1礦用多級泵泵閥試驗臺主體結構的設計

　　1. 1泵閥試驗臺的主體結構

　　主要由被試泵、電機、流量調節閥、汽蝕罐、穩定罐、渦輪流量計、轉矩轉速傳感器及被試閥等組成。試驗時(shí)，先將系統管道和罐內充水至規定的水位，驅動(dòng)電動(dòng)機8，帶動(dòng)轉矩轉速傳感器7和被試泵6，水經(jīng)被試泵加壓后，從泵出口管道流到渦輪流量計3，被試閥2，流量調節閥，l再流回汽蝕罐4，形成閉式循環(huán)系統。

　　1. 2泵閥試驗臺穩流柵的設計

　　為了保證在大流量下泵試驗的穩定性，減少系統內的壓力波動(dòng)，筆者在泵的進(jìn)口管道上設計布置了穩定罐，同時(shí)根據GB /T3214 19水泵流量的測定方法中穩流柵的設計方法，在汽蝕罐內設計了穩流柵。

　　1. 3泵閥試驗臺主體結構管道的設計

　　1. 3. 1泵閥試驗臺進(jìn)出口管道的設計

　　根據GB3216 89離心泵、混流泵、軸流泵和旋渦泵試驗方法中的規定：

　　( 1)對于B級試驗，泵入口等徑直管段的長(cháng)度應不小于7倍D.對于該泵閥試驗臺， L 1 7 %350= 2 450(mm)，實(shí)際設計為： L 1= 3 000 mm.

　　( 2)對于B級試驗，泵出口等徑直管段長(cháng)度應不小于4倍D.對于該泵閥試驗臺， L 2 4 %300= 1 200(mm)，實(shí)際設計為： L 2= 1 550 mm.

　　( 3)取壓孔。對于B級試驗，分別在距被試泵進(jìn)、出口法蘭2倍D處各開(kāi)4個(gè)取壓孔，取壓孔通過(guò)一環(huán)形匯集管連通取壓。

　　1. 3. 2泵閥試驗臺流量計前后管道的設計

　　根據渦輪流量計產(chǎn)品使用說(shuō)明書(shū)，為了保證流量測量精度的要求，渦輪流量計進(jìn)口等徑直管段長(cháng)度應不小于20倍D.對于該泵閥試驗臺， L 3 20 % 300= 6 000(mm)，實(shí)際設計為： L 3= 6 000mm.渦輪流量計出口直管段長(cháng)度應不小于5倍D，對于該泵閥試驗臺， L 4 5 % 300= 1 500( mm )，實(shí)際設計為： L 4= 3 000 mm. 　

　? ?1. 4被試閥門(mén)前后直管段的設計

　　被試閥門(mén)進(jìn)口等徑直管段的長(cháng)度應不小于10倍D，即L5 10 % 300= 3 000(mm)，實(shí)際設計為： L5 = 3 000 mm.被試閥出口等徑直管段的長(cháng)度應不小于4倍D，即： L 6 4 % 300 = 1 200(mm)，實(shí)際設計為： L 6 = 1 200 mm.

　　1. 5汽蝕罐結構設計

　　汽蝕罐是利用一現成的圓柱體汽油罐改造而成，其體積為1 700 % 3 300(內表面)。受試驗室現有條件制約，汽蝕罐采用臥式布置。汽蝕罐進(jìn)、出口中心線(xiàn)設計不在同一水平線(xiàn)上，進(jìn)口中心線(xiàn)距地面0. 6 m，出口中心線(xiàn)距地面0. 65 m，進(jìn)、出口圓孔孔徑尺寸已確定，分別為0. 35 m， 0. 40 m (內徑)。

　　( l)汽蝕罐中水位的確定。

　　汽蝕罐圓筒斷面半徑R = 1. 7 /2 = 0. 85( m)。設圓心到自由液面AB垂直距離為h，則：自由液面水面寬：AB = 2(R 2 – h 2)1 /2空氣室斷面面積：2 360(R 2 – h (R 2 – h 2)1 /2)水體斷面積：R 2 = 2 360(R 2 + h(R 2 – h 2)1 /2式中2 = 2arccos( h /R )，度。

