流体力学综合实验——离心泵特性曲线测定

  实验报告

课程名称：       过程工程原理实验（甲）I   指导老师：             成绩：_________________ 

实验名称：流体力学综合实验——离心泵特性曲线测定 实验类型：__   同组学生姓名：          

一、实验目的和要求（必填）                                       二、实验内容和原理（必填）

三、主要仪器设备（必填）                                          四、操作方法和实验步骤

五、实验数据记录和处理                                              六、实验结果与分析（必填）

七、讨论、心得

离心泵特性曲线测定

一、实验目的和要求

⑴ 了解离心泵结构与特性，熟悉离心泵的使用；

⑵ 测定离心泵在恒定转速下的操作特性，做出特性曲线；

⑶ 了解差压变送器、涡轮流量计等仪器仪表的工作原理和使用方法。

二、实验装置与流程

⑴ 实验装置

实验对象部分是由贮水箱、离心泵，涡轮流量计和压差传感器等组成的。

水的流量使用涡轮流量计进行测量，泵进出口压差采用压差传感器进行测量，泵的轴功率由功率表测量，流体温度采用Pt100温度传感器测量。实验管路为Φ32×2.5不锈钢管。

⑵ 实验流程

离心泵特性曲线测定装置流程图如图 1所示。

1、水箱  2、离心泵  3、压差传感器  4、温度计  5、涡轮流量计  6、流量计  7、转子流量计  8、转子流量计  9、压差传感器  10、压差传感器  11、压差传感器  12、粗糙管实验段  13、光滑管实验段  14、层流管实验段  15、压差传感器  16、压差传感器  17、局部阻力  18、局部阻力

三、实验内容和原理

离心泵的特性曲线是选择和使用离心泵的重要依据之一，其特性曲线是在恒定转速下泵的扬程H、轴功率N及效率η与泵流量Q之前的关系曲线，它是流体在泵内流动规律的宏观表现形式。由于泵内流动复杂，不能使用理论方法推导出泵的特性关系曲线，只能依靠实验测定。

⑴ 扬程H的测定与计算

取离心泵进口真空表和出口压力表处为1、2两截面，列机械能衡算方程：

                        ⑴

若泵进出口速度相差不大，则速度平方差可忽略，则有

                           ⑵

式中：，表示泵出口和进口间的位差，m；

ρ——流体密度，kg/m3；

g——重力加速度，m/s2；

         p1、p2——分别为泵进、出口的真空度和表压，m；

         H1、H2——分别为泵进、出口的真空度和表压对应的压头，m；

         u1、u2——分别为泵进、出口的流速，m/s；

   z1、z2——分别为真空表、压力表的安装高度，m。

       由上式可知，只要直接读出真空表和压力表上的数值，及两表的安装高度差，就可计算出泵的扬程。

⑵ 轴功率N的测量与计算

                               ⑶

其中，为电功率表显示值，W；k代表电动机转动效率，可取k=0.8。

⑶ 效率η的计算

泵的效率η是泵的有效功率Ne与轴功率N的比值。有效功率Ne是单位时间内流体经过泵时所获得的实际功，轴功率N是单位时间内泵轴从电机得到的功，两者差异反映了水力损失、容积损失和机械损失的大小。

泵的有效功率Ne可用下式计算：

                                 ⑷

故泵效率为                                                ⑸

⑷ 转速改变时的换算

泵的特性曲线是在定转速下的实验测定所得。但是，实际上感应电动机在转矩改变时，其转速会有变化，这话随着流量Q的变化，多个试验点的转速n将有所差异，因此在绘制特性曲线之前，须将实测数据换算为某一定转速n’下（可取离心泵的额定转速）的数据。换算关系如下：

流量                                                       ⑹

扬程                                                    ⑺

轴功率                                                   ⑻

效率                                       ⑼

四、实验步骤

㈠ 实验步骤

⑴ 开启仪表柜上的总电源、仪表电源开关。给离心泵灌水，然后关闭出口阀、灌泵口，启动水泵电机，待电机转动平稳后，把泵的出口阀缓缓开到最大。

⑵ 全开流量调节阀，排除管路内空气。从最大流量做起，待仪表度数稳定后，记录数据。主要获取实验参数为：流量Q、泵进出口压差ΔP、电机功率N电、泵转速n、两测压点高度差H0和流体温度t。

