离心泵性能试验

摘要：

    离心泵的性能实验以常温常压下水为流体，测出在一定的转速下，离心泵的扬程He、轴功率N和效率η与流速qv的关系，并以三条曲线分别表示出来，即离心泵的特性曲线。根据此曲线可求出泵的最佳操作范围。管路中需安装孔板流量计，测定不同流速下孔板流量计的孔流系数C0和雷诺数，并在单对数坐标轴上画出C0-Re关系曲线。改变泵的频率，从而改变流量，再由压力表分别测得管路的进口压降和出口压降，求出管路的压头H，在坐标轴上绘制H-qv的关系曲线，即管路特性曲线。将离心泵的特性曲线He-qv与其所在管路特性曲线H-qv绘于同一坐标上，两交点称为泵在该管路上的工作点。该点所对应的流量和压头既能满足管路系统要求，又能为泵所能提供。

关键词：流量、压头、效率、轴功率、孔流系数

一、        实验目的：

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．测定孔板流量计的孔流系数

5．测定管路特性曲线。

三．实验原理：

1.离心泵特性曲线测定

对一定类型的泵来说，泵的特性曲线主要是指在一定转速下，泵的扬程 (He)、轴功率(N) 和效率 (η ) 与流量 (Q) 之间的关系。由于离心泵的结构和流体本身的非理想性以及流体在流动过程中的种种阻力损失，难以推出扬程的纯理论计算式。因此，一般采用实验的方法直接测定He- Q、N- Q、η- Q的关系，及离心泵的特性曲线。另外，根据特性曲线也可求出泵的最佳操作范围，作为选泵的依据。

 图 1离心泵的理论压头与实际压头

（1）泵的扬程He

分别取泵的进出口为1-1截面与2-2截面，建立机械能衡算式：

 + z₁ + + He=  + z₂ +     

He =H真空表 + H压力表 + H0

    He = (Z2 - Z1) + (p₂ - p₁ ) / gρ          

式中：  H压力表----泵出口处的压力

 H真空表----泵入口处的真空度

H₀ — 表示压力表和真空表测压口间的垂直距离，H₀ =0.85m；                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                

p₁、p₂ — 分别为泵进、出口的真空度和表压，Pa；

u₁、u₂ — 分别为泵进、出口的流速，m/s，u₁=u₂；    

计算出泵进出管路上的压差，就可计算出泵提供给液体的扬程。

（2）泵的有效功率 (N_e) 和效率 (η )：

     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，泵的总效率为

η = N_e /N轴

N_e =HeQρ/102

式中  

       Q_-----流量，m³/s；

       He----扬程，m；

       ρ----流体密度，kg/m³；

 N_{e ------}泵的有效功率，kW；

N轴----轴功率，kW，即泵轴传递给泵的功率。

N轴= N_电*η_电*η_转

式中
       N电---电机的输入功率, kW；
       η电---电机的效率，取0.9；

 η_转---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

图 2孔板流量计构造原理

在水平管路上装有一块孔板，孔板两侧接测压管，分别与压差传感计两端相连接。孔板流量计是利用流体通过锐孔的节流作用，使流速增大，压强减小，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，流体流经孔板后所形成缩脉的直径为d2，流体密度为ρ。在孔板前测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，根据柏努利方程式，不考虑能量损失可得：
(u2²－u1²)/2=(p1－p2)/ρ=gh

或                             (u2²－u1²) ^0.5=(2gh) ^0.5

    由于缩脉的位置随流速的变化而变化，缩颈处截面积S2又难以知道，而孔口的面积却是知道的，测压口的位置在设备制成后也不改变，因此，用孔板孔径处的u0来代替u2，又考虑到流体因局部阻力而造成的能量损失，并用校正系数C来校正。则有：

