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离心泵性能实验


北 京 化 工 大 学


课程名称: 班 级: 同 组 人:






实验日期: 2010.11.22 姓 名: 师丹彤 装置号: 2 号装置

化工原理实验 化工 0809 冯敏、孙程、许世佩

离心泵性能实验
一、

摘要
离心泵的性能参数取决于泵的内部结构,叶轮形式据转速.通过对离心泵内部流体质点 运动的理论分析,可得出理论压头和流量的关系.但实际流体流经泵时,不可避免的造成一定 的能量损失.在本实验中,将直接测定其参数间的关系,并绘出离心泵的三条 He-qv .Pa-qv 和 η -qv 特征曲线. 流量系数 Co 的数值只能通过实验求得。 Co 主要取决于管路流动的雷诺数 Re 和面积比 m 等。对于测压方式,结构尺寸,加工状况等均以确定的标准孔板,流量系数 Co 只与雷诺数 Re 有关。 关键词:离心泵特性曲线 泵的有效功率和效率 孔流系数 C0

二、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.离心泵的性能曲线测定 离心泵的性能参数取决于泵的内部结构、叶轮形式及转速。通常采用实验方法,直接测 定其参数键的关系,并将测绘出的 H-Q、N-Q 和 ? -Q 三条曲线称为离心泵的性能曲线。通过 这些曲线也可以求出泵的最佳工作区间,作为选泵的依据。 ⑴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,m; H 真空表------泵入口处的真空度,m; H0------压力表和真空表测压口之间的垂直距离,H0=0.85m。 在计算中:

He ?

p压力表 ? p真空表 ? H0 ?g

式中 p压力表 ——泵出口处的表压, Pa ;

-1-

p真空表 ——泵入口处的真空度, Pa ;
H 0 ——两个压力表之间的垂直距离, H0 ? 0.85m ;
⑵泵的有效功率和效率 由于泵的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

Pe Pa qv He? Pe ? 102 ??
式中

Pe --------泵的有效功率,kw; Pa --------泵的轴功率,kw;

qv --------流量, m3 / s ;
He -------扬程,m;

? --------液体密度, kg / m3 ;
由泵轴输入的离心泵的功率 Pa 为

Pa ? P ?电?转 电
式中 -------电机的输入功率,kW; P 电

?电 -------电机效率,取 0.9;

?转 -------传动装置的传动效率,一般取 1.0。
在计算中: Pa

? 0.9P 电

2.孔板流量计孔流系数的测定

图 1 孔板流量计的构造原理
-2-

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,造成孔板前后的 压强差,作为测量的依据。可以推得,体积流量与孔流系数的关系式为

qv ? C0 ? S0
式中

2?p ?

qv -------流体的体积流量, m3 / s ;
?p ------孔板压降,Pa;
S0--------孔口面积, m ;
2

? --------液体密度, kg / m3 ;
C0--------孔板系数。 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, 具体的数值由实验确定。 3.管路特性曲线的测定 处于各个工作点时,管路所需的压头和泵提供的压头是相等的,即

He ? H
利用这一原理,可通过测泵的扬程来测管路的压头,以此来作管路特性曲线。 4. 体积法测定流量 由于连通器原理, 外侧管路的液面与水箱内液面等高, 所以可以通过读取液位计的数值 来确定水箱内液面高度。求出水箱体积,测定所需时间即可求算出体积流量,即

qv ?
式中, qv --------体积流量,m3;

S ?h t

S --------水箱横截面积, 0.495 ? 0.495 ,m2; h --------液面高度,m;

t --------所需时间,s。
四、实验流程

-3-

图 2 离心泵特性曲线实验带控制点的工艺流程
1—蓄水池;2—底阀;3、6—压力表;4—离心泵;5—灌泵阀;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(495 ? 495)mm;12—回流水槽;13—计量槽排水阀

