摘 要: 除了理論方法,流體機(jī)械課程也要求有良好的實(shí)踐和實(shí)驗室的練習(xí),在課程結(jié)束后,學(xué)生應(yīng)全面了解實(shí)踐的好處和其中可能出現(xiàn)的問題。以水泵為研究對象,設(shè)計了演示教學(xué)試驗臺,這使得把以下知識演示和教育給學(xué)生成為可能: 伯努利方程、葉輪機(jī)械的歐拉方程、水力損失、文丘里流量計—幾何和測量、空化和漩渦流現(xiàn)象,以及執(zhí)行 ISO 9906國際標(biāo)準(zhǔn)的水泵測試、水泵控制和能源效率問題,確定水力系統(tǒng)特性,用體積法校準(zhǔn)文丘里流量計。將引導(dǎo)學(xué)生如何選擇和連接壓力變送器,以及如何校準(zhǔn)這些儀器,如何應(yīng)用和升級已開發(fā)的 LabVIEW 應(yīng)用程序。此外,許多安裝的部件是透明的,如入口和壓力側(cè)的管道、文丘里流量計、主要校準(zhǔn)槽以及水泵蝸殼。通過下面試驗臺的實(shí)驗,可以激發(fā)學(xué)生撰寫電子技術(shù)報告的積極性。另外,在軟件 LabVIEW 設(shè)計中,還介紹了在并聯(lián)和串聯(lián)模式下水泵測試的虛擬實(shí)驗。圖 17 幅。Zh5壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器
引 言
水泵是#常用的機(jī)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(jī)械工程水力機(jī)械和能源系統(tǒng)部門,設(shè)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(yīng)用的問題,如伯努利方程和用于渦輪機(jī)械的歐拉方程,以及讓學(xué)生學(xué)習(xí)并理解空化和漩渦流的流體流動現(xiàn)象。在另一方面,可讓學(xué)生找出關(guān)于此工程的問題,如水泵測試、水力系統(tǒng)的特性、泵的能效、文丘里儀表的校準(zhǔn)等。因為許多安裝的組件都是透明的,所以流體的流動始終都是可見的。壓力變送器的校準(zhǔn)功能內(nèi)置集成在 LabVIEW 中,學(xué)生在實(shí)驗室中進(jìn)行實(shí)驗,然后畫出圖表和寫出電子報告。除了這些真實(shí)的實(shí)驗之外,兩個虛擬實(shí)驗也可以在串聯(lián)和并聯(lián)模式下進(jìn)行2臺水泵運(yùn)行的演示,水泵特性曲線還可以通過水泵的轉(zhuǎn)速變化來改變。這種類型的調(diào)節(jié)可以與節(jié)流閥的調(diào)節(jié)相比較,學(xué)生可以測量水泵特性并觀察每個水管中的流量。
1 教育演示裝置
1. 1 試驗臺
根據(jù) ISO 9906 標(biāo)準(zhǔn)的測量程序,去建立具有教育示范意義測定水泵特性曲線的裝置 [5] 。在圖 1中展示的是各種水泵控制的可能性 (見圖 1)。格蘭富的水泵型號為 UPE 50—120 F,直列式,是系統(tǒng)的心臟 (見圖 2)。透明的外殼替換了原來的外殼,該外殼帶有軸向入口和徑向出口,流動方向在圖 2 中用箭頭指出。在此實(shí)驗裝置中可以應(yīng)用兩個控制模式 (比例或壓力常數(shù)),但是在這些應(yīng)用中,水泵轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)可以直接在水泵上通過手動調(diào)節(jié)或通過 R—100 型的紅外遙控器調(diào)節(jié)。
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;7_ 用于校準(zhǔn)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;21_ 用于補(bǔ)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; 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(yīng)用中引入了標(biāo)定曲線。如圖 4 所示的真空表是內(nèi)置在位置 10,該真空表也是由同一廠家生產(chǎn)的 (見圖 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(xí):
+如圖 3 所示用體積法校準(zhǔn)文丘里流量計(需要關(guān)閉圖 1 中的閥門 V. 30)。
+需按照 ISO 9906 的標(biāo)準(zhǔn)測定水泵的 Q—H 曲線以及水泵的單機(jī)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(shù))。在這種情況下,閥門 V. 30 關(guān)閉。
