在跟随性问题；p i v 可以得到瞬时全场速度分布，但操作难度较高且比较 昂贵【删1 ；从多方面考虑试验中选用皮托管测量管道中的流速。 研究中按照方法1 ，通过用两个皮托管测量管中同一轴线，纵向间隔2 2 0 m m 两点的点流速找出速度轴对称分布的截面。安装时，需要在两皮托管同一位置处 做上标记确保皮托管在管中的长度相同，因为这关系到速度试验的精度。 从流体力学可知，在一个均匀的流场中放置一个固定不动的障碍物，紧靠物 体前端的流体被阻滞并分为两股绕过此物体。在阻滞区域的中心形成“驻点， 在“驻点 处流动完全停止，流速等于零，动能全部转换为动压，静压力上升为 总压【棚1 。试验中选用l 型标准皮托管其构成原理如图2 7 所示，由图2 7 可以 看出这种皮托管由内、外两根管子套在一起组成，测压时通过头部中间的细管感 受来流的全压，头部外管壁上，沿圆周均匀地开4 个小孔感受静压，因此皮托管 所测流速为皮托管头部顶端所对准的那一点的流速。 m ：f i 4 、 。、 pv p n p o m 。 图2 7 皮托管构成原理图 1 2 江苏大学硕士学位论文 如图2 7 所示，流体绕过皮托管时，流体在皮托管前端全压孔m 点的速度 为零( 此点称为驻点或临界点) 压力为p 0 ，绕到静压孔n 点的速度为v ，压力 为p ，则伯努利方程【鸫】： 1 p + q 1 - p v 2 = p 0 ( 2 一一2 ) p + 2 l z j 式中，风为流体的全压，由流体静压p 和动压五1 2 两部分构成。 因此流体速度可以由下式计算： v = 严砺= 畅 ( 2 3 ) 式中卸= 去2 流体动压，k p a ；p 管中介质密度，k g m 3 。 z 试验选用上海隆拓仪器设备有限公司生产的标准皮托管p 4 x 3 0 0 m m ，探头长 1 2 0 m m ，经检定此皮托管的测试系数为胙1 ，检定日期为2 0 0 9 年4 月1 0 日。根 据( ( i s 0 3 9 6 6 封闭管路中流体流量测量使用皮托静压管的速度面积法标 准中的要求，测试管中流体速度不能超过2 5 m s ；测量截面离来流方向的弯头、 阀门和变径管等局部构件要大于4 倍管道直径。离下游方向的局部弯头、变径管 结构应大于2 倍管道直径。使用速度面积法可以计算出本套试验装置中当试验泵 的流量最大时，测量管段中的液体流动速度为：2 5 m s ，完全符合皮托管使用条 件，且皮托管与调节阀间保证至少5 0 0 m m 的管段长度，也符合使用要求。 使用时，将尾部的两根细管通过接头接到差压变送器上测量动压，如图2 8 所示。差压变送器与数字显示仪表配合使用，当管中液体流动时，皮托管内、外 两孔传导的压力值发生变化，反应为所接显示器上的压力值发生变化，当液体的 流速恒定时，皮托管内、外两孔传导的压力值也保持稳定不变。将动压代入公式 ( 2 3 ) 即可求得此时管中的液体流速，比较两皮托管的速度值就可以判断测速 点的流速是否呈轴对称分布。需要注意的是，测量时皮托管头部管段的方向必须 与液流方向平行，如果偏斜角达1 0 。时，测得的结果将有3 以上的误差。 1 3 江苏大学硕士学位论文 图2 8 测速管设计图 皮托管为光滑圆管用其测量管道中液体流速时，由于管道中液体为有压液体 应考虑皮托管的密封问题，密封不当会造成液体泄露并引起严重的扰动，对测量 结果造成很大的误差。测量管段密封设计考虑了l 型皮托管放置和将放置孔的 几何尺寸设计的尽量小以减少其对流动的干扰和提高其空间分辨率，密封采用球 形橡胶。 2 4 本章小结 本章依照g b t3 2 1 6 标准中试验装置设计原则设计了一套用于试验装置稳 定性和出口管中速度分布研究户! j 试验装置，并根据试验需要对以下部分做了特殊 设计： 1 大容积水箱设计，方便改变水箱容积以便改变水在箱中的停留时间，从 而改变泵的入口液流条件，研究其对泵的扬程波动的影响。 2 隔板设计，隔板可以在保持水箱容积相同的情况下，改变箱中介质截面 积，从而改变泵的入口流速，用于研究入口流速对泵扬程波动的影响。 3 稳流栅设计，稳流栅可以消除箱中涌浪，起到均流作用，对比有无稳流 栅两试验的扬程波动情况，研究其对泵扬程波动的影响。 4 皮托管测速段设计，设计了总长为5 0 0 m m ，沿轴线间隔2 2 0 m m 安装两 皮托管的测速段，皮托管密封采用球橡胶变形密封。 1 4 江苏大学硕士学位论文 第三章试验及结果分析 3 1 数据处理软件及方法 3 1 1o rig in 简介 o r i g i n 是美国m i c r o c a ls o f t w a r e 公司出品的一个功能强大的数据分析和科学 绘图软件，具有使用简单窗口菜单和工具栏操作，全面支持鼠标右键、支持拖曳 方式绘图等特点，尤其适用于大量数据处理及科学绘图【4 9 州】。 