五、实验操作
1.进入实验室后,检查离心泵和电机是否正常工作。打开电机的电源开关,观察电机 和离心泵的运转情况,如果正常,切断电源,准备在实验时使用。 2.在进行试验前,首先要灌泵(打开灌泵阀) ,排除泵内的气体(打开流量调节阀) 。 灌泵完毕后,有连续的水流出,关闭调节阀及灌泵阀即可启动离心泵,开始试验。 3.开始试验后,逐渐打开调节阀缓慢增大流量,在流量最大时开始做第一组实验。使 用计量槽计量液体流量, 高度差约在 200ml 以上时, 完成一次实验。 记录液面高度差值、 所需时间、电机功率、出口和入口压力表读数、孔板压降以及水温。 4.调整流量大小,重复上述 3 的操作,记录孔板压降由 26kPa 到 0 共十组数据。 5.将活动接口转到回流水槽中,调节孔板压降在 4kPa 左右,开始另一实验。 6.从 50Hz 到 15Hz 改变频率,流量相应改变。在稳定之后读取频率、出口和入口压力 表读数以及水温,记录数据。 7.在频率为 50Hz 时,依次调节孔板压降在 8kPa、15kPa 左右,重复步骤 6,记录相应 数据。 8.数据记录结束后,找老师检查数据,确定无误后,关闭仪器,结束实验。 9.记录实验设备的铭牌以及相关数据。 10.整理好实验室,离开。

六、注意事项
1. 在测量离心泵的特性曲线数据时要测量零点; 2. 读取数据时,压力表不稳定应读取波动的中心位置,液面高度的读取应该在液面稳 定后读取; 3. 改变活动接口时要迅速; 4. 当没有完成灌泵时启动泵会发生气缚现象; 5. 当关泵完成后在出口阀全开的情况下启动泵可能会发生烧泵事故。

-4-

七、实验数据处理
1、离心泵特性曲线数据 (转速 2900r/min) 记录数据: 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 h/mm 300 250 300 300 300 300 300 200 200 0 qv/m /s 0.002388 0.002044 0.001980 0.001808 0.001621 0.001376 0.001143 0.000925 0.000543 0.000000
3

t/s 30.78 29.97 37.13 40.66 45.36 53.42 64.29 52.97 90.21 0

p压力表 /MPa
0.031 0.068 0.089 0.112 0.121 0.140 0.153 0.163 0.171 0.190 ρ /kg/m 999.11 999.11 999.11 999.11 999.11 999.11 999.10 999.10 999.08 999.08
3

p真空表 /Mpa
0.020 0.020 0.019 0.016 0.014 0.013 0.011 0.010 0.008 0.007 He/m 6.053 9.828 11.869 13.910 14.624 16.460 17.583 18.501 19.113 20.950

T/ C 13.9 13.9 13.9 13.9 13.9 13.9 14.0 14.0 14.1 14.1

o

/kw P 电 0.93 0.90 0.88 0.84 0.80 0.75 0.71 0.65 0.58 0.47 有效功率 Pe/kw 0.142 0.197 0.230 0.246 0.232 0.222 0.197 0.168 0.102 0.000 效率? 0.169 0.243 0.291 0.326 0.322 0.329 0.308 0.287 0.195 0.000

计算数据: 轴功率 Pa/kw 0.837 0.810 0.792 0.756 0.720 0.675 0.639 0.585 0.522 0.423

以第三组数据为例,计算过程如下: T=20℃,查表得ρ =998.2kg/m3;T=10℃,查表得ρ =999.7 kg/m3 t=13.9℃时,用内插法计算:当温度为 T 时的ρ =(30-T)*998.2/10-(20-T)*999.7/10 得到ρ =999.11 kg/m3

He ?

p压力表 ? p真空表 (0.089 ? 0.019) ? 106 m ? 11.869m ? H0 = 999.11 ? 9.81 ?g
S ?h 0.4952 ? 0.3 3 m / s ? 0.001980m3 / s = ? t 37.13

流量 qv ?

泵轴输入功率 Pa ? P ?电?转 = 0.88 ? 0.9 ? 1.0kw ? 0.792kw 电 泵的有效功率 Pe ?

qv He? 0.001980 ? 11.869 ? 999.11 ? kw ? 0.230kw 102 102

-5-

效率? ?

