引 言

水泵是#常用的機器之一，因此其本身特別值得注意，在流體力學(xué)課程以及更為具體的工程科目中常被進(jìn)行研究。在塞爾維亞貝爾格萊德大學(xué)機械工程水力機械和能源系統部門(mén)，設計及制造了小型展示型的教育裝置，目的是為了展示許多理論應用的問(wèn)題，如伯努利方程和用于渦輪機械的歐拉方程，以及讓學(xué)生學(xué)習并理解空化和漩渦流的流體流動(dòng)現象。在另一方面，可讓學(xué)生找出關(guān)于此工程的問(wèn)題，如水泵測試、水力系統的特性、泵的能效、文丘里儀表的校準等。因為許多安裝的組件都是透明的，所以流體的流動(dòng)始終都是可見(jiàn)的。壓力變送器的校準功能內置集成在 LabVIEW 中，學(xué)生在實(shí)驗室中進(jìn)行實(shí)驗，然后畫(huà)出圖表和寫(xiě)出電子報告。除了這些真實(shí)的實(shí)驗之外，兩個(gè)虛擬實(shí)驗也可以在串聯(lián)和并聯(lián)模式下進(jìn)行2臺水泵運行的演示，水泵特性曲線(xiàn)還可以通過(guò)水泵的轉速變化來(lái)改變。這種類(lèi)型的調節可以與節流閥的調節相比較，學(xué)生可以測量水泵特性并觀(guān)察每個(gè)水管中的流量。

 

1 教育演示裝置

1. 1 試驗臺

根據 ISO 9906 標準的測量程序，去建立具有教育示范意義測定水泵特性曲線(xiàn)的裝置 ［5］ 。在圖 1中展示的是各種水泵控制的可能性 (見(jiàn)圖 1)。格蘭富的水泵型號為 UPE 50—120 F，直列式，是系統的心臟 (見(jiàn)圖 2)。透明的外殼替換了原來(lái)的外殼，該外殼帶有軸向入口和徑向出口，流動(dòng)方向在圖 2 中用箭頭指出。在此實(shí)驗裝置中可以應用兩個(gè)控制模式 (比例或壓力常數)，但是在這些應用中，水泵轉速的調節可以直接在水泵上通過(guò)手動(dòng)調節或通過(guò) Ｒ—100 型的紅外遙控器調節。

圖 1 初期的教學(xué)試驗臺

1_ 具有透明外殼的水泵; 2_ 彎管; 3_ 透明水管;4_ 透明文丘里流量計; 5 和 6_ 用于排空上水池的閥門(mén);7_ 用于校準上水池的刻度; V. 10_ 吸入閥; 11_ 吸入管;12_ 下水池 (容量為 250 L); 13_ T 型接頭; V. 20_ 閥門(mén);21_ 用于補充上水池水量的水管; 22_ 噴嘴; 23_ 上水池(容量為 55 L); V. 30_ 閥門(mén); 31_ 連接到下水池的水管。

 

圖 3 所示 8 和 9 的裝置是 TPd—101 型差壓變送器 (見(jiàn)圖 3)，由貝爾格萊德大學(xué)微電子技術(shù)學(xué)院化學(xué)技術(shù)和冶金研究所制造。該實(shí)驗裝置的測量量程是 0～3 Pa，電源輸入范圍是 14～26 VDC，輸出電流為 4～20 mA，并在 LabVIEW 應用中引入了標定曲線(xiàn)。如圖 4 所示的真空表是內置在位置 10，該真空表也是由同一廠(chǎng)家生產(chǎn)的 (見(jiàn)圖 4)。

 

1. 2 試驗臺功能

在試驗臺上，可以演示以下實(shí)驗室練習:

＋如圖 3 所示用體積法校準文丘里流量計(需要關(guān)閉圖 1 中的閥門(mén) V. 30)。

＋需按照 ISO 9906 的標準測定水泵的 Q—H 曲線(xiàn)以及水泵的單機功率和效率 ［5］ 。

＋水泵的空化測試。

＋在圖 3 中水泵是在指定的地面高度上輸送水(H geo 是常數)。在這種情況下，閥門(mén) V. 30 關(guān)閉。

＋水泵在主水池和下水池之間循環(huán)輸水，此時(shí)H geo 等于零 (見(jiàn)圖 4)。

＋帶旁路的泵調節，在這種情況下，泵壓力側的管道是并聯(lián)的，調節由閥門(mén) V. 30 執行。

＋能效問(wèn)題: 水泵調節與節流閥、水泵轉速和旁路的比較試驗。

為了更形象展示壓力變送器的物理特性，以及對壓力值和壓力差的理解，在圖中的所有壓力變送器用 U 形管表示。

 

注: 在圖 1 和圖 2 中試驗臺裝置的編號與圖 3 和圖 4中的裝置一一對應。在圖 4 中，在水泵的吸入側有一個(gè)用于真空測定的壓力變送器。

學(xué)生shou先通過(guò)學(xué)習以下步驟學(xué)會(huì )如何啟動(dòng)和停止離心泵:

