离心泵性能实验.docx
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离心泵性能实验
离心泵性能实验
【摘要】本实验中，通过对泵内液体质点运动的理论分析得到理论压头与流量的关系.直接测定并根据各参数间的关系，得出He-Q、N-Q和η-Q三条曲线,称为泵的特性曲线.求出泵的最佳操作范围，作为选泵的依据。
作图拟合找出孔流系数与雷诺数的关系。
并在三个不同流量下均匀改变电机的频率测得一系列实验点，以此来研究管路特性曲线并对实验结果进行分析讨论。
【关键词】离心泵，管路特性曲线，扬程，效率，孔流系数
一、实验目的及任务
（1）了解离心泵的构造，掌握其操作和调节方法。
（2）测定离心泵在恒定转速下的特性曲线，并确定泵的最佳工作范围。
（3）熟悉孔板流量计的构造、性能及安装方法。
（4）测定管路特性曲线。
二、基本原理
1.离心泵特性曲线测定
离心泵的性能参数取决于泵的内部结构、叶轮形式及转速。
其中理论压头与流量的关系，可通过对泵内液体质点运动的理论分析得到，。
由于液体流经泵时，不可避免地会遇到种种阻力，产生能量损失，诸如摩擦损失、环流损失等，因此，实际压头比理论压头小，且难以通过计算求得，因此通常采用实验方法，直接测定其参数间的关系，并将测出的He-Q、N-Q和η-Q三条曲线称为离心泵的特性曲线。
另外，根据此曲线也可以求出泵的最佳操作范围，作为选泵的依据。
（1）泵的扬程He
He=H压力表+H真空表+H0
式中H压力表——泵出口处的压力，mH2O；
H真空表——泵入口处的真空度，mH2O；
H0——压力表和真空表测压口之间的垂直距离，H0=0.85m。
（2）泵的有效功率和效率
由于泵在运转过程中存在种种能量损失，使泵的实际压头和流量较理论值为低，而输入泵的功率又比理论值为高，所以泵的总效率为
式中Ne——泵的有效功率，kW；Q——流量，m3/s；
He——扬程，m；ρ——流体密度，kg/m3。
由泵轴输入离心泵的功率N轴为:
式中N电——电机的输入功率，kW；η电——电机效率，取0.9；
η轴——传动装置的传动效率，一般取1.0。
2.孔板流量计孔流系数的测定
在水平管路上装有一块孔板，其两侧接测压管，分别与压差传感器的两端相连。
孔板流量计是利用流体通过锐孔的节流作用，使流速增大，压强减少，造成孔板前后压强差，作为测量的依据。
若管路直径为d1，孔板锐孔直径为d0，流体流经孔板前后所形成缩脉的直径为d2，流体密度为ρ孔板前侧压导管截面处和缩脉截面处的速度和压强分别为u1、u2与p1、p2，根据伯努利方程，不考虑能量损失，可得
或
由于缩脉的位置随流速的变化而变化，故缩脉处截面积S2难以知道，孔口的面积为已知，且测压口的位置在设备制成后也不改变，因此，可用孔板孔径处的u0代替u2，考虑到流体因局部阻力而造成的能量损失，用校正系数C校正后，则有
对于不可压缩流体，根据连续性方程有:
经过整理可得:
令
，则又可以简化为:
根据u0和S2，即可算出流体的体积流量Vs为:
或
式中Vs——流体的体积流量，m3/s；
p——孔板压差，Pa；
S0——孔口面积，m3；
ρ——流体的密度，kg/m3；
C0——孔流系数。
孔流系数的大小由孔板锐孔的形状、测压口的位置、孔径与管径比和雷诺数共同决定，具体数值由实验测定。
当d0/d1一定，雷诺数Re超过某个数值后，C0就接近于定值。
通常工业上定型的孔板流量计都在C0为常数的流动条件下使用。
三装置与流程
图1实验装置图
1-蓄水池；2-底阀；3-真空表；4-离心泵；5-灌泵阀；6-压力表；
7-流量调节阀；8-孔板流量计；9-活动接口；10-流量计；
11-计量水槽（495495）mm；12-回流水槽；13-计量槽排水阀
另外还有秒表用来计时。
四、实验操作
（1）检本实验通过调节阀门就能改变流量，测得不同流量下的离心泵的各项性能参数。
流量可通过计量槽和秒表测量。
查电机和离心泵是否正常运转。
打开电机的电源开关，观察电机和离心泵的运转情况，如无异常，就可切断电源，准备在实验时使用。
（2）在进行实验前，首先要灌泵（打开灌泵阀），排出泵内的气体（打开流量调节阀）。
灌泵完毕后，关闭调节阀及灌水阀即可启动离心泵，开始实验。
（3）实验时，逐渐打开调节阀以增大流量，并用计量槽计量液体流量。
当流量大时，应注意及时按动秒表和迅速移动活动接管，并多测取几次数据。
（4）为防止因水面波动而引起的误差，测量时液位计高度差值应不小于200mm。
（5）测取10组数据并验证其中几组数据，若基本吻合后，可以停泵，同时记录下设备的相关数据（如离心泵型号、额定流量、扬程和功率等）。
（6）测定管路特性曲线时，固定阀门开度，改变频率，测定8~10组数据，并记录。