Pe 0.230 ? ? 0.291 Pa 0.792

2、孔流系数标定 d0=24.2mm d=φ 48*3mm 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 h/mm 300 250 300 300 300 300 300 200 200 t/s 30.78 29.97 37.13 40.66 45.36 53.42 64.29 52.97 90.21 qv/ m /s 0.002388 0.002044 0.001980 0.001808 0.001621 0.001376 0.001143 0.000925 0.000543
3

?p /kPa
25.6 21.0 18.3 15.2 12.0 8.9 6.0 4.1 1.8

?p 校正/kPa T/ oC
25.0 20.4 17.7 14.6 11.4 8.3 5.4 3.5 1.2 13.9 13.9 13.9 13.9 13.9 13.9 14.0 14.0 14.1

ρ /kg/m 999.11 999.11 999.11 999.11 999.11 999.11 999.10 999.10 999.08

3

μ /mPa s 1.188 1.188 1.188 1.188 1.188 1.188 1.185 1.185 1.182

.

C0 0.734 0.696 0.723 0.727 0.738 0.734 0.756 0.760 0.762

Re 60917.34 52136.47 50499.21 46115.00 41336.77 35099.88 29238.82 23658.22 13926.74

以第三组数据为例,计算过程如下: t 水=20℃,查表得ρ =998.2kg/m3 μ =1.005 mPa.s t 水=10℃, 查表得ρ =999.7 kg/m3 μ =1.305mPa.s t=13.9℃时 用内插法计算:当温度为 T 时的ρ =(30-T)*998.2/10-(20-T)*999.7/10 μ = (30-T)*1.005/10-(20-T)*1.305/10 得到ρ =999.11 kg/m3 μ =1.188 mPa.s

S ?h 0.4952 ? 0.3 3 m / s ? 0.001980m3 / s 流量 qv ? = ? t 37.13
由 qv ? C0 ? S0

2?p 得到 ?
qv 0.001980 ? ? 0.723 2?p 3.14 2 ? 17.7 ? 1000 2 S0 ? 0.0242 ? ? 4 999.11

孔流系数 C0 ?

雷诺数 Re ?

du?

?

?

?

qv ? d?

?

4

0.001980 ? 999.11 ? 50499.21 3.14 ? 0.042 ? 1.188 4

-6-

3、管路特性(Ⅰ) 阀门开度 ?p =4.1-0.6=3.5MPa d0=24.2mm

序号 1 2 3 4 5 6 7 8

频率/Hz 50 45 40 35 30 25 20 15

qv/m /s

3

?p /kPa
4.1 3.3 2.6 2.0 1.6 1.1 0.7 0.6

?p 校正/kPa
3.5 2.7 2.0 1.4 1.0 0.5 0.1 0.0

p压力表 /MPa
0.168 0.133 0.103 0.078 0.053 0.038 0.021 0.014

p真空表 /Mpa T/ oC
0.009 0.009 0.009 0.008 0.008 0.008 0.008 0.008 14.0 14.0 13.9 13.9 13.9 13.9 14.0 14.1

ρ /kg/m

3

H/m 18.909 15.338 12.277 9.624 7.074 5.543 3.809 3.095

0.0008967 0.0007876 0.0006778 0.0005671 0.0004793 0.0003389 0.0001516 0

999.10 999.10 999.11 999.11 999.11 999.11 999.10 999.08

以第三组数据为例,计算过程如下: T=20℃,查表得ρ =998.2kg/m3;T=10℃,查表得ρ =999.7 kg/m3 t=13.9℃时,用内插法计算:当温度为 T 时的ρ =(30-T)*998.2/10-(20-T)*999.7/10 得到ρ =999.11 kg/m3

qv ? C0 ? S0

3.14 2 ? 2.0 3 2?p ? 0.7369 ? ? 0.02422 ? m / s ? 0.0006778 m 3 / s 4 999.11 ?

p压力表 ? p真空表 (0.168 ? 0.009) ? 106 ? m ? 12.277m He ? ? H0 999.11 ? 9.81 ?g
H ? He ? 12.277m
管路特性(Ⅱ) 阀门开度 ?p ==8.3-0.6=7.7MPa d0=24.2mm 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 频率/Hz 50 45 40 35 30 25 20 15 qv/m /s 0.0013300 0.0011935 0.0010391 0.0009094 0.0007579 0.0005671 0.0003713 0
3