＋檢查水泵是否裝滿(mǎn)了水。

＋如果沒(méi)有，打開(kāi)如圖 1 所示白色指引線(xiàn) 2 上T 型管的蓋子。

＋關(guān)閉圖 1 上所示的 3 個(gè)閥門(mén)，它們分別是V. 10、V. 20 和 V. 30。

＋裝滿(mǎn)大約 3. 5 L 的水。

＋關(guān)閉如圖 1 所示白色指引線(xiàn) 2 上 T 型接頭上的蓋子。

＋啟動(dòng)泵。

＋打開(kāi)泵吸入側的閥門(mén) V. 10。

＋慢慢打開(kāi)閥門(mén) V. 20 和/或 V. 30。關(guān)閉流程是:

＋關(guān)閉閥門(mén) V. 20 和/或 V. 30。注意: 所有水泵壓力側的閥門(mén)都應關(guān)閉。

＋關(guān)閉閥門(mén) V. 10。

＋關(guān)閉水泵。

 

如圖 1 和圖 3 所示，水泵從下水池 (12) 中抽水，水經(jīng)過(guò)閥門(mén) V. 10 進(jìn)入吸入管 (11)，再通過(guò) T 型管 (2) 流到管道 (3) 以及文丘里流量計(4)，在閥門(mén) V. 20 和 V. 30 打開(kāi)的情況下，流到上下水池 (23) (12)。

 

1. 3 文丘里流量計校準

如圖 1 中數字標號為 4 的文丘里流量計是內置在試驗臺中，因為該流量計沒(méi)有標準的幾何形狀，所以需要校準。這個(gè)校準需要在試驗臺上通過(guò)關(guān)閉閥門(mén) V. 30 同時(shí)調整水泵的轉速進(jìn)行 (見(jiàn)圖 3)。通過(guò)對上水池 23 中精que測量的流量比較來(lái)校準文丘里流量計，該測量的流量與壓力變送器 8 傳來(lái)的信號是成比例的 (見(jiàn)圖 3)。

 

對上水池中測量的流量公式定義是:

Q= ΔV/Δt(1)

式中，Δt 為測量的時(shí)間間隔，ΔV 為水的填充體積。在測量之前，上水池 (23) 已由量筒進(jìn)行校準，其結果如下:

 

ΔV=0. 120 05·ΔH (2)

式中，ΔH 是在水庫水位表上連續兩次測量的讀數之差。把這種方式獲得的流量讀數與連接到文丘里流量計的壓力變送器上的讀數進(jìn)行比較，就能確定其校準系數。這需要在流量相同的情況下反復重復該實(shí)驗，隨后用泵頻率調節器調節附加流量，取所有值的平均值為#終的校準系數。

 

文丘里流量計校準是需要在打開(kāi)閥門(mén) V. 10、V. 20 和關(guān)閉閥門(mén) V. 30 的狀態(tài)下進(jìn)行。已知上水池也就是校準池的容量 (23，圖 1)，它與上水箱(2) 中的水位計有關(guān)。學(xué)生在測量時(shí)間的同時(shí)需要在上水箱中讀取水位，流量是通過(guò)測得的體積除以測量的時(shí)間求得 (1)。

 

調節各種變化的水流，用文丘里流量計上的差壓變送器 (4) 測量壓降。在此基礎上，計算文丘里流量計系數，并準備好進(jìn)行測量。

 

1. 4 在實(shí)驗中測定水泵特性曲線(xiàn)

關(guān)閉閥門(mén) V. 20 和 V. 30 (圖 4)。shou先，調節水泵轉速，因為 2 個(gè)閥門(mén)都關(guān)閉了，所以流量為零。水泵揚程 (H) 的定義如下:

式中，p 是平均壓力，c 是平均速度，Z 是截面中心的測量高度，ρ 是流體密度，g 是重力加速度，Ⅰ和Ⅱ分別表示水泵的進(jìn)口和出口的測量截面。測量截面的標準在 ISO 9906 進(jìn)行了定義，它是用差壓變送器 9 來(lái)測量的 (圖 4)。用下列方

式計算平均速度:

式中，A i 是管道內部橫截面的面積 ( A i =D 2i π/4，其中 D i是管道內部截面的直徑，D I =56. 2 mm和 D II =30 mm) ，在公式中 i= Ⅰ，Ⅱ。測量的高度差保持常數，用公式 ΔZ=Z II－ZI 來(lái)表示。

 

通過(guò)文丘里流量計測量 (如通過(guò)差壓變送器 8) 流量 (圖 4)。用電功率表測量電動(dòng)機的功率 (P)。在測出上面所有這些數據之后，水泵效率 (η) 可以用如下公式計算得出:

慢慢打開(kāi)閥門(mén) V. 30 直到完全打開(kāi)。至此，可以得到在該轉速下的水泵特性曲線(xiàn)。按上面步驟，也可以測得在其他轉速下的水泵特性曲線(xiàn)。圖 5 中展示的是貝爾格萊德大學(xué)做實(shí)驗時(shí)，在#大和#小轉速下獲得的水泵特性曲線(xiàn) (見(jiàn)圖 5)。

