《流体机械原理及结构》.docx
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《流体机械原理及结构》
《水力机组原理及设计》
实验指导书
符杰编
西华大学能源与环境学院
2014年9月
水力机组原理及设计实验基本要求
一、实验进行前，应充分熟悉各项实验的基本原理，要求及目的，熟悉实验指导书。
二、实验时应爱护一切设备和仪器仪表装置，实验完毕，须将仪器仪表整理后交还原处。
三、进行实验时，应听从教师及实验室老师的指导，切勿高声喧哗。
四、实验时应认真，要真实科学地记录实验数据，实验后交指导教师查阅，若经教师指示不对或误差太大，应仔细查找原因，分析原因或重新实验。
五、实验结束后，每人应完成实验报告书，除原始记录数据外，还应列出计算结果分析结论等。
实验一叶片泵性能实验
一、实验目的及要求
1．确定叶片泵流量与扬程、效率之间的关系。
2．绘制Q-H、Q-N、Q-η性能特性曲线。
3．掌握水泵性能实验的方法，熟悉实验所用仪器、仪表。
二、叶片泵性能试验原理
叶片泵的性能实验是在无空蚀的条件下，在水泵闭式或开式试验台上进行的，根据水泵的流量范围选择10个以上的工况点，从小到大进行实验，测量出各工况点的流量、扬程、转速、轴功率等参数。
并将各参数换算到额定转速下，绘制出扬程、效率、轴功率与流量之间的关系曲线。
三、实验装置及所用设备、仪器、仪表
1.IS100-80-125型水泵一台，Y132S2-2型电动机一台，进、出水管路各一套，进、出水阀门各一个。
2.真空表（YB-150,0.35级）一只，压力表（YB-150,0.4级）一只。
3.涡轮流量计一套，LW-100型涡轮流量变送器一台，XSS-10型流量数字显示仪一台。
4.转矩转速测量仪一套，转矩转速传感器一台，微机扭矩仪一台（或成套电测仪表一
套，闪光测速仪一台）。
四、实验方法及步骤
1.在指导教师的指导下，检查设备、仪器、仪表安装是否正确，连接是否可靠，转动是否灵活，接线是否有误，供电系统是否正常等，发现问题及时纠正。
2.泵充满水，启动电机，观察水泵转向是否正确，填料函漏水是否正常。
轴承温升是
否过高，仪器、仪表工作是否正常，如无异常现象，等水泵运转稳定后，方可进行实验。
3.选定的工况点调节出水阀门，依次从大到小进行实验。
每作一个流量点，等待工作
稳定之后同时从测量仪表中读出各项参数，分别记入《水泵性能实验记录表》中。
五、数据的处理及计算
1.扬程
水泵进口在真空状况下：
式中：
P2—泵出口压力表读数（Mpa）
P1—泵进口压力表读数（Mpa）
ΔZ—压力表与真空表到测量基准表面的垂直高度差（本装置ΔZ=0.9m）
图1水泵实验装置简图
1.电动机2.水泵3.真空表4.压力表
5.涡轮流量计6.出水阀门7.进水阀门
2.流量
式中：
Q1—流量数字显示读数
A—流量数字显示仪的仪表常数（A=）
3.功率
（1）轴功率
从微机扭矩仪直接读出（或用电测法读出两个瓦特表格数，再进行换算）。
实验时，试验转速n如果不等于额定转速ne,则应将各参数换算到额定转速下，换算公式为：
式中：
Q、H、N—实验转速下的参数
n—微机扭矩仪或闪光测速仪读数（转/分）
Qe、He、Ne—额定转速下的参数
ne—额定转速
（2）有效功率
式中：
Qe—在额定转速下的值（m3/h）
He—在额定转速下的值（m）
4.效率
式中：
Ne州、Ne效—在额定转速下的值
六、绘制性能特性曲线
以流量Qe为横座标，分别以扬程He，轴功率Ne,效率η为纵座标绘制He=f（Qe）,
N=f（Qe），η=f（Qe）曲线如下图。
表1叶片泵性能实验记录表
泵型号______________额定转速______________测流种类______________实验日期______________
测
号
记录值
计算值
按额定转速换算值
流量计
Q1
真空表
P1
压力表
P2
功率仪
转速仪
n
（r/min）
流量
Q
（m3/h）
扬程
H
（m）
功率
流量
Q
（m3/h）
扬程
H
（m）
功率
效率
η
（%）
N1
N2
N效
（KW）
N轴
（KW）
N效
（KW）
N轴
（KW）
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
实验者:
记录者:
计算者:
实验二叶片泵空蚀实验
一、实验目的及要求
1.确定水泵在工作范围内，流量与吸上真空度或空蚀余量之间的关系。
2.绘制Q-[Hs]关系曲线.
3.掌握产生空蚀试验的方法，加深对水力机械空蚀现象的认识.