(u0²－u1²) ^0.5=C(2gh) ^0.5
对于不可压缩流体，根据连续性方程式又有：
                         u1= u0S0/S1
则经过整理后可得：

u0=C*(2gh) ^0.5 /[1－(S0/S1) ²] ^0.5

令C0=C/[1－(S0/S1) ²] ^0.5，则又可以简化为：

u0= C0* (2gh) ^0.5

根据u0和S2，即可算出流体的体积流量：
                         Vs= u0 S0= C0 * S0*(2gh) ^0.5 

或                       Vs= C0 S0(2Δp/ρ) ^0.5

    式中：

Vs----流体的体积流量，m³/s；
Δp----孔板压差，Pa；
S0----孔口面积，m²；

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，具体数值由实验确定。当d₀/d₁一定，Re超过某个数值后，C₀就接近于定值。一般在工业上定型孔板流量计都规定在C0为常数的流动条件下使用。

四．实验流程示意图：

       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——液位计。11——计量水槽；12——回流水槽：13——计量槽排水阀

五.操作要点:

本实验通过调节阀门改变流量，测得不同流量下离心泵的各项性能参数。流量可通过计量槽和秒表测量。

1．检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．打开灌泵阀灌泵，打开流量调节阀，排出泵内气体。灌泵完毕后，关闭调节阀与灌水阀，启动离心泵，开始实验。

3．数据的测定：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，应注意即使按动秒表和迅速移动活动接管，多测取几组数据。

4．为防止因水面波动而引起误差，测量时液位计高度差应不小于200mm。

5．测取10组左右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，测取8-10组数据，并记录。

7．实验结束，实验完毕，按下仪表台上的水泵停止按钮，停止水泵的运转。关闭水泵出口阀。

六.实验数据整理:

泵的型号WB70/055     转速n=2900r/min

被测管径：  进口φ＝ 48×3mm；出口φ＝33×3mm

孔板锐孔直径：d₀＝  18.0mm

              φ＝33×3.5mm

1.      离心泵的特性曲线

表一:泵的转速恒定,改变流量,泵的原始数据

表二:泵的数据处理d₁=0.042m  d₂=0.027m μ=0.8823mPa.s ρ=996.919kg/m3 H0=0.2m    η_电=0.9    η_传=1.0

数据处理示：(以第二行为例)

流速：  u₁= 4*q_v/(3.14*d1)=4*0.64/(3600*3.14*0.042^2)=0.128（m/s）

        u₂= 4*q_v/(3.14*d2)=4*0.64/(3600*3.14*0.027^2)=0.311（m/s）

扬程:

He=(p2/ρg-p1/ρg)+(u₂²-u₁²）/(2*g)+H₀=(21-0.4)+(0.311²-0.128²)/(2*9.81)+0.2=20.80m

有效功率：N_e = He* q*ρ/102=20.8*0.64/3600*996.919/102= 0.036(kW)

轴功率:N_轴= N_电*η_电*η_转=0.43*0.9*1.0=0.387 (kW)

效率 :η = N_e /N_轴=0.036/0.387=9.34%

2..C0-Re数据及处理：

表三：  d=0.026m    d₀=0.018m   μ=0.8823mPa.s  ρ=996.919kg/m³

流量和流速在离心泵特性曲线绘制时以求出，压差由表直接读出。

数据处理示例(以第二行为例)：

孔流系数

C₀= qv/ (A₀*(2Δp/ρ)^0.5)=0.64/(3600*3.14/4*0.018²*(2*0.49*1000/996.919)^0.5)=0.705   

流速u=4*qv/(3.14*d²)=4*0.64/(3600*3.14*0.026²)=0.335

雷诺数Re=d0ρu/μ=0.026*996.919*0.335/(0.8823*10^-3)=9842

 

 

 

 

 

3.管路数据处理：

表四： 开度1 qv=6.10m³/h   d₁=0.042m  d₂=0.027m  H₀=0.2m

表五：

开度2 qv=4.11m³/h  d₁=0.042m  d₂=0.027m  H₀=0.2m

表六：

开度3 qv=2.05m³/h   d₁=0.042m  d₂=0.027m  H₀=0.2m

第一组第一行数据为例：

流量: u1=4*qv/(3.14*d₁²)=4*2.05/(3600*3.14*0.042²)=0.41m/s

      U2=4*qv/(3.14*d₂²)=4*2.05/(3600*3.14*0.027²)=1.00m/s

压头:

