离心泵研究型、综合型实验VIP

PAGEPAGE6离心泵研究型、综合型实验聂情0802319（福州大学生物科学与工程学院02级3班）【摘要】：本次实验室在泵的转速一定的情况下，通过其流量Q的调节确定出该泵的其他主要性能参数随Q的变化关系，归纳出泵的特性曲线，再找出实验装置的管路特性曲线，从而准确地计算出泵与管路连接使用时的工作点，进而推导出在需要扬程高、流量大、必须用到多台泵的情况下，其操作方式（串联、并联）选择的科学判据。【关键词】：离心泵串、并联操作管路特性曲线数学判据Abstract:Laboratorythisinasituationthattherotationalspeedofthepumpiscertain,determinethroughitsflowregulationofQothermainperformanceparametersofpumpthisuptothechangerelationofQ,isitoffercharacteristiccurveofpumptosumup,findoutandthenpipelinecharacteristiccurveoftheexperimentalprovision,thuscalculateouttheoperatingpointthatthepumpconnectswithpipelinewhileusingaccurately,isitisitneedlifttobehighflowheavymustusemanysetunderthesituationofpumpingtolieintoderive,operationmodescientificcriterionthatchooseits.Keywords:CentrifugalpumpBunch,connectingoperationinparallel,Pipelinecharacteristiccurve,Mathematicscriterion【前言】：离心泵是一种应用的十分广泛的液体输送设备。它的工作点总是由泵的特性曲线与管路特性曲线的交点所决定的。对离心泵工作点的确定方式已经存在两种，即图解法和解析法。解析法就是将泵的特性曲线和管路特性曲线在同一坐标轴下建立起数学模型，通过联立求解的方法得出其交点坐标。解析法应首先建立起泵特性曲线的数学表达式。本次实验研究也不乏这两种方式的应用。对离心泵操作方式的选择就是要使离心泵在应用时达到其最佳效率。这就要求对串、并联操作方式对离心泵流量的影响及其运行工作点的变化规律有一定的分析和了解。本次实验就在一定程度上分析和简化了管道泵运行的工况点，给出了一个数学模型，即其操作方式的判据。1、实验的理论依据及有关数学模型的建立离心泵特性曲线数学模型的建立每个离心泵的铭牌上都有列出该泵的主要性能参数，包括：转速n，流量Q，压头（扬程）H，输入功率N，效率η。有些还包括吸上真空度或气蚀余量。离心泵在出厂前，都要测定其主要性能。即利用左图所示的装置，直接测定出离心泵的压头、功率及其与流量的关系，而这些性能参数与流量Q的关系又称之为离心泵的特性曲线。泵入口管线上的截面b处装真空表，出口管线上的截面c处装压力表，b与c之间的垂直距离为H。在固定的转速n下进行测定。首先，在出口阀关闭时启动泵，测得流量为零时的压头（封闭压头）。以后开启出口阀，维持某一流量Q，测得相应的压头H。同时可以测得输入泵的轴功率N。改变流量进行测定，即可获得一系列在转速n下的Q、H与N的值。He的计算可根据b、c两截面间，即泵的进出口间列柏努利方程：Pb/ρg+Ub2/2g+He=H0+Pc/ρg+Uc2/2g+hf(b-c)(1)其中Ub=Uc；Pb/ρg-Pc/ρg=H压力表-H真空表所以有He=H0+H压力表-H真空表[m]由于两截面间的管路很短，其阻力损失可以忽略。而离心泵的阻力损失由其效率来表示，有效功率Ne根据泵的压头H和流量Q计算出的功率是泵所输出的有效功率Ne=He·Q·ρg/(3600×1000)[kw]轴功率N实际测得的轴功率N大于有效功率Ne.这是由于通过泵轴所输入的功率有部分在泵内被损耗。这些损耗可以分为以下三种：容积损失、水力损失、机械损失。损失的总和用泵的效率η来表示。故有η=Ne/N×100[%]又∵N=N电机·η电机·η传动[kw]η电机—电机效率.取0.9；η传动—联轴节传动装置的效率.取1.0泵的效率ηη=He·Q·ρg×100/(3600×1000×0.9×1.0)=He·Q·ρ/(3302.7·N电机)[%]孔板流量计计算公式Q=C1·RC2(第三套实验装置C1=1.66、C2=0.51)式中Q—流量[m3/h]R—孔板压降[kPa]C1、C2—孔板流量计参数离心泵特性曲线数学模型的建立泵的性能曲线用数学表达式可写成：He=A-BQ2N=A1+A2Qη=B1+B2Q+B3Q2各种型号的泵各有其特性曲线，形状基本相似，共同点有：扬程随流量的增大而下降(流量很小时例外).功率随流量增大而上升.故离心泵在启动前应关闭出口阀，使其在所需功率最小的条件下启动，以减小电机的启动电流；同时也避免出口管线的水力冲击。