二、实验原理
水泵产生空蚀的原因，是因流道内局部地方液流的压力过低，水泵内压力最低的地方是在叶轮的叶片入口边附近，泵吸入口的压力与泵吸入段管路系统，吸水池液面压力等密切相关。
为此要讨论泵吸入口处的压力情况，一般泵吸入口压力低于大气压，其真空度Hs为：
由此可知，Hs与水泵的安装高度H，吸水管中的流速Vz，安装高度Hsz有关,且都为定值，只要改变吸水路损失∑hs。
本实验就是通过调节泵进水阀门，达到提高真空度Hs之目的。
当Hs提高到一定时，泵吸入口压力低于实验所在状况下的汽化压力，泵内产生气泡。
随吸入口压力继续降低泵产生噪音，震动，最终导致泵运行工况断裂。
本实验主要是测出各流量点的断裂工况，确定各工况的临界空蚀余量（NPSH）。
或临界吸上真空度Hscr。
三、实验装置及所用设备、仪器、仪表
1.IS100-80-125型水泵一台，Y132S2-2型电动机一台，进、排水管路各一套，进、出水阀门各一个。
2.真空表（YB-150,0.35级）一只，压力表（YB-150,0.4级）一只。
3.涡轮流量计一套，LW-100型涡轮流量变送器一台，XSS-10型流量数字显示仪一台。
4.转矩转速测量仪一套，转矩转速传感器一台，微机扭矩仪一台（或成套电测仪表
一套，闪光测速仪一台）。
5.温度计一支。
实验装置祥见水泵性能实验装置简图。
四、实验方法及步骤
1．在指导教师的指导下，检查设备、仪器、仪表安装是否正确，连接是否可靠，转动
是否灵活，接线是否有误，供电系统是否正常等，发现问题及时纠正后，方可进行实验。
2．实验测出水温t℃水，该地的大气压力Pa。
3．确定流量点：
在泵性能曲线上选择泵的工作范围中包括设计点，边界点在内的三个以上的工况点，分别作每个工况点的空蚀试验。
而每个工况上的实验点不少于15个，临近断裂工况附近点要密集一些。
下面以任意一工况点为例介绍试验步骤：
启动泵，调节出水阀门。
使泵运行到所选工况点，待运行稳定后记录下第一个点;Q1、n1、N12、N22、P11、P21。
……
如果P1提高，Q1≠Q,即偏离工况点,则需要调节出水阀门,保持流量Q1=Q,即得第I点,记下Qi、ni、N1i、N2i、P1i、P2i。
按上述试验,直到无法调回原流量Q1,泵完全发生空蚀工况断裂为止。
五、数据的处理、计算及曲线绘制
1．流量、扬程、功率的计算
与水泵性能实验相同，将所测数据列入《叶片泵空蚀实验纪录表》中，分别换算出额定转速下各工况点的H、Q、N值。
2．空蚀余量
式中：
Pa—实验状况下的大气压力（N/m2）
Pv—实验温度下液体的汽化压力（N/m2）
式中：
Q—在试验转速下的值（m3/s）
D2—进口管径（D1=0.1m）
Hs=100P1
P1—真空表读数（MPa）
如果试验转速n不等于泵的额定转速ne,则应换算成额定转速时的空蚀余量NPSH,换算公式为:
3．型式数
式中：
n、Q、H—泵设计点的参数（n=2900转/分,Q=6.0278m2/s，H=20m）
4.临界空蚀余量的确定
（1）绘制泵在额定转速下的H=f（NPSH）断裂特性曲线
（2）确定临界空蚀余量（NPSH）c。
由GB3216-82规定,（NPSH）c的确定原则为：
在H=f（NPSH）曲线上，取在扬程急剧变化的阶段内，扬程下降
的点为临界空蚀余量点（NPSH）c，如断裂特性曲线图示。
图3水泵断裂特性曲线
5.允许空蚀余量
[NPSH]=[NPSH]c+0.3（m）
6.允许吸上真空高度[Ha]
按下式换算成标准大气压（760mmHg）和温度为20℃时标准状态下的允许吸上真空高度[Hs],即
（m）
按照以上计算,分别将各工况点的（NPSH）c求出换算成[Hs]后在泵的性能曲线图上描出各点,用曲线光滑连接,即得泵在工作范围内的Q-[Hs]曲线或Q-NPSHc曲线。
（如图示）
实验结束后，应妥善清理好仪器和设备，交指导老师检查后，方可离去。
每人交实验报告一份，最后应计算所测流量点的[Hs]值，（附原始记录表和特性曲线）。
图4水泵性能特性曲线
表2叶片泵空蚀实验记录表
泵型号______________额定转速______________测流种类______________水温______________大气压______________
测
号
记录值
计算值
按额定转速换算值
流量计
Q1
真空表
P1
压力表
P2
功率仪
转速仪
n
（r/min）
流量
Q
（m3/h）
扬程
H
（m）
功率
流量
Q
（m3/h）
扬程
H
（m）
功率
效率
η
（%）
N1
N2
N效
（KW）
N轴
（KW）
N效
（KW）
N轴
（KW）
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