（7）实验完毕，停泵，记录相关数据，清理现场。
五．数据处理及结果讨论
1、泵的特性曲线研究，并由实验得C0-Re曲线
表1泵性能曲线实验原始数据
序号
H0/mm
H1/mm
t/s
P真Mpa
P压Mpa
N电/kw
T/0C
p孔板压降kpa
1
0
0
0
-0.010
0.190
0.49
16.4
0
2
42
253
69
-0.009
0.181
0.61
16.4
2.1
3
19
242
54
-0.008
0.165
0.68
16.4
4.4
4
54
298
50
-0.008
0.152
0.74
16.4
6.7
5
80
318
42
-0.010
0.140
0.76
16.4
9
6
63
310
37
-0.012
0.122
0.8
16.4
11.6
7
96
350
35
-0.015
0.115
0.83
16.4
13.4
8
74
342
34
-0.015
0.102
0.85
16.4
16.2
9
84
329
30
-0.016
0.091
0.88
16.4
18.3
10
80
316
27
-0.018
0.073
0.89
16.4
20.6
表2：
泵的特性曲线实验相应的计算值
（说明：
取ρ=998.74kg/m3μ=1.113mpa·s）
流量（m3/h）
扬程He/m
Ne/kw
N轴/kw
效率
孔流系数
Re
0.00
21.26
0.0000
0.441
0.0000
0.0000
0
2.70
20.24
0.1485
0.549
0.2705
0.7948
20393
3.64
18.51
0.1834
0.612
0.2996
0.7415
27540
4.30
17.18
0.2011
0.666
0.3020
0.7101
32544
5.00
16.16
0.2197
0.684
0.3212
0.7114
37790
5.89
14.53
0.2327
0.72
0.3231
0.7382
44519
6.40
14.12
0.2458
0.747
0.3291
0.7467
48397
6.95
12.79
0.2419
0.765
0.3162
0.7376
52566
7.20
11.77
0.2306
0.792
0.2912
0.7190
54462
7.71
10.14
0.2126
0.801
0.2654
0.7253
58290
以表2中第二行数据示例计算如下：
流量Q=（H1-H0）×A/t=（0.253-0.042）×0.4952×3600/69=2.70m3/h
扬程He=+
=+0.85=20.24m
有效功率
kw
轴功率：
kw
效率：
孔流系数
=0.7948
雷诺数
=20393
以表2中数据结果作图如下
图2离心泵性能曲线
1、由图可知离心泵的有效压头He（扬程）、效率η、轴功率Pa三者均随流量变化而变化。
泵的扬程随流量增大而减小，泵的轴功率随流量增大而增大。
而效率在流量为4.5~5.5m3/h时有最大值。
2、离心泵内的容积损失、水力损失和机械损失是构成泵的效率的主要因素。
由图中可以看到泵的效率曲线存在极值点（最大值），即该点对应的压头损失最小。
3、泵的理论压头与流量的关系可以用于泵的选择的重要依据，能提供该泵的最佳工作范围，也可以根据管路要求判断一个泵是否符合要求。
4、将实验数据点用多项式拟合成曲线如图所示，有些实验点与曲线间有一定差距，实验中存在一定误差。
分析误差产生原因可能是：
人为操作产生的误差，读取压力表，水箱高度，操作秒表时等都可能会产生一定误差。
仪器的灵敏度不够，本小组所使用的测温仪所示温度一直是同一值，当然此时温度的微小变化对实验结果没有太大的影响，也可以忽略。
由表2用单对数坐标图作出C0-Re曲线如下：
孔流系数C0
图3C0-Re曲线
1、由图可看到，总体上，孔流系数几乎不变，在0.7到0.8之间变化，在实验范围内，孔流系数几乎为一个常数（当然有些数据有所偏离），因此在研究管路特性曲线的时候采用实验测得的孔流系数的平均值。
2、根据实验点拟合出孔流系数与雷诺数的关系曲线，理论上讲，孔流系数主要是雷诺数与面积比，本实验中面积比是定值，所以C0仅取决于雷诺数，当雷诺数增大到一定值后，C0不再随其变化。
本实验中曲线变化趋势不稳定，而且根据工程经验孔流系数应该在0.6~0.7之间，但本实验测得平均值为0.7361，有些偏大。
分析可能是因为实验中存在一定误差，所得实验点的值与真实值之间存在一定得误差，误差可能产生的原因同讨论一中所提。
2、管路特性曲线研究
表3P孔板压降=20kpa
序号
T/0C
N电/kw
P真Mpa
P压Mpa
f/Hz