效率先随流量的增大而上升，达到一最大值后便下降。根据生产任务选用离心泵时，应使泵在最高效率点附近操作。1-3管路特性曲线数学模型的建立：对已定的管路系统，其特性曲线是唯一确定。用数学表达式可表示成：H=C+DQ2式中：H为工作时，管路中流体所需扬程[m]Q为工作时，管中流体流量[m3/h]C为管路静扬程[m]D为管路阻力系数管路静扬程C=△Z+△P/ρg其中△P为进出口压差.△Z为泵的吸液液面至提升位置的高度差.实验过程及分析：2-1实验流程图1.水槽2.水泵3.真空表4.压力表上图即为离心泵性能实验流程图。此实验用离心泵型号为IHG32-20,水箱内的清水自泵的吸入口进入离心泵，在泵壳内获得能量之后，由出口排出，流经孔板流量计和流量调节阀后，返回水箱，循环使用。2-2操作要点及注意事项检查水箱内的水位，然后开启离心泵.开启流量调节阀，在恒定转速下进行实验.进行双泵的串联与并联实验时（利用2#进行实验），其方法与测量单泵的特性曲线相似，流程不同而已。进行并联实验时，V2、V4、V5关闭，V1、V3开启；进行并联实验时，V3关闭，其余阀门均开启.泵应当在流量调节阀关闭的情况下启动.系统先排净气体，以使流体能够连续流动.为了避免传感器进水而损坏，应缓慢打开流量调节阀.实验数据处理：3-1单泵序号流量Q（m3/h）扬程He（m）有效功率Ne轴功率N总效率η(%)17.1048.240.1500.83718.026.42411.140.1860.81922.835.89512.940.2000.76526.145.37214.440.2040.71128.754.94415.040.1960.66629.464.54315.940.1910.64829.574.17517.140.1890.63030.083.77217.840.1780.59430.093.36618.540.1650.55829.6102.90719.640.1510.54028.0112.36420.540.1290.52224.7121.74321.440.0990.48620.4131.16622.040.0680.46814.614022.8400.4230平均温度t=27.7℃此温度下水的密度：ρ=-0.003589285t2-0.08872501t+1001.44=-0.003589285×(27.7)2-0.08872501×27.7+1001.44=996.27kg/m3①计算示例：（以第10组为例）流量Q=C1·RC2=C1·△PC2=1.66×3.00.51=2.907[m3扬程He=H0+H压力表-（H真空表-h平均水位高）=0.6+18.4-（-0.2-0.44）=19.64[m]有效功率Ne=He·Q·ρg/(3600×1000)=19.64×2.907×996.27×9.81/(3600×1000)=0.151[kw]轴功率N=N电机·η电机·η传动=N电机×0.9×1.0=0.54[kw]效率η=Ne/N×100=0.1480/0.540=27.40[%]②根据最小二乘法求实验He—Q的方程：令x=Q2,y=He.x平均=∑x/n=18.703,y平均=∑y/n=16.543,∑xi2=8061.9,∑yi2=3346.6－B=[∑（x,y）－nx平均·y平均]/[∑xi2－nx平均2]=(3461.8－14×18.703×16.543)/[8061.9－14×(18.703)2]=－0.2749A=y平均－Bx平均=16.543－(－0.2749)×18.703=22.124得出单泵的特性曲线He=22.124－0.2749Q2该结果与我们利用Excel线性回归所得结果相同.同理，我们的出离心泵其它性能曲线：N=0.381+0.062Q[kw]η=-1.6397Q2+14.031Q+0.4788[%]③离心泵特性曲线的描绘：我们将离心泵扬程与流量的关系曲线He—Q、轴功率与流量的关系曲线N—Q以及效率与流量的关系曲线η—Q作于同一坐标系上根据管路特性曲线，我们得出该泵的最高效率点为(29.68，4.245)即ηmax=29.68%此时的流量Q=4.245m3从而得出泵的高效工作区即η=92%ηmax内，流量Q的范围Q=(3.034,5.456)m3/h3-2双泵串联数据处理：平均温度t=30.4℃密度ρ=995.47kg/m序号号孔板压降（Kpa）出口压力（m）入口真空（m）电机频率（Hz）温度（℃）流量（m3/h）扬程（m）He（m）号123.66.1-0.65029.58.3237.74220.313.4-0.55029.87.70814.94317.018.6-0.45030.17.04120.04414.323.4-0.35030.36.44624.74511.427-0.35030.45.74328.3469.429-0.25030.55.20530.2477.331.8-0.25030.64.57533.0485.234.6-0.25030.73.84835.7493.537.6-0.15030.73.14