o d i n 具有数据分析和绘图两大类功能。数据分析包括数据的排序、调整、 计算、统计、频谱变换、曲线拟合等各种完善的数学分析功能。准备好数据后， 进行数据分析时，只需选择所要分析的数据，然后再选择响应的菜单命令就可以 使用0 d # n 绘图模板绘制图形。用户可以自定义数学函数、图形样式和绘图模 板；也可以用c 等高级语言编写数据分析程序。 o r i g i n 提供了多种数据拟合的函数，除线性回归、多项式回归等常用的拟合 形式外，还提供了自定义函数，可以进行非线性拟合的功能，对于y = f ( a ，x 漠 型( a 为参数) 的函数，可以方便地拟合出参数值。对大多数情况，使用o r i g i n 进行y = f ( a ，砷类型( a 为参数) 函数的参数拟合要比利用专用程序方便得多。 所谓回归( r e g r e s s i o n ) 分析，简单的说，就是一种处理变量与变量之间相互 关系的数理统计方法。用这种数学方法可以从大量观测的散点数据中寻找到能反 映事物内部的一些统计规律，并可以按数学模型形式表达出来，故称它为回归方 程( 回归模型) 。回归( r e g r e s s i o n ) 也可以称为拟合( f i t t i n g ) ，回归是要找到一个有 效的关系，拟合则要找到一个最佳的匹配方程，两者基本是同一个意思。 o d # n 的非线性最d x - - 乘拟合能力是其最有力的也是最复杂的部分之一。使 用户可以将自己的数据对一个( 或一套) 函数，基于一个( 或多个) 自变量进行 最高可达到2 0 0 个参数的拟合。 o f i # n 提供了近2 0 0 个内置的函数可供选择，如果这些函数还无法适应实际 的需要，用户还可以自己定义函数进行拟合。o r i g i n 的非线性拟合方法基于非线 性最小二乘拟合中最普遍使用的l e v e n b e r g m a r q u a r d t ( l - m ) 算法。其拟合过程非 1 5 江苏大学硕士学位论文 常灵活，用户几乎可以对拟合过程进行完全控制，其主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 拟合前选择最佳参数初始值( 将所绘数据图与原始数据进行比较) 。 ( 2 ) 对参数值可以进行线性约束。 ( 3 ) 可以减少迭代过程中的一些相关的量。 ( 4 ) 选择权重方法。 ( 5 ) 方便设置拟合数据范围等。 3 1 2 最小二乘法 对于一组离散的数据建立逼近它的连续数学模型，常用的方法有插值法和曲 线拟合法。由于试验数据一般带有误差，有的数据可能误差较大，这样插值法仍 然保留着一切的测试误差，点取得越多，插值多项式的次数也越高，误差可能也 越大。曲线拟合法从本质上来说是求出试验数据的一条近似曲线，最小二乘法实 际上是求满足函数与试验值偏差最小的一个函数。最小二乘法的原理介绍如下。 令弘m i n f x 。) ，6 _ m 嘶a x i x ，) 在c a ，b 】中选定线性无关的函数 纡( x ) ) 瑚n ，在 西= s p a n f a o ，仍，纯) ( 3 1 ) 中寻求一个函数 s + ( z ) = a i a p i ( x ) ( 3 2 ) 使s + ( x ) 与y = f ( x ) 在上述m + 1 个点上( m 蒿 缈“) 【s ( 功一咒】( 3 - 4 ) 万= ( 4 ，疋，瓯) r s ( z ) = 口，纺( x ) j = o 1 6 ( 3 5 ) ( 3 6 ) 江苏大学硕士学位论文 c o ( x ) o 为所讨论区间【a ，b 】上的权函数，它表示不同点 ，咒) 数据的权重， 例如国( 薯) 可表示点( 鼍，y i ) 被重复观测的次数。满足( 3 6 ) 的函数s + o ) 称为问 题的最小二乘解，求s ( z ) 的方法称为曲线拟合的最小二乘法f 5 2 1 。 利用o r i g i n 的绘图工具按照最小二乘法进行曲线拟合，只需要建立一个 b o o k 并在其中输入试验数据，利用p l o t 生成试验点，然后根据试验点的分布情 况，在a n a l y s i s 中选择f i t t i n g 然后选择合适的拟合函数即可生成拟合曲线。o r i g i n 绘图软件中的拟合工具可以高精度拟合，将截断误差降低到一个非常小的数量 级。本章使用o r i g i n 绘图软件并用最小二乘法对试验数据拟合，建立数学模型 为工程设计提供参考依据。 3 2 试验装置稳定性研究 试验中与管路中或泵中的湍流有关的物理量，必然是波动的物理量。研究储 液装置所能负荷的满足g b 厂r3 2 1 6 标准中1 级波动要求的流量，对于试验台的设 计和正确使用均具有十分重要的意义。 3 2