⑶ 逐渐关闭调节阀以减小流量，测量10组左右数据，包括流量为0的组。

⑷ 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）。

⑸ 实验结束，关闭泵出口阀，停止水泵电机，关闭仪表电源。

㈡ 注意事项

⑴ 一般每次实验前，均需对泵进行灌泵操作，以防止离心泵气缚。同时注意定期对泵进行保养，防止叶轮被固体颗粒损坏。

⑵ 泵运转过程中，勿触碰泵主轴部分，因其高速转动，可能会缠绕并伤害身体接触部位。

五、实验数据记录和处理

⑴ 分别绘制一定转速下的H~Q、N~Q、η~Q曲线

实验原始数据记录：

离心泵型号    YS8022    ，额定流量    6m3/h    ，额定扬程   28.4m  

额定功率   1.100kw  ，额定转速  2828rpm  ，泵进出口测压点高度差H0   0.1m   

水温t： 30.7 ℃  ，水的密度ρ=995.7kg/m3  

根据式⑵、⑶、⑸、⑹、⑺、⑻、⑼，计算结果如下表所示：

计算示例：取第1组数据

104.00*1000/(995.7*9.81)+0.1=29.71m

*0.8=1160*0.8=928W

995.7*9.81*9.98*29.71/(928*3600)=0.311

转变转速后的数据：

计算示例：取第1组数据，

 = 9.98*2828/2865=9.85/h

=10.65*(2828/2865)2=10.37m

=928*(2828/2865)2=893W

η’=η=0.196

因此在转速n=2828rpm下，作出泵的H-Q、N-Q、η-Q曲线：

图 2 H-Q,N-Q曲线

图 3 H-Q, η-Q曲线

从以上三条曲线可以看出，在误差允许的情况下，该离心泵的压头随流量的增加而下降（此图的开头H略有上升，应是误差原因），轴功率随流量的增加而增加，效率随流量的增加先增加后下降，符合大部分离心泵的特点。

⑵ 分析实验结果，判断泵最为适宜的工作范围。

效率曲线有一最高点，称为设计点。由于管路输送条件不同，离心泵不可能正好在最佳工况点运行。一般选用离心泵时，其工作区应处于最高效率点的92%左右。

由上图得，当Q=5.95m3 /h时，泵效率最大，η值为0.450。因此，正常工作时泵的效率η应为0.414～0.450，工作范围约为4.50～8.40m3 /h。

七、讨论、心得

1、试从所测实验数据分析，离心泵在启动时为什么要关闭出口阀门？

答：从图中可以看出，轴功率随流量的增大而增大，当流量为零时，功率最小，若开机时阀门开大，则电机的瞬时功率很大，会对电机造成损害。因此，离心泵应在出口阀关闭时启动，此时流量为零，电机功率也接近零，可以防止电机过载。

2、启动离心泵之前为什么要引水灌泵？如果灌泵后依然启动不起来，你认为可能的原因是什么？

答：若泵内无液体，则当离心泵运转时，其内部的气体经离心力的作用所形成的吸入室内的真空度很小，没有足够的压差使液体进入泵内，使离心泵吸不上液体。

如果依然启动不了，可能是引水好后未将引水阀门关闭，泵启动之后，吸入口处产生负压，将引水漏斗处的水吸完后即吸入空气，产生气缚，从而不能将水打出；或者是泵出现漏气现象。

3、为什么用泵的出口阀门调节流量？这种方法有什么优缺点？是否还有其他方法调节流量？

答：如果在泵的进口侧调节流量，当阀门关小时，会出现液体不能充满管路的现象，这会对实验结果造成影响，因此要用泵的出口阀门调节流量。这种方法的优点是简单易行，可以连续操作，缺点是节流阀消耗能量。另外可以使用变频器调节电机转速来调节流量，或者切削叶轮的半径，但这种方法的破坏性大。或者采用多台泵的串并联以改变流量。

4、正常工作的离心泵，在进口管路上安装阀门是否合理？

不合理。进口处安装阀门会降低流体的静压能，当压力过低会产生“气蚀”现象，这样会对泵造成物理冲击和化学腐蚀，缩短泵的寿命，还会产生噪音与剧烈振动。

5、试分析，用清水泵输送密度为1200kg/m3的盐水，在相同流量下你认为泵的压力是否变化？轴功率是否变化？

答：由   得，理论压头与流体密度无关，因此在相同流量下输送盐水泵的压力不变。

而由 得，轴功率与流体密度有关，输送盐水时轴功率增大，且轴功率之比等于密度之比。=1.2N