538.64102.239.205030.82.48240.24111.140.905030.81.74341.9412043.40.15030.8044.34双泵并联数据处理：平均温度t=31.6℃密度ρ=995.10kg/m序号孔板压降（Kpa）出口压力（m）温度（℃）电机频率（Hz）扬程（m）流量（m3/h）1021.130.75022.140236.513.731.25014.7410.396329.814.431.35015.449.375425.015.331.35016.348.572521.316.031.55017.047.899618.516.631.65017.647.351715.517.331.75018.346.717813.318.231.75019.246.213911.718.731.75019.745.820109.019.231.85020.245.091116.719.631.95020.644.379125.119.931.95020.943.8104133.620.232.05021.243.190141.920.632.15021.642.303150.920.832.15021.841.573①计算示例：Ⅰ双泵串联:（以第8组为例）流量Q=C1·RC2=C1·△PC2==1.66×5.20.51=3.848[m3扬程He=H0+H压力表-（H真空表-h平均水位高）=0.6+34.6-(-0.2-0.44)=35.74[m]Ⅱ双泵并联:（以第9组为例）流量Q=C1·RC2=C1·△PC2==1.66×11.70.51=5.819[m3/h]扬程He=H0+H压力表-（H真空表-h平均水位高）=0.6+18.7-(-0-0.44)=19.74[m]②再次利用最小二乘法求得串、并联He—Q的方程：串联：He=43.798－0.4941Q2[m]并联：He=22.18－0.0731Q2[m]4.结果的分析与讨论.4-1串、并联实际操作特性曲线与单泵特性曲线对比示意图从图中数据很容易看出，在起始工作点即流量为零的情况下，串联的封闭压头43.798m略小于2倍的单泵封闭压头44.248m。这与理论上两者之间的关系H单<H串<2H单相符合。而理论上之所以有H单<H串<2H单、Q单<Q并<2Q单，是因为多级泵较单泵阻力系数增大，即局部阻力损耗愈大，实际压头和流量较2H单、2Q单必然有所减小。4-2管路特性曲线管路的静扬程：C=△Z+△P/ρg本实验中的△Z=H0-平均水位高度=0.6-0.44=0.16m.△P/ρg为起始工作点时压力表的读数=21.8m.C=21.96m而管路阻力系数D的计算则较为困难.本实验小组也一度被此误导，怀疑管路特性曲线的存在与否。因为在改变流量即改变阀门开度时，管路阻力系数D必然改变。这样说来本套实验装置的管路特性曲线并不确定。这显然与实验本意相悖。而通过这段时间翻阅资料，我们认识到对于一定的输水管路其管路特性曲线是一定的。关于这一点，在《离心泵工作点及管路特性曲线的探讨》一文中有详细的介绍。我们这里就不作详细的介绍。由C值较大，我们便可作出假设:本次实验装置若需提高流量，应选用串联的操作方式。4-3判据的导出Ⅰ根据前面所建立的数学模型，我们得出理论上的单泵及串、并联组合操作的扬程He与流量Q的关系：单泵He=A-BQ2双泵串联：He=2A-2BQ2双泵并联：He=A-B/4Q2Ⅱ结合管路特性C、D的不同分析出如下四种情况：(Qc,Hc)(1)(2)(3)(4)联立串、并联扬程与Q的关系，求出(Qc,Hc)He=2A-2BQ2Qc=(4A/7B)1/2He=A-B/4Q2求得Hc=6/7A因此对于管路特性H=C+DQ2，只要有H>Hc则应用串联的操作方式来提高流量，即C+D×[(4A/7B)1/2]2>6/7A.由此，我们可以得出判据：当7BC+4AD>6AB时，串联操作方式.当7BC+4AD=6AB时，串、并联操作方式等效.当7BC+4AD<6AB时，并联操作方式.Ⅲ判据的运用.通过计算得出本套实验装置串、并联操作方式选择的判据为：1.9243C+88.496D___36.49①、当管路上下游压差及位差较小即C较小(如5～15)时，对阻力较大的管路即D值较大(如0.5～1.0)，要大幅度提高流量，操作方式选择分析：我们取C=5,D=0.5带入判据有1.9243C+88.496D=53.87>36.49故应采取串联的操作方式对阻力较低的管路即D值较小(如0.05～0.10)我们取C=15,D=0.10带入判据有1.9243C+88.496D=37.71>36.49应采取串联的操作方式而取C=5,D=0.05带入判据有1.9243C+88.496D=14.05<36.49应采取并联的操作方式故中间必定存在着一个临界点，临界点的一边应采取串联的操作方式，而另一边应采取并联的操作方式②、当管路上下游压差及位差较大时，我们可以认为C值大到足以使7BC大于6AB的值。这种情况下必然是采用两泵串联的操作方式更为合理。5.结论.ⅰ通过实验我们得到泵在一定转速下，He随Q的变化情况，说明了泵的扬