　　汽蝕罐水位的合理與否，應由合理的h值決定， h值應保證空氣室有一定體積的汽體，有一定的自由表面面積，以提供減緩系統壓力脈動(dòng)的余地，保證水中有足夠的溶解空氣;另一方面，又必須保證自由液面淹沒(méi)罐進(jìn)、出口孔口的最低要求，液面越高，水流流動(dòng)穩定性越好;較大的水體體積還有利于防止系統溫升過(guò)快。汽蝕試驗時(shí)，希望汽蝕罐有較小的水體體積，隨著(zhù)空氣室體積的減少，有利于盡快降低液面壓力，促使汽蝕較快發(fā)生。

　　以上要求是矛盾的，經(jīng)多方比較， h值取0. 45 m比較合適，這時(shí)，自由液面到罐底的高度為。l 3 m，罐進(jìn)、出口管中心高度為0. 70 m和0. 65 m，空氣室體積為。l 344 13 m 3，自由表面面積為47 593 m2，罐內水體體積為61 462 m 3.

　　( 2)為保證水流平穩，在本罐體積較小、結構已基本定型、難以設置整流裝置的情況下，在罐中設定兩道1 700的布孔整流板。整流板布孔按國標設計，孔中心對稱(chēng)分布，面積足夠大，孔總面積為1 028 m 2，從而保證了水流平穩。

　　( 3)裝置汽蝕余量范圍估計：

　　h a = P s+ v 2 s 2g – P v= P o+ 0. 65- h-P v 式中Ps、Pv為泵進(jìn)口處水的絕對壓力和平均速度; h為汽蝕罐出口到泵進(jìn)口單位水重的水力損失，取1 m;P v 　　指水的比壓力能，取0. 024 m; v s為泵進(jìn)口處水的流速;為水的重度; P o指液面絕對壓力。

　　由于罐中水流流速較小，故忽略了水流的動(dòng)能，從而有：ha= P o+ 0. 65- 1- 0. 024= P o 　　– 0. 374汽蝕試驗時(shí)，隨著(zhù)真空泵的工作， P o從大氣壓下降，成都大氣壓平均值取9. 70 m水柱，從而ha不大于9. 326 m，足以保證任何泵在任何工況點(diǎn)的汽蝕試驗。

　　1. 6穩定罐結構的設計

　　穩定罐結構設計成圓柱形的壓力筒， 700 % 300(內表面)，立式布置，頂部設氣閥。每次開(kāi)車(chē)前開(kāi)閥，加水直到閥頂有水溢出時(shí)關(guān)閥，工作中閥門(mén)關(guān)閉。罐中水體積為0. 5 m 3，罐頂必須低于汽蝕罐工作水位，以保證穩定罐罐頂無(wú)氣室。由于該穩定罐體積太小，難以設立整流結構，為穩定流動(dòng)，在筒內設計了一矩形穩流板。穩流板尺寸為：< 1 300 % 700 % ( 6 8) > ( mm )， A3鋼，焊于筒內，板上分布405個(gè)40孔?？追殖?0行，行距為42. 5 mm，最上、最下面行孔距為42. 5 % 29 = 1232. 5(mm)。最下面一行孔14個(gè)，孔中心到底板30(mm)，最左、最右面孔中心到板側距平均為31. 5 mm， 14個(gè)孔中心距均為49(mm )。倒數第二行孔共13個(gè)，然后接14， 13， 14， 13+自上錯位排列。全孔面積為0. 508 9 m2。

　　1. 7泵閥試驗臺管路系統阻力的計算

　　該系統管道阻力的計算。

　　其管道中沿程損失h f為：h f = A lQ 2按舍維列夫公式求比阻A：A = 0. 001 736 /d 5. 3v1. 2 m /s A = 0. 852(1+ 0. 867 /v)0. 3 % 0. 001 736 /d 5. 3式中d為管道直徑， m; l為管路的長(cháng)度，以m計; v為管中流速， m /s.v< 12 m /s.

　　局部損失的計算：0. 3 % 15. 13和一0. 35 % 2. 83管道上有90(的彎頭各兩個(gè)， 值均取0. 42. 　　( 0. 35- 0. 03) % 0. 3擴散管一個(gè)，以0. 3管中水頭為依據， 值取0. 3. 　　( 0. 4 – 0. 35) % 0. 4收縮管一個(gè)，以0. 35管中水頭為依據， 值取0. 01.