p孔板压降kpa
流量（m3/h）
H/m
1
16.4
0.89
-0.019
0.073
50
20.8
7.86
10.24
2
16.4
0.72
-0.018
0.062
46
16.9
7.09
9.02
3
16.4
0.56
-0.016
0.053
42
14.1
6.47
7.89
4
16.4
0.46
-0.015
0.045
38
11.4
5.82
6.97
5
16.4
0.34
-0.014
0.035
34
8.7
5.08
5.85
6
16.4
0.26
-0.013
0.029
30
6.5
4.40
5.14
7
16.4
0.19
-0.011
0.02
26
4.5
3.66
4.01
8
16.4
0.15
-0.01
0.015
22
3
2.99
3.40
表4P孔板压降=15kp
序号
T/0C
N电/kw
P真Mpa
P压Mpa
f/Hz
p孔板压降kpa
流量（m3/h）
H/m
1
16.4
0.85
-0.017
0.105
50
15.1
6.70
13.30
2
16.4
0.68
-0.016
0.092
46
13.1
6.24
11.87
3
16.4
0.53
-0.015
0.073
42
10.8
5.67
9.83
4
16.4
0.42
-0.014
0.061
38
8.7
5.08
8.50
5
16.4
0.34
-0.013
0.049
34
6.8
4.50
7.18
6
16.4
0.25
-0.011
0.038
30
5
3.85
5.85
7
16.4
0.19
-0.01
0.028
26
3.4
3.18
4.73
8
16.4
0.15
-0.01
0.02
22
2.1
2.50
3.91
表5P孔板压降=8kpa
序号
T/0C
N电/kw
P真Mpa
P压Mpa
f/Hz
p孔板压降kpa
流量（m3/h）
H/m
1
16.4
0.76
-0.013
0.142
50
8.2
4.94
16.67
2
16.4
0.6
-0.012
0.121
46
6.8
4.50
14.42
3
16.4
0.48
-0.011
0.102
42
5.5
4.04
12.38
4
16.4
0.37
-0.011
0.081
38
4.5
3.66
10.24
5
16.4
0.3
-0.011
0.068
34
3.4
3.18
8.91
6
16.4
0.23
-0.01
0.051
30
2.6
2.78
7.08
7
16.4
0.17
-0.009
0.038
26
1.8
2.31
5.65
8
16.4
0.14
-0.009
0.029
22
1.1
1.81
4.73
以表3中第二行数据示例计算如下：
取孔流系数C0=0.7361（取平均值）
流量
H=+
=+0.85
=9.02m
用三个表中计算数据绘制管路特性曲线图如下：
流量（m3/h）
H/m
图4管路特性曲线
1、本实验通过固定阀门开度，改变频率测定出三条管路特性曲线，从每一条曲线看H随流量增大而增大。
理论上讲，H正比于（-Q流量2），实验所得数据拟合成的曲线基本符合这一关系式。
2、对比三条线，可见调节出口处的调节阀，改变开度即改变管路阻力系数，可改变管路特性曲线的位置，开度越小，同流量下H越大，用这种调节方法来改变管路特性曲线操作方便简单，但是增加了管路阻力损失（阀门关小时），而且会使泵在低效率下工作。
六思考题
1、根据离心泵的工作原理，分析为什么离心泵启动前要灌泵？
在启动前为何要关闭调节阀？
答：
（1）离心泵是靠叶轮旋转产生的离心力把水排出，泵内的水排出后形成真空负压，又把水吸入泵内，周而复始的进行工作。
在管内形不成真空而且离心泵精度低的情况下，需要把内部空气排气，所以使用前要先灌引水。
（2）避免启动电流过大，保护电机。
2、当改变流量调节阀开度时，压力表和真空表的读数按什么规律变化?
答：
真空表负压变大，压力表逐渐减小。
3、用孔板流量计测量流量是，应根据什么选择孔口尺寸和压差计的量程？
答：
因为阻力损失正比于压差计读数，说明读数R是以机械能损失为代价取得的。
因此应选择适当的面积比m以期兼顾适宜的读数和阻力损失。
4、试分析气缚现象与气蚀现象的区别？
答：
离心泵启动时，若泵内存有空气，由于空气密度很低，旋转后产生的离心力小，因而叶轮中心区所形成的低压不足以将储槽内的液体吸入泵内，虽启动离心泵也不能输送液体，这种现象称为气缚。
液体在一定温度下，降低压力至该温度下的汽化压力时，液体便产生气泡。
把这种产生气泡的现象称为气蚀。
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