He=(p2/ρg-p1/ρg)+(u₂²-u₁²）/(2*g)+H₀=(19.5-0.3)+(1.00²-0.41²)/(2*9.81)+0.2=19.44m

七.各种关系图及结果讨论:

1.离心泵的特性曲线: 在坐标轴上表示 He、N及η与qv之间的关系，并以三条曲线分别表示出来 :

                            图7-1离心泵的特性曲线

(1). 随着流体流量的增大，离心泵的扬程逐渐减小，且减小的越来越快；

(2). N轴=N_电*η_电*η_转=0.9 N_电，随着流量的增大，电功率增大，所以轴功率也随流量增大而增大近似成线性关系

(3).因流量越大轴功率越大，故启动离心泵时应先关闭其出口管线上的阀门，以尽可能减小启动电流，保护电动机。

 (4).流量对泵功率的影响也很大，且存在最高效率点。 泵应该在高效区（即92%ηmax的范围内）工作，由h-Q曲线图可ηmax=39%，所以泵的较为适宜的工作范围在h=35.88—39% 。随着流量的增加，h先增加到极大值然后减小，这是由于流速较小时，流体湍流程度较小，阻力损失较小。当流速继续增大时，湍流加剧，流体阻力损失也增大，h减小。

2.C0-Re曲线：

                     图7-2孔板流量计的C0~lnRe图

（1）由于雷诺数变化范围很大，所以采用单对数坐标轴画C0-Re曲线图。

（2）从上图分析，在完全湍流区，孔流系数C0随雷诺数Re的变化不大，几近趋于平稳。所以在完全湍流区可视为孔流系数与雷诺数无关。据曲线的变化趋势，稳定时的C0约为0.724。

 3.管路特性曲线：

                     图7-3三种不同流量下的管路的特性曲线

结论：

(1)由H-Q管路特性曲线知，关小出口阀门，管路特性曲线变陡，开大出口阀门，管路特性曲线变缓，即在相同流量的情况下,高阻所需压头比低阻大

(2)  管路所需压头H随液体流量qv的平方成正比，与管路特性方程符合。

2.  离心泵的特性曲线和管路特性曲线：

                         图7-4离心泵的特性曲线和管路特性曲线

结论：

将离心泵的特性曲线He-qv与其所在管路特性曲线H-qv绘于同一坐标上，交点称为泵在该管路上的工作点。该点所对应的流量和压头既能满足管路系统要求，又能为泵所能提供。                    由图7-4可以看出管路特性曲线H随qv的增大而增大。流量qv相同时，管路开度越小，H就越大，泵的工作点随之左上移，工作点下的流量随之增大。

八．思考题：

2、当改变流量调节阀门开度时，压力表真空表读数按什么规律变化。

答：当增大流量调节阀门开度而使流量增大时，压力表真空表读数均减小，但它们的差值逐

渐增大。

3、用孔板流量计测流量时，应根据什么选择孔口尺寸和压差计的量程。

答：应根据测量所要求的精度和能量损失的要求，以及使孔流系数Co不随雷诺数Re改变，即当雷诺数大于临界雷诺数时，CO只与m有关，m= d0 ² / d ² ,选择适当的面积以兼顾到U形压差计适宜的读数和允许的压力降等方面来选择孔口尺寸和压差计的量程。

4、分析气缚现象和气蚀现象的区别。

答：泵在运转时，吸入管路和泵的轴心常处于负压状态，若管路及轴封密封不良，则因漏入空气而使泵内流体的平均密度下降。若平均密度下降严重，泵将无法正常吸、排液体，此成为气缚现象；而汽蚀现象是指泵的安装位臵过高，使叶轮进口处的压强降至液体的饱和蒸汽压，引起液体部分气化的现象，汽蚀现象会使泵体振动并发生噪声，流量、扬程和效率都明显下降，严重时甚至吸不上液体还会对金属材料发生腐蚀现象，在这种情况下导致叶片过早损坏。