　　汽蝕罐、穩定罐進(jìn)口的值均取，l出口值均取0. 5. 　　

汽蝕罐、穩定罐中整流板局部阻力損失( h j)的計算：浙江省南方農用水泵驗收基地給出的公式為：h j = v 2 2g % w網(wǎng)2 c式中w為管斷面面積; w網(wǎng)為整流板上全部孔面積之和; c為0. 675 1. 576，浙江農用臺選用1;g為重力加速度。

　　上式可簡(jiǎn)化為：h j = 2 2g Q w 2 % w 2 w 2網(wǎng)= 2 2g Q w網(wǎng)2 = c 2g v 2網(wǎng)式中Q為試驗流量; v為整流板上孔的流速。

　　事實(shí)上，水流通過(guò)孔的流動(dòng)可視為落壁淹沒(méi)出流，其水力損失由兩部分構成：即水流通過(guò)孔口的損失和水流過(guò)孔口后的擴散損失。與這兩種損失對應的局部損失大致分別為： 0. 06和1，從而c應取1. 2.

　　試驗泵最大流量取1 600 m 3 /h，以50 m 3 /h為步長(cháng)，計算各個(gè)流量點(diǎn)的全部損失，從而得到系統損失，亦即泵揚程。 　　計算以計算機編程完成。主體結構為一循環(huán)語(yǔ)句，分別計算各流量點(diǎn)的損失值。

　　給定Q，對某一管路計算v，判定v是否小于1. 2 m /s，根據不同情況計算A，然后以A lQ 2計算本管道沿程的損失，對每個(gè)管徑的管道進(jìn)行同樣處理，疊加沿程損失;以每個(gè)管道的v值即可計算各處的局部損失。將沿程損失與局部損失相加，即為這一流量下的總損失h w，這也是泵在此流量點(diǎn)的揚程值。

　　該系統的阻力曲線(xiàn)平均斜率較小，反映了損失不大，從而決定了試驗臺有很大的適應性，能完成幾乎全部試驗泵任意轉速下的性能和汽蝕試驗。

　　1. 8泵閥試驗臺管路系統溫升的計算閥門(mén)全開(kāi)時(shí)， 1 s時(shí)間內，通過(guò)泵的流量Q(m 3 /s)從泵中獲得的能量H將全部轉化為系統內熱能，而H等于單位水重的總損失h w。另外，泵內的損失(機械、水力、容積)也將間接轉化為系統內熱能。泵的效率以0. 7計，從而在1 m in內，系統內熱能增加為( 60 Qh w) /0. 7.

　　在系統絕熱條件下，這部分能量全部轉換為系統內熱能，那么， 1 m in內系統溫升t應滿(mǎn)足：t(c水km水+ c鋼m鋼)=( 60 Qh w) /0. 7這樣， 1 m in內，系統溫升為：t= 9 800 %Q % (h f + h j) % 60 /0. 7 4. 18 % ( 9 204+ 0. 11 % 3. 993) % 10 3計算機得出的結果表明，系統溫升在閥門(mén)全開(kāi)的條件下是很小的。當閥門(mén)開(kāi)度改變時(shí)，每分鐘系統溫升可能要大一些，但其數量級仍不是太大，溫升問(wèn)題不嚴重。 　　2礦用多級泵泵閥試驗臺的功能及試驗方法的實(shí)現

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　　2. 1水泵性能試驗及方法

　　將被試泵安裝于主循環(huán)系統泵試驗臺位進(jìn)行調試，連接系統所有的一次傳感器(真空、壓力、轉速、轉矩、功率、流量)和二次測量?jì)x表并接入計算機，檢查控制系統電源，起動(dòng)被試泵、全開(kāi)泵的進(jìn)口閥門(mén)，調節泵出口流量調節閥，將被試泵的流量測試范圍( 0 Qmax)進(jìn)行分點(diǎn)，能量試驗的測試點(diǎn)要求不少于15個(gè)點(diǎn)。對被試泵按流量從小到大進(jìn)行各點(diǎn)測試，對混流泵、軸流泵、旋渦泵按流量從大到小進(jìn)行測試，用高精度流量調節閥進(jìn)行各點(diǎn)流量的調試，同時(shí)啟動(dòng)計算機數據采集處理系統進(jìn)行數據采集、處理、繪制性能曲線(xiàn)和打印試驗數據報告。