?p /kPa
8.3 6.8 5.3 4.2 3.1 2.0 1.2 0.6

?p 校正/kPa
7.7 6.2 4.7 3.6 2.5 1.4 0.6 0.0

p压力表 /MPa
0.148 0.119 0.094 0.070 0.050 0.033 0.019 0.014

p真空表 /Mpa T/ oC
0.007 0.007 0.007 0.006 0.006 0.006 0.006 0.006 14.0 14.0 14.0 14.0 13.9 13.9 13.9 14.0

ρ /kg/m 999.10 999.10 999.10 999.10 999.11 999.11 999.11 999.10

3

H/m 16.664 13.706 11.155 8.604 6.564 4.829 3.401 2.891

计算过程同上。

-7-

管路特性(Ⅲ) 阀门开度 ?p =15.6-0.6=15.0MPa d0=24.2mm 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 频率/Hz 50 45 40 35 30 25 20 15 qv/m /s 0.0018564 0.0016604 0.0014056 0.0012591 0.0010054 0.0007876 0.0005465 0
3

?p /kPa
15.6 12.6 9.2 7.5 5.0 3.3 1.9 0.6

?p 校正/kPa
15.0 12.0 8.6 6.9 4.4 2.7 1.3 0.0

p压力表 /MPa
0.110 0.089 0.070 0.053 0.049 0.026 0.016 0.013

p真空表 /Mpa T/ oC
0.012 0.012 0.012 0.012 0.012 0.010 0.010 0.010 14.0 14.0 14.0 14.1 14.0 13.9 14.0 14.0

ρ /kg/m 999.10 999.10 999.10 999.08 999.10 999.11 999.10 999.10

3

H/m 13.297 11.155 9.216 7.482 7.074 4.523 3.503 3.197

计算过程同上

七、作图分析
1、离心泵特性曲线 由表(1)中数据,做离心泵特性 He-qv .Pa-qv 和η -qv 曲线图,如下图所示:

图 3 离心泵特性曲线 He-qv 、Pa-qv、η -qv 图 3 注:纵轴:左轴为 He/m,右一轴为 Pa/kw,右二轴为η ;横轴:qv/m /s。 2、孔流系数标定

图 4 C0~Re 图
-8-

左图为半对数坐标系中的 C0 与 Re 关系曲线, 由图可知在该 Re 范围内 C0 基本不变, 故对其 进行常数拟合,得到 C0=0.7369,见右图。 3、管路特性曲线

图 5 管路特性曲线图

八、图形分析及结果讨论
1、离心泵特性曲线 (1)由图三可以看出,随着流量的增加,离心泵的扬程逐渐下降,且在大流量范围内下降 更快就,流量为 0 时,空载扬程即最大扬程为 20.1m;轴功率 Pa 逐渐增大,且在大流量范 围内增加叫缓慢;效率先增大后减小,有最大值。 (2)从图中可大致读出,效率最大为 0.33,此时流量约为 0015m3/s,扬程 14.7m,轴功率 0.7kw,为最佳工作点。在流量略小于或等与最大效率所对应的流量范围为该离心泵适宜工 作的范围。 (3)图中均采用二次曲线拟合,可以看出拟合效果较好,所测点均匀分布在拟合曲线两侧, 无偏离较远的点。 2、孔流系数标定 (1)图 4 中左图为单对数坐标系中的 C0 与 Re 关系曲线,曲线在所测 Re 范围内比较平稳, 无较大波动,故可认为在所测 Re 范围内 C0 定值,以方程 C0=b(b 为常数)对该曲线进行 拟合,得到 C0=0.7369,即该孔板流量计的孔流系数为 0.7369。 (2)由左图可以看出,实验点有些波动,可能是由于流量测定不准确(如未等水箱中液面 稳定就读数或测量时间不准确)或是压力表读数不准确造成的。 3、管路特性曲线 (1)在图 5 中,分析每一条曲线,可以看出管路所需压头 H 随流量的增加而增大,且流量
-9-