根據圖 6 可以得出明顯的結論 (見(jiàn)圖 6)，水泵特性曲線(xiàn)只能在較小流量中得到測試。這需要去升級并改進(jìn)試驗臺，圖 6 給出的是水泵特性曲線(xiàn)。因此，一個(gè)完整的水泵特性曲線(xiàn)是通過(guò)將閥門(mén)V. 30 從完全關(guān)閉到慢慢完全打開(kāi)來(lái)測得的，并按照 ISO 9906 規定的標準進(jìn)行。在此之后，學(xué)生可以降低或增加水泵的轉速，并觀(guān)察該水泵的另一種特性曲線(xiàn)。

1. 5 系統特性曲線(xiàn)的實(shí)驗測定

         如圖 4 所示，系統特性曲線(xiàn)的測定可以在該試驗臺的配置中測得。此時(shí)，閥門(mén) V. 20 是完全關(guān)閉的，閥門(mén) V. 30 開(kāi)始時(shí)是完全打開(kāi)的。該曲線(xiàn)可以通過(guò)改變水泵的轉速來(lái)測定。關(guān)閉閥門(mén) V. 30 并改變水泵的轉速將得到另一種管道的水力曲線(xiàn)。學(xué)生還可以通過(guò)同時(shí)打開(kāi)閥門(mén) V. 20 和 V. 30 來(lái)觀(guān)察復雜的水力系統 (平行工作管道)。水泵的工況點(diǎn)已經(jīng)改變，通過(guò)改變水泵轉速來(lái)演示改變水管 21 的流動(dòng)方向 (對上水箱、無(wú)流量和 T 接頭)，從而在T 接頭 (13，圖 1) 上產(chǎn)生不同的能量。

 

1.6、3%凈的正吸出高度 (NPSH3) 的實(shí)驗測定

         凈的正吸出高度是指吸出高度和液體水汽高度之差。凈的正吸出高度 (NPSHＲ) 是由水泵制造商提供的#小凈的正吸出高度，用于在規定的水泵參數下達到指定的性能。3%凈的正吸出高度(NPSH3) 是指總水頭因空化而下降 3%，這是通過(guò)水的測試來(lái)決定的，在該測試中下水池是敞開(kāi)的。水泵特性曲線(xiàn) H=f (Q) 是由之前所描述的方式測定的。圖 4 中的試驗臺測量程序如下:

＋將水泵的轉數調整到指定值。

＋用之前說(shuō)明的方法確定水泵特性曲線(xiàn)。

＋閥門(mén) V. 30 處于恒定位置，在此期間打開(kāi)閥門(mén) V. 10。

＋所有的 3 個(gè)壓力是由如圖 4 壓力變送器 8、9、10 測量的，而在每個(gè) V. 10 位置可以計算得到流量 Q 和揚程 H。

＋測定新的水泵特性曲線(xiàn)。

＋注意流量，它對應的揚程比非空化區的流量低 3%。

＋如下是根據 Q 3 計算 3% 凈的正吸出高度(NPSH3):

式中，P D 是水汽的壓力。

＋針對閥門(mén) V. 30 新位置重復整個(gè)實(shí)驗過(guò)程。

＋測定曲線(xiàn) NPSH3=f (Q)。

第二種方法，采取與上述閥門(mén) V. 10 和 V. 30

相反的動(dòng)作，即改變閥門(mén) V. 30 把手的開(kāi)關(guān)角度，使閥門(mén) V. 10 處于恒定位置。

同一試驗臺也可用于測定初始的凈的正吸出高度 NPSH (NPSH ini )。該試驗臺的透明部分可以觀(guān)察到地衣次空化氣泡，流程如下:

＋將水泵的轉數調整到指定值。

＋閥門(mén) V. 30 處于恒定位置，同時(shí)緩慢關(guān)閉閥門(mén) V. 10。

＋當地衣次空化氣泡產(chǎn)生時(shí)，讀取壓力變送器8 和 10 (圖 4) 的數值。

＋根據實(shí)驗測量的數據，用如下的公式計算初始的凈的正吸出高度:

 

 

第二種測定 NPSH ini 的方法如下:

＋將水泵的轉數調整到指定值。

＋在空化氣泡出現的時(shí)候，讓閥門(mén) V. 10 處于恒定的位置，保持閥門(mén) V. 30 處于打開(kāi)狀態(tài)。

＋關(guān)閉閥門(mén) V. 30，直到所有氣泡消失。

＋根據壓力變送器 8 和 10 上的測量壓力 (圖4)，用公式 (7) 計算 NPSH ini 的值。

＋把閥門(mén) V. 10 轉到新的位置并重復以上流程。

＋獲得曲線(xiàn) NPSH ini =f (Q)。

 

產(chǎn)生的空化氣泡表示，在透明壓力管中水泵葉輪后面有湍流的漩渦流。這是一個(gè)非常重要的現象，這種現象不僅在水力機械中發(fā)生，而且也發(fā)生在許多其他的能量、過(guò)程系統以及自然界中，它與水力機械的歐拉方程以及整個(gè)液壓系統的能量效率密切相關(guān)。