+水泵在主水池和下水池之間循環(huán)輸水,此時H geo 等于零 (見圖 4)。
+帶旁路的泵調(diào)節(jié),在這種情況下,泵壓力側(cè)的管道是并聯(lián)的,調(diào)節(jié)由閥門 V. 30 執(zhí)行。
+能效問題: 水泵調(diào)節(jié)與節(jié)流閥、水泵轉(zhuǎn)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(yīng)。在圖 4 中,在水泵的吸入側(cè)有一個用于真空測定的壓力變送器。
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(yīng)。在圖 4 中,在水泵的吸入側(cè)有一個用于真空測定的壓力變送器。
學(xué)生shou先通過學(xué)習(xí)以下步驟學(xué)會如何啟動和停止離心泵:
+檢查水泵是否裝滿了水。
+如果沒有,打開如圖 1 所示白色指引線 2 上T 型管的蓋子。
+關(guān)閉圖 1 上所示的 3 個閥門,它們分別是V. 10、V. 20 和 V. 30。
+裝滿大約 3. 5 L 的水。
+關(guān)閉如圖 1 所示白色指引線 2 上 T 型接頭上的蓋子。
+啟動泵。
+打開泵吸入側(cè)的閥門 V. 10。
+慢慢打開閥門 V. 20 和/或 V. 30。關(guān)閉流程是:
+關(guān)閉閥門 V. 20 和/或 V. 30。注意: 所有水泵壓力側(cè)的閥門都應(yīng)關(guān)閉。
+關(guān)閉閥門 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)過閥門 V. 10 進(jìn)入吸入管 (11),再通過 T 型管 (2) 流到管道 (3) 以及文丘里流量計(4),在閥門 V. 20 和 V. 30 打開的情況下,流到上下水池 (23) (12)。
1. 3 文丘里流量計校準(zhǔn)
如圖 1 中數(shù)字標(biāo)號為 4 的文丘里流量計是內(nèi)置在試驗臺中,因為該流量計沒有標(biāo)準(zhǔn)的幾何形狀,所以需要校準(zhǔn)。這個校準(zhǔn)需要在試驗臺上通過關(guān)閉閥門 V. 30 同時調(diào)整水泵的轉(zhuǎn)速進(jìn)行 (見圖 3)。通過對上水池 23 中精que測量的流量比較來校準(zhǔn)文丘里流量計,該測量的流量與壓力變送器 8 傳來的信號是成比例的 (見圖 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(zhǔn),其結(jié)果如下:
ΔV=0. 120 05·ΔH (2)
式中,ΔH 是在水庫水位表上連續(xù)兩次測量的讀數(shù)之差。把這種方式獲得的流量讀數(shù)與連接到文丘里流量計的壓力變送器上的讀數(shù)進(jìn)行比較,就能確定其校準(zhǔn)系數(shù)。這需要在流量相同的情況下反復(fù)重復(fù)該實(shí)驗,隨后用泵頻率調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)附加流量,取所有值的平均值為#終的校準(zhǔn)系數(shù)。
文丘里流量計校準(zhǔn)是需要在打開閥門 V. 10、V. 20 和關(guān)閉閥門 V. 30 的狀態(tài)下進(jìn)行。已知上水池也就是校準(zhǔn)池的容量 (23,圖 1),它與上水箱(2) 中的水位計有關(guān)。學(xué)生在測量時間的同時需要在上水箱中讀取水位,流量是通過測得的體積除以測量的時間求得 (1)。
調(diào)節(jié)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(chǔ)上,計算文丘里流量計系數(shù),并準(zhǔn)備好進(jìn)行測量。
1. 4 在實(shí)驗中測定水泵特性曲線
關(guān)閉閥門 V. 20 和 V. 30 (圖 4)。shou先,調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速,因為 2 個閥門都關(guān)閉了,所以流量為零。水泵揚(yáng)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(biāo)準(zhǔn)在 ISO 9906 進(jìn)行了定義,它是用差壓變送器 9 來測量的 (圖 4)。用下列方
式計算平均速度:
式中,A i 是管道內(nèi)部橫截面的面積 ( A i =D 2i π/4,其中 D i是管道內(nèi)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(shù),用公式 ΔZ=Z II-ZI 來表示。
