摘 要: 除了理論方法，流體機械課程也要求有良好的實踐和實驗室的練習，在課程結束后，學生應全面了解實踐的好處和其中可能出現(xiàn)的問題。以水泵為研究對象，設計了演示教學試驗臺，這使得把以下知識演示和教育給學生成為可能: 伯努利方程、葉輪機械的歐拉方程、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國際標準的水泵測試、水泵控制和能源效率問題，確定水力系統(tǒng)特性，用體積法校準文丘里流量計。將引導學生如何選擇和連接壓力變送器，以及如何校準這些儀器，如何應用和升級已開發(fā)的 LabVIEW 應用程序。此外，許多安裝的部件是透明的，如入口和壓力側的管道、文丘里流量計、主要校準槽以及水泵蝸殼。通過下面試驗臺的實驗，可以激發(fā)學生撰寫電子技術報告的積極性。另外，在軟件 LabVIEW 設計中，還介紹了在并聯(lián)和串聯(lián)模式下水泵測試的虛擬實驗。圖 17 幅。
引 言
水泵是#常用的機器之一，因此其本身特別值得注意，在流體力學課程以及更為具體的工程科目中常被進行研究。在塞爾維亞貝爾格萊德大學機械工程水力機械和能源系統(tǒng)部門，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題，如伯努利方程和用于渦輪機械的歐拉方程，以及讓學生學習并理解空化和漩渦流的流體流動現(xiàn)象。在另一方面，可讓學生找出關于此工程的問題，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。壓力變送器的校準功能內(nèi)置集成在 LabVIEW 中，學生在實驗室中進行實驗，然后畫出圖表和寫出電子報告。除了這些真實的實驗之外，兩個虛擬實驗也可以在串聯(lián)和并聯(lián)模式下進行2臺水泵運行的演示，水泵特性曲線還可以通過水泵的轉速變化來改變。這種類型的調節(jié)可以與節(jié)流閥的調節(jié)相比較，學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。在此實驗裝置中可以應用兩個控制模式 (比例或壓力常數(shù))，但是在這些應用中，水泵轉速的調節(jié)可以直接在水泵上通過手動調節(jié)或通過 Ｒ—100 型的紅外遙控器調節(jié)。
圖 1 初期的教學試驗臺
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)，由貝爾格萊德大學微電子技術學院化學技術和冶金研究所制造。該實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。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，可以演示以下實驗室練習:
＋如圖 3 所示用體積法校準文丘里流量計(需要關閉圖 1 中的閥門 V. 30)。
＋需按照 ISO 9906 的標準測定水泵的 Q—H 曲線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(shù))。在這種情況下，閥門 V. 30 關閉。
＋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)。
＋帶旁路的泵調節(jié)，在這種情況下，泵壓力側的管道是并聯(lián)的，調節(jié)由閥門 V. 30 執(zhí)行。
＋能效問題: 水泵調節(jié)與節(jié)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。在圖 4 中，在水泵的吸入側有一個用于真空測定的壓力變送器。
學生shou先通過學習以下步驟學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。
＋打開泵吸入側的閥門 V. 10。
＋慢慢打開閥門 V. 20 和/或 V. 30。關閉流程是:
＋關閉閥門 V. 20 和/或 V. 30。注意: 所有水泵壓力側的閥門都應關閉。
＋關閉閥門 V. 10。
＋關閉水泵。
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
如圖 1 中數(shù)字標號為 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準的幾何形狀，所以需要校準。這個校準需要在試驗臺上通過關閉閥門 V. 30 同時調整水泵的轉速進行 (見圖 3)。通過對上水池 23 中精que測量的流量比較來校準文丘里流量計，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(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)進行比較，就能確定其校準系數(shù)。這需要在流量相同的情況下反復重復該實驗，隨后用泵頻率調節(jié)器調節(jié)附加流量，取所有值的平均值為#終的校準系數(shù)。
文丘里流量計校準是需要在打開閥門 V. 10、V. 20 和關閉閥門 V. 30 的狀態(tài)下進行。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。學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。在此基礎上，計算文丘里流量計系數(shù)，并準備好進行測量。
1. 4 在實驗中測定水泵特性曲線
關閉閥門 V. 20 和 V. 30 (圖 4)。shou先，調節(jié)水泵轉速，因為 2 個閥門都關閉了，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分別表示水泵的進口和出口的測量截面。測量截面的標準在 ISO 9906 進行了定義，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，可以得到在該轉速下的水泵特性曲線。按上面步驟，也可以測得在其他轉速下的水泵特性曲線。圖 5 中展示的是貝爾格萊德大學做實驗時，在#大和#小轉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 從完全關閉到慢慢完全打開來測得的，并按照 ISO 9906 規(guī)定的標準進行。在此之后，學生可以降低或增加水泵的轉速，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速來測定。關閉閥門 V. 30 并改變水泵的轉速將得到另一種管道的水力曲線。學生還可以通過同時打開閥門 V. 20 和 V. 30 來觀察復雜的水力系統(tǒng) (平行工作管道)。水泵的工況點已經(jīng)改變，通過改變水泵轉速來演示改變水管 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:
＋將水泵的轉數(shù)調整到指定值。
＋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 和揚程 H。
＋測定新的水泵特性曲線。
＋注意流量，它對應的揚程比非空化區(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 新位置重復整個實驗過程。
＋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:
＋將水泵的轉數(shù)調整到指定值。
＋閥門 V. 30 處于恒定位置，同時緩慢關閉閥門 V. 10。
＋當?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:
第二種測定 NPSH ini 的方法如下:
＋將水泵的轉數(shù)調整到指定值。
＋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 轉到新的位置并重復以上流程。
＋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，它與水力機械的歐拉方程以及整個液壓系統(tǒng)的能量效率密切相關。
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