实验者:
记录者:
计算者:
实验三水轮机能量实验
一、实验目的及要求
1.确定模型水轮机在各工况点下的效率η与单位流量Q’1和开度a0之间的关系。
2.绘制η=f（Q’1,n’1）,a0=f（Q’1,n’1）能量特性曲线。
3.掌握水轮机能量试验的方法，熟悉试验装置及应用的仪器仪表。
二、实验原理
水轮机模型能量实验，是根据水轮机的相似准则，将水轮机作成一定尺寸的模型，在无空蚀的条件下，在开式或闭式实验台上进行试验。
在实验中，保持水头不变，改变导叶开度a0，一般要求6-10个开度，每个开度要求作8-13个工况点，通过测定水头H，流量Q，转速n，功率N等参数，计算出各工况相应的η,n’1,Q’1值，从而绘制出水轮机能量特性曲线。
三、实验装置及各项参数的测量
1．实验装置
本试验用机为D1=250毫米的轴流式水轮机，叶片数Z1=24，涡壳为金属多边形截面，加长肘形尾水管。
图5水轮机开式实验简图
1.供水泵2.压力水池3.上游溢流装置4.测速盘5.测功器6.模型机组7.尾水槽8.调节闸门9.稳流栅10.测流槽11.浮子筒12.堰板13.回水池
2．各项参数的测量
a.水头的测量
水头的测量是由连接压力水池和尾水槽的连通管的液面高度差来测定的。
即：
H=H2-H1
式中：
H2—压力水池水位读数（mm）
H1—尾水槽水位读数（mm）
b.堰顶水头的测量
测流槽与浮子筒连通,浮子随测流槽中水位的高低变化来进行测定的,即:
h=h1-H0（m）
式中：
h1—测流槽水位读数（mm）
h0—测流槽零水位（mm）
图6浮子装置简图
1.标尺2.浮子3.浮子筒4.重锤
c.转速的测量
将有60齿的测速盘装在主轴上,转速经SZMZ-5转速传感器将信号输入PPIIA型频率记数码显示读数.
d.力矩的测量
用摩擦测功器制动力矩,在测功器力臂一端加法码,其制动力矩为:
M=PL（N.m）
式中：
P—制动力,即砝码重（N）+吊钩重（N）,本装置吊钩重2.06N。
L—测功臂长度，本装置L=0.437m
图7机械测功器示意图
1.测功臂2.测功轮3.水轮机轴4.调节机构5.钢带6.牛皮闸块
四、实验方法及步骤
1．实验进行前，应充分熟悉实验指导书，初步了解水轮机模型能量实验的方法。
2．检查个测试设备是否正常，水轮机导叶是否关闭。
3．启动供水泵向水塔供水，并达到选定的实验水头。
4.按选定的导叶开度，开启导叶使水轮机空载运行，并调整各测试设备，使其处于工
作状态，调节尾水调节闸，开启测功器冷却水，使尾水液面稳定。
5.保持导叶开度不变，按每隔一定重量加一次砝码，并相应地调节测功器，使测功臂
处于平衡位置，待工况稳定后，同时读出上、下游水位，转速、砝码重及堰顶水头，分别记入《水轮机模型实验记录表》中。
五、参数的计算和曲线绘制
1．流量Q的计算
（升/秒）
式中：
D—堰板高，本装置D=0.3m
H—堰顶水头（m）
B—堰宽，本装置B=0.7m
2．效率η的计算
式中：
L—测功臂长度，本装置L=0.437m
Y—水的重度，Y=9810N/m3
P—制动力矩（N）
n—转速（r/min|）
Q—流量（m3/s）
H—水头（m）
3．单位转速n’1的计算
式中：
n—转速（r/min|）
D1—模型转轮直径，本装置D1=0.25m
H—水头（m）
4．单位流量Q’1的计算
式中：
Q—流量（m3/s）
D1—模型转轮直径，本装置D1=0.25m
H—水头（m）
5．能量特性曲线的绘制
根据计算结果，在以n’1为纵座标，Q’1为横座标的Q’1—n’1坐标系中绘制等效率曲线η=f（Q’1,n’1）,等开度曲线a0=f（Q’1,n’1），如图四所示，特性曲线用十六开坐标纸绘制，坐标比例适当，描点正确，曲线应光滑连接。
实验结束后，应妥善清理仪器和设备，交指导教师检查后，方可离去。
每人交实验报告一份（附原始记录表和绘制的特性曲线）。
图8等开度线及等效率线的绘制
表3水轮机能量实验记录表
转轮型号：
导叶开度a0=mm测流堰零水位h0=mm
测
点
号
记录值
计算值
压水池
水位
H1（m）
尾水槽
水位
H2（m）
测流堰
水位
h1（m）
砝码重
P（kg.f）
转速
n
r/min
试验
水头
H（m）
堰顶
水头
h（m）
流量
Q
（L/S）
单位流量
Q`1
（L/S）
单位转速
n`1
（r/min）
效率
η
（%）
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
实验四水轮机现场认知
一、实验目的及要求
三、实验设备
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