通過文丘里流量計測量 (如通過差壓變送器 8) 流量 (圖 4)。用電功率表測量電動機(jī)的功率 (P)。在測出上面所有這些數(shù)據(jù)之后,水泵效率 (η) 可以用如下公式計算得出:
慢慢打開閥門 V. 30 直到完全打開。至此,可以得到在該轉(zhuǎn)速下的水泵特性曲線。按上面步驟,也可以測得在其他轉(zhuǎn)速下的水泵特性曲線。圖 5 中展示的是貝爾格萊德大學(xué)做實(shí)驗時,在#大和#小轉(zhuǎn)速下獲得的水泵特性曲線 (見圖 5)。
根據(jù)圖 6 可以得出明顯的結(jié)論 (見圖 6),水泵特性曲線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。因此,一個完整的水泵特性曲線是通過將閥門V. 30 從完全關(guān)閉到慢慢完全打開來測得的,并按照 ISO 9906 規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。在此之后,學(xué)生可以降低或增加水泵的轉(zhuǎn)速,并觀察該水泵的另一種特性曲線。
1. 5 系統(tǒng)特性曲線的實(shí)驗測定
如圖 4 所示,系統(tǒng)特性曲線的測定可以在該試驗臺的配置中測得。此時,閥門 V. 20 是完全關(guān)閉的,閥門 V. 30 開始時是完全打開的。該曲線可以通過改變水泵的轉(zhuǎn)速來測定。關(guān)閉閥門 V. 30 并改變水泵的轉(zhuǎn)速將得到另一種管道的水力曲線。學(xué)生還可以通過同時打開閥門 V. 20 和 V. 30 來觀察復(fù)雜的水力系統(tǒng) (平行工作管道)。水泵的工況點(diǎn)已經(jīng)改變,通過改變水泵轉(zhuǎn)速來演示改變水管 21 的流動方向 (對上水箱、無流量和 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(guī)定的水泵參數(shù)下達(dá)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%,這是通過水的測試來決定的,在該測試中下水池是敞開的。水泵特性曲線 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(zhuǎn)數(shù)調(diào)整到指定值。
+用之前說明的方法確定水泵特性曲線。
+閥門 V. 30 處于恒定位置,在此期間打開閥門 V. 10。
+所有的 3 個壓力是由如圖 4 壓力變送器 8、9、10 測量的,而在每個 V. 10 位置可以計算得到流量 Q 和揚(yáng)程 H。
+測定新的水泵特性曲線。
+注意流量,它對應(yīng)的揚(yáng)程比非空化區(qū)的流量低 3%。
+如下是根據(jù) 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 V. 30 新位置重復(fù)整個實(shí)驗過程。
+測定曲線 NPSH3=f (Q)。
第二種方法,采取與上述閥門 V. 10 和 V. 30
相反的動作,即改變閥門 V. 30 把手的開關(guān)角度,使閥門 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察到地衣次空化氣泡,流程如下:
+將水泵的轉(zhuǎn)數(shù)調(diào)整到指定值。
+閥門 V. 30 處于恒定位置,同時緩慢關(guān)閉閥門 V. 10。
+當(dāng)?shù)匾麓慰栈瘹馀莓a(chǎn)生時,讀取壓力變送器8 和 10 (圖 4) 的數(shù)值。
+根據(jù)實(shí)驗測量的數(shù)據(jù),用如下的公式計算初始的凈的正吸出高度:
Zh5壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器
第二種測定 NPSH ini 的方法如下:
+將水泵的轉(zhuǎn)數(shù)調(diào)整到指定值。
+在空化氣泡出現(xiàn)的時候,讓閥門 V. 10 處于恒定的位置,保持閥門 V. 30 處于打開狀態(tài)。
+關(guān)閉閥門 V. 30,直到所有氣泡消失。
+根據(jù)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 V. 10 轉(zhuǎn)到新的位置并重復(fù)以上流程。
+獲得曲線 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。這是一個非常重要的現(xiàn)象,這種現(xiàn)象不僅在水力機(jī)械中發(fā)生,而且也發(fā)生在許多其他的能量、過程系統(tǒng)以及自然界中,它與水力機(jī)械的歐拉方程以及整個液壓系統(tǒng)的能量效率密切相關(guān)。