　　2. 2水泵汽蝕試驗方法

　　被試泵繼續運轉，選擇泵運行范圍的0. 8倍設計流量點(diǎn)、設計流量點(diǎn)、1. 2倍設計流量點(diǎn)三個(gè)測試點(diǎn)。一次傳感器和二次儀表的配置使用、計算機數據采集處理系統與水泵性能試驗相同。汽蝕試驗增加測試系統的水溫和當地海拔的大氣壓力，在被試泵進(jìn)口閥門(mén)全開(kāi)狀態(tài)下，調節被試泵出口閥門(mén)至某一流量點(diǎn)(汽蝕試驗過(guò)程中調節兩閥始終保持流量點(diǎn)流量不變)，測出泵進(jìn)口的最大壓力，關(guān)閉泵進(jìn)口閥門(mén)，測出該流量點(diǎn)泵的最大真空范圍Prmax(即最小壓力)。按泵進(jìn)口的最大壓力(即最小真空度)和泵的最大真空范圍進(jìn)行分點(diǎn)，一般為15個(gè)點(diǎn)，注意在斷裂工況點(diǎn)左右的點(diǎn)宜密一些。重新調整泵的進(jìn)口閥門(mén)全開(kāi)，泵出口流量調節閥調整流量至某一試驗流量點(diǎn)，保持該流量不變，啟動(dòng)真空調節系統，按前述分點(diǎn)的真空度，給定調節泵進(jìn)口的真空度，直至真空度達到泵的汽蝕斷裂工況點(diǎn)。同時(shí)，調整流量調節閥并保證流量大體不變，進(jìn)行數據的采集、處理，繪制出Q = f ( h )曲線(xiàn)，找到三個(gè)流量點(diǎn)的斷裂工況點(diǎn)的臨界汽蝕余量，再求出三個(gè)工況點(diǎn)的允許汽蝕余量hr c，繪于泵性能曲線(xiàn)上得到被試泵的汽蝕特性曲線(xiàn)。

　　2. 3閥門(mén)的流阻試驗及方法

　　將被試閥門(mén)串接于主循環(huán)系統的閥門(mén)安裝臺位上，循環(huán)供水泵提供被試閥門(mén)所需的流量和壓力。調節系統流量調節閥從零流量到最大流量選擇15個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測試，通過(guò)計算機采集被試閥門(mén)的流量和閥門(mén)前后的壓差進(jìn)行計算處理，獲得被試閥門(mén)的流量與阻力之間的關(guān)系曲線(xiàn)。

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　　3礦用多級泵主體結構設計存在的問(wèn)題及改進(jìn)意見(jiàn)

　　( 1)該主體結構對于滿(mǎn)足各種不同型式的泵閥試驗還需進(jìn)一步的研究改進(jìn)，系統內需再增加分支管道系統，以滿(mǎn)足多功能試驗的要求。

　　( 2)汽蝕罐兩端最好加封頭，以增加承受負壓的能力。

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　　4結論

　　( 1)該主體結構系按照GB3216 89離心泵、混流泵、軸流泵和旋渦泵試驗方法的要求進(jìn)行設計，設計和布置方案合理，經(jīng)過(guò)試驗驗證是成功的，能達到B級精度試驗的要求。

　　( 2)由于在主體結構系統中采用了穩定罐和穩流柵，從而使整個(gè)系統在試驗時(shí)減少了壓力脈動(dòng)。 　　實(shí)踐證明系統是非常穩定的。

　　( 3)試驗臺的結構特性決定了其性能特性。

　　在系統計算中，盡量少的引用了一些經(jīng)驗公式，作了某些假設，推導公式也不盡全面，但定性結論是可行的。較為保守的分析計算表明：該臺阻力系數很小，能保證大部分泵在任何條件下的性能和汽蝕試驗;試驗中溫升也不大，能實(shí)現國標要求的試驗水溫不高于40 ，的要求。

　　( 4)在主體結構中各取壓點(diǎn)均開(kāi)設有4個(gè)取壓孔，取壓孔通過(guò)一環(huán)型匯集連通管道進(jìn)行取壓，且各分支管段長(cháng)度按要求進(jìn)行設計安裝，能滿(mǎn)足壓力測量的要求。