第二篇：离心泵性能实验报告(带数据处理)

实验三、离心泵性能实验

姓名：杨梦瑶学号：1110700056实验日期：2014年6月6日

同组人：陈艳月黄燕霞刘洋覃雪徐超张骏捷曹梦珺左佳灵

预习问题：

1.         什么是离心泵的特性曲线？ 为什么要测定离心泵的特性曲线？

答：离心泵的特性曲线：泵的He、P、η与Q_V的关系曲线，它反映了泵的基本性能。要测定离心泵的特性曲线是为了得到离心泵最佳工作条件，即合适的流量范围。

2.         为什么离心泵的扬程会随流量变化？

答：当转速变大时，，沿叶轮切线速度会增大，当流量变大时，沿叶轮法向速度会变大，所以根据伯努力方程，泵的扬程：

H=（u₂²- u₁²）/2g + (p_2- p₁) / ρg + (z₂- z₁) +H_f

沿叶轮切线速度变大，扬程变大。反之，亦然。

3.         泵吸入端液面应与泵入口位置有什么相对关系？

   答：其相对关系由汽蚀余量决定，低饱和蒸气压时，泵入口位置低于吸入端液面，流体可以凭借势能差吸入泵内；高饱和蒸气压时，相反。但是两种情况下入口位置均应低于允许安装高度，为避免发生汽蚀和气缚现象。

4.         实验中的哪些量是根据实验条件恒定的？哪些是每次测试都会变化，需要记录的？哪些是需要最后计算得出的？

答：恒定的量是：泵、流体、装置；

每次测试需要记录的是：水温度、出口表压、入口表压、电机功率；

需要计算得出的：扬程、轴功率、效率、需要能量。

一、实验目的：

1.         了解离心泵的构造，熟悉离心泵的操作方法及有关测量仪表的使用方法。

2.         熟练运用柏努利方程。

3.         学习离心泵特性曲线的测定方法，掌握离心泵的性能测定及其图示方法。

4.         了解应用计算机进行数据处理的一般方法。

二、装置流程图：

图5 离心泵性能实验装置流程图

 1 水箱    2 Pt100温度传感器     3 入口压力传感器   4真空表     5 离心泵   6 压力表    

 7 出口压力传感器   8 φ48×3不锈钢管图    9 孔板流量计d=24mm   10压差传感器  

 11 涡轮流量计  12 流量调节阀     13 变频器

三、实验任务：

1． 绘制离心泵在一定转速下的H（扬程）~Q（流量）；N（轴功率）~Q；η（效率）~Q三条特性曲线。

2． 绘制不同频率下离心泵管路特性曲线

四、实验原理：

1．  离心泵的性能参数取决于泵的内部结构，叶轮形式及转速，在恒定转速下，离心泵的性能——扬程、功率和效率与其流量呈一定的函数关系。通常用水做实验测出它们之间的关系以曲线表示，即He～Q、N_轴～Q、η～Q称为离心泵的特性曲线。在实验中只要测出泵的流量、进口与出口压力和泵消耗的功率，即可求出泵的特性曲线。

  根据流体力学方程，亦即柏努利方程：在离心泵进口、出口之间进行能量衡算，则：

          u₁²/2g + p₁/ρg + z₁ + H= u₂²/2g + p₂/ρg + z₂ +H_f  （m）

                H=（u₂²- u₁²）/2g + (p_2- p₁) / ρg + (z₂- z₁) +H_f     （m）

 由于：阻力损失Hf 可以忽略，则：

           H=（u22- u12）/2g + (p2- p1) / ρg + (z2- z1)     （m）

           Ne= QHρg

           η= Ne /N×100℅

p1—进口压力, Mpa，   p2—出口压力, MPa，   H—扬程,m，

1．    Q—流量,m3/s，        Ne—有效功率, W，     N—轴功率，W

2．  管路特性是指输送流体时，管路需要的能量H（即从A到B流体机械能的差值+阻力损失）随流量Q的变化关系。本实验中，管路需要的能量与泵提供给管路的能量平衡相等，计算H的方法同He：