越大,增大的速率越快。从管路特性方程中也可以得到同样的结论(H=A+f(qv) ,qv 增大, H 增大) 。同时,在阀门开度一定是,流量的改变是依靠频率的改变来实现的,频率越大, 流量也越大。 (2)分析这三条曲线,可以看出随着阀门开度增大,管路特性曲线变缓,这是由于阀门开 度增大时,其阻力系数减小,流动阻力减小,管路所需压头 H 减小,特性曲线变缓。 (3)对这三条曲线均采用二次拟合,拟合效果较好。但在特性曲线 3 中流量为 0.0010 时的 点偏离较大,可能是由于测量时未等流动稳定就读取数据造成的。

九、思考题
1.根据离心泵的工作原理,分析离心泵启动前为何要灌泵,且要关闭流量调节阀? 答:如果泵启动时,泵体内是空气,而被输送的是液体,则启动后泵产生的压头虽为定 值, 但因空气密度太小, 造成的压差或泵吸入口的真空度很小而不能将液体吸入泵内。 因此, 离心泵启动前要灌泵;关闭流量调节阀门,可以让液体充满泵,排净空气。 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:当由小到大调节阀门开度时,出口压力表逐渐减小,而真空表读数不变。 3.试分析气缚现象与气蚀现象的区别。 答:气缚现象是离心泵启动时,如果泵内存有空气,由于空气密度相对于输送液 体很低,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液体吸入泵 内,虽启动离心泵也不能输送液体。气缚现象表示离心泵无自吸能力,所以在启动之 前必须向泵壳内灌满液体。 而气蚀现象是离心泵安装高度提高时,将导致泵内压力降低,泵内压力最低点通 常位于叶轮叶片进口稍后的一点附近。当此处压力降至被输送液体的饱和蒸汽压时, 将发生沸腾,所生成的蒸汽泡在随液体从入口向外周流动中,又因压力迅速增大而急 剧冷凝。会使液体以很大的速度从周围冲向气泡中心,产生频率很高、瞬时压力很大 的冲击,造成叶轮损坏。 两者虽然都是由于叶轮附近压力过低造成,但气缚现象不会给泵带来太大损坏, 但气蚀现象却会损坏泵。 4. 根据什么条件来选择离心泵? 答:主要根据被输送液体的性质和操作条件来确定泵的类型,如输送液体的黏度、腐蚀 度、管路所需压头等。 5.从你得到的特性曲线中分析,如果增加该泵的流量范围,你认为可以采取哪些措施? 答:可以将泵串联或者并联使用,这样都可以增加泵的流量范围。 6.用变频器调节流量为什么节能? 答:变频调节时,电动机的输出功率是随着频率的变化而变化的,不会有过多的功率 浪费。而改变流量阀开度调节流量时,电机实际上输出的功率是不变的,有很多的浪费。因 此变频调节节能。 7.现有一段 d 内=26mm 不锈钢管道,预用其输送液体水,流量范围 0.6~6m3/h。请设计一款 合适的孔板流量计,确定孔口尺寸、以及测量孔板压差的压差计量程?

- 10 -

答:已知 d=26mm,μ =0.001Pa·s,ρ =1000kg/m

3

0.6 ? 1.67 ? 10? 4 m 3 / s 3600 6 q v max ? ? 1.67 ? 10?3 m 3 / s 3600 4 ?q vnin 4 ? 1000? 1.67 ? 10? 4 Re min ? ? ? 8182.3 ??d 3.14 ? 0.001? 0.026 q v min ?

十、问题、建议等
1、泵工作时的震动对水流平稳性的影响较大,使读数、层流分析不准确,建议不同组装置 安放的距离加大,以免互相影响。 2、实验中应尽量保持水的恒温,这样对本实验更有意义,建议使用恒温水槽供水。 3、压力测量读数装置稳定性太差,读数不易,建议更换更方便的装置。

参考资料:
1、杨祖荣主编.化工原理实验.北京:化学工业出版社,2003 2、杨祖荣,刘丽英,刘伟.化工原理.北京:化学工业出版社,2002 3、陈敏恒,丛德滋,方图南,齐鸣斋编.化工原理.北京:化学工业出版社,1999

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