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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(yàn)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(duì)象，設(shè)計(jì)了演示教學(xué)試驗(yàn)臺(tái)，這使得把以下知識(shí)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(jì)—幾何和測(cè)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(cè)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(jì)。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(jí)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(jì)、主要校準(zhǔn)槽以及水泵蝸殼。通過下面試驗(yàn)臺(tái)的實(shí)驗(yàn)，可以激發(fā)學(xué)生撰寫電子技術(shù)報(bào)告的積極性。另外，在軟件 LabVIEW 設(shè)計(jì)中，還介紹了在并聯(lián)和串聯(lián)模式下水泵測(cè)試的虛擬實(shí)驗(yàn)。圖 17 幅。

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(jì)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(dòng)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(cè)試、水力系統(tǒng)的特性、泵的能效、文丘里儀表的校準(zhǔn)等。因?yàn)樵S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(yàn)室中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，然后畫出圖表和寫出電子報(bào)告。除了這些真實(shí)的實(shí)驗(yàn)之外，兩個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)也可以在串聯(lián)和并聯(lián)模式下進(jìn)行2臺(tái)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(cè)量水泵特性并觀察每個(gè)水管中的流量。

1 教育演示裝置

1. 1 試驗(yàn)臺(tái)

根據(jù) ISO 9906 標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量程序，去建立具有教育示范意義測(cè)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(hào)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(dòng)方向在圖 2 中用箭頭指出。在此實(shí)驗(yàn)裝置中可以應(yīng)用兩個(gè)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(dòng)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(yàn)臺(tái)

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(jì); 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(yàn)裝置的測(cè)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(yàn)臺(tái)功能

在試驗(yàn)臺(tái)上，可以演示以下實(shí)驗(yàn)室練習(xí):

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

＋需按照 ISO 9906 的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)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(cè)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(shí)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(yàn)。

為了更形象展示壓力變送器的物理特性，以及對(duì)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(yàn)臺(tái)裝置的編號(hào)與圖 3 和圖 4中的裝置一一對(duì)應(yīng)。在圖 4 中，在水泵的吸入側(cè)有一個(gè)用于真空測(cè)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(huì)如何啟動(dòng)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(gè)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(dòng)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(jì)(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(jì)校準(zhǔn)

如圖 1 中數(shù)字標(biāo)號(hào)為 4 的文丘里流量計(jì)是內(nèi)置在試驗(yàn)臺(tái)中，因?yàn)樵摿髁坑?jì)沒有標(biāo)準(zhǔn)的幾何形狀，所以需要校準(zhǔn)。這個(gè)校準(zhǔn)需要在試驗(yàn)臺(tái)上通過關(guān)閉閥門 V. 30 同時(shí)調(diào)整水泵的轉(zhuǎn)速進(jìn)行 (見圖 3)。通過對(duì)上水池 23 中精que測(cè)量的流量比較來校準(zhǔn)文丘里流量計(jì)，該測(cè)量的流量與壓力變送器 8 傳來的信號(hào)是成比例的 (見圖 3)。

對(duì)上水池中測(cè)量的流量公式定義是:

Q= ΔV/Δt(1)

式中，Δt 為測(cè)量的時(shí)間間隔，ΔV 為水的填充體積。在測(cè)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(cè)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(jì)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(yàn)，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(jì)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(jì)有關(guān)。學(xué)生在測(cè)量時(shí)間的同時(shí)需要在上水箱中讀取水位，流量是通過測(cè)得的體積除以測(cè)量的時(shí)間求得 (1)。

調(diào)節(jié)各種變化的水流，用文丘里流量計(jì)上的差壓變送器 (4) 測(cè)量壓降。在此基礎(chǔ)上，計(jì)算文丘里流量計(jì)系數(shù)，并準(zhǔn)備好進(jìn)行測(cè)量。

1. 4 在實(shí)驗(yàn)中測(cè)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?yàn)?2 個(gè)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(cè)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(cè)量截面。測(cè)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(cè)量的 (圖 4)。用下列方

式計(jì)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(cè)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(jì)測(cè)量 (如通過差壓變送器 8) 流量 (圖 4)。用電功率表測(cè)量電動(dòng)機(jī)的功率 (P)。在測(cè)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(jì)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(cè)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(yàn)時(shí)，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(cè)試。這需要去升級(jí)并改進(jìn)試驗(yàn)臺(tái)，圖 6 給出的是水泵特性曲線。因此，一個(gè)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(cè)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(yàn)測(cè)定

如圖 4 所示，系統(tǒng)特性曲線的測(cè)定可以在該試驗(yàn)臺(tái)的配置中測(cè)得。此時(shí)，閥門 V. 20 是完全關(guān)閉的，閥門 V. 30 開始時(shí)是完全打開的。該曲線可以通過改變水泵的轉(zhuǎn)速來測(cè)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(shí)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(dòng)方向 (對(duì)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(yàn)測(cè)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(cè)試來決定的，在該測(cè)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(cè)定的。圖 4 中的試驗(yàn)臺(tái)測(cè)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(gè)壓力是由如圖 4 壓力變送器 8、9、10 測(cè)量的，而在每個(gè) V. 10 位置可以計(jì)算得到流量 Q 和揚(yáng)程 H。

＋測(cè)定新的水泵特性曲線。

＋注意流量，它對(duì)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(jì)算 3% 凈的正吸出高度(NPSH3):

式中，P D 是水汽的壓力。

＋針對(duì)閥門 V. 30 新位置重復(fù)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程。

＋測(cè)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(dòng)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(yàn)臺(tái)也可用于測(cè)定初始的凈的正吸出高度 NPSH (NPSH ini )。該試驗(yàn)臺(tái)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(shí)緩慢關(guān)閉閥門 V. 10。

＋當(dāng)?shù)匾麓慰栈瘹馀莓a(chǎn)生時(shí)，讀取壓力變送器8 和 10 (圖 4) 的數(shù)值。

＋根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)量的數(shù)據(jù)，用如下的公式計(jì)算初始的凈的正吸出高度:

第二種測(cè)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(shí)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(cè)量壓力 (圖4)，用公式 (7) 計(jì)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(gè)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(gè)液壓系統(tǒng)的能量效率密切相關(guān)。