3．       mH2O

4．  虽然计算方法相同，但二者操作截然不同。测量He时，需要固定转速，通过调节阀门改变流量；测量H时，管路要求固定不动，因此只能通过改变泵的转速来改变流量。

五、实验准备操作：离心泵的开启

5．  开启总电源，使配电箱带电；打开配电箱上泵开关，使变频器带电

6．  调节变频器为手动。在变频器通电后，按“P”键，当显示“r0000”时，按“△”或“▽”键找到参数“P0700”，再按“P”键，调节“△”或“▽”键将其参数值改为1（调成“自动”时该参数设置为“5”），按“P”键将新的设定值输入；再通过“△”或“▽”键找到参数“P1000”，用同样方法将其设置为“1”；按“Fn”键返回到“r0000”，再按“P”键退出。

7．  流量调节阀和双泵并联阀门处于关闭状态。手动按下变频器控制面板上“绿色按钮”启动水泵，再按“△”或“▽”键改变电源频率，使其示数为“50.00”，完成离心泵启动。

六、实验步骤：

1． 检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． 泵特性曲线数据测定。开启离心泵，调节流量调节阀，由小到大逐渐增大流量，按讲义规定测取10组水流量、水温度、功率、进口表压、出口表压数据，注意在数据稳定后再读取记录。

3． 管路特性曲线测定。

固定一个阀门开度，通过变频器间隔4Hz调节频率由50到10Hz测取11组水流量、进口表压、出口表压数据。

改变阀门开度，重复上面操作，得到另外两条不同阀门开度下的管路特性曲线

4．  实验测定完毕，最后按变频器控制面板上“红色按钮”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、功率等），关闭配电箱上泵开关和总电源开关。

七、数据记录及处理：

1.              测量并记录实验基本参数：

离心泵额定功率：0.55kW

离心泵扬程：21.13m

离心泵流量：1.2-7.2m³/h^-1

实验液体：水

实验数据记录及整理：

泵特性（转速）：

泵的特性曲线 1

管路特性-1（阀门开度）：

 

管路特性曲线扬程H-流量Q 1

管路特性-2（阀门开度）：

 

管路特性曲线扬程H-流量Q 2

数据处理过程：

以每组数据的第一组数据为例，计算过程如下：

本实验中，管路需要的能量与泵提供给管路的能量平衡相等，计算H的方法同He：

     mH₂O

泵特性曲线物理量计算：

扬程H_e：

水在该温度下的密度：

H_e=H_出口表压-H_入口表压+z= H_出口表压-H_入口表压+0.2mH₂O=（20.6-0.2+0.2）mH₂O =20.6 mH₂O

轴功率：N=N_电机×90%=0.47kW×90%=0.423kW

泵的效率：

管路特性的物理量计算：

需要能量H/mH₂O

H_e=H_出口表压-H_入口表压+z= H_出口表压-H_入口表压+0.2mH₂O=（13.7+0.1+0.2）mH₂O=14.0 mH₂O

结果分析和误差来源讨论：

结果分析：

通过实验可以看出离心泵在特定的转速下有其独特的特性曲线，而且不受管路特性曲线的影响。 

在固定的转速下，离心泵的流量、压头和效率不随被输送的液体的性质（如密度）而改变，但泵的功率与液体密度成正比关系。

在实验过程中，由于流量的范围取得不够大，使得泵的效率曲线随流量的变化范围在本次测量中体现得不完善。我们从泵的特性曲线 1中可以看到，流量的变化在0—6m³?h^-1之间，泵的效率在流量增大到一定程度时，而流量的增加而减小。

误差来源：

实验用的水的水温在泵的流量变化时也会发生变化，而实验最后取得是温度的平均值，这样就会在小地方上出现一定的误差。

真空表和压力表的单位不是MPa就是KPa过大，而刻度分的又不细致，这样用肉眼的读数就会产生一定的系统误差。

由于是湍流，导致真空表和压力表的指针一直在波动，这样就导致了一定的实验误差。

水箱中的水都在波动，而且示数分的不细致在读书中也产生了一定的误差。