1礦用多級(jí)泵泵閥試驗(yàn)臺(tái)主體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

　　1. 1泵閥試驗(yàn)臺(tái)的主體結(jié)構(gòu)

　　主要由被試泵、電機(jī)、流量調(diào)節(jié)閥、汽蝕罐、穩(wěn)定罐、渦輪流量計(jì)、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器及被試閥等組成。試驗(yàn)時(shí)，先將系統(tǒng)管道和罐內(nèi)充水至規(guī)定的水位，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)8，帶動(dòng)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)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(jì)3，被試閥2，流量調(diào)節(jié)閥，l再流回汽蝕罐4，形成閉式循環(huán)系統(tǒng)。

　　1. 2泵閥試驗(yàn)臺(tái)穩(wěn)流柵的設(shè)計(jì)

　　為了保證在大流量下泵試驗(yàn)的穩(wěn)定性，減少系統(tǒng)內(nèi)的壓力波動(dòng)，筆者在泵的進(jìn)口管道上設(shè)計(jì)布置了穩(wěn)定罐，同時(shí)根據(jù)GB /T3214 19水泵流量的測(cè)定方法中穩(wěn)流柵的設(shè)計(jì)方法，在汽蝕罐內(nèi)設(shè)計(jì)了穩(wěn)流柵。

　　1. 3泵閥試驗(yàn)臺(tái)主體結(jié)構(gòu)管道的設(shè)計(jì)

　　1. 3. 1泵閥試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)出口管道的設(shè)計(jì)

　　根據(jù)GB3216 89離心泵、混流泵、軸流泵和旋渦泵試驗(yàn)方法中的規(guī)定：

　　( 1)對(duì)于B級(jí)試驗(yàn)，泵入口等徑直管段的長度應(yīng)不小于7倍D.對(duì)于該泵閥試驗(yàn)臺(tái)， L 1 7 %350= 2 450(mm)，實(shí)際設(shè)計(jì)為： L 1= 3 000 mm.

　　( 2)對(duì)于B級(jí)試驗(yàn)，泵出口等徑直管段長度應(yīng)不小于4倍D.對(duì)于該泵閥試驗(yàn)臺(tái)， L 2 4 %300= 1 200(mm)，實(shí)際設(shè)計(jì)為： L 2= 1 550 mm.

　　( 3)取壓孔。對(duì)于B級(jí)試驗(yàn)，分別在距被試泵進(jìn)、出口法蘭2倍D處各開4個(gè)取壓孔，取壓孔通過一環(huán)形匯集管連通取壓。

　　1. 3. 2泵閥試驗(yàn)臺(tái)流量計(jì)前后管道的設(shè)計(jì)

　　根據(jù)渦輪流量計(jì)產(chǎn)品使用說明書，為了保證流量測(cè)量精度的要求，渦輪流量計(jì)進(jìn)口等徑直管段長度應(yīng)不小于20倍D.對(duì)于該泵閥試驗(yàn)臺(tái)， L 3 20 % 300= 6 000(mm)，實(shí)際設(shè)計(jì)為： L 3= 6 000mm.渦輪流量計(jì)出口直管段長度應(yīng)不小于5倍D，對(duì)于該泵閥試驗(yàn)臺(tái)， L 4 5 % 300= 1 500( mm )，實(shí)際設(shè)計(jì)為： L 4= 3 000 mm. 　

　? ?1. 4被試閥門前后直管段的設(shè)計(jì)

　　被試閥門進(jìn)口等徑直管段的長度應(yīng)不小于10倍D，即L5 10 % 300= 3 000(mm)，實(shí)際設(shè)計(jì)為： L5 = 3 000 mm.被試閥出口等徑直管段的長度應(yīng)不小于4倍D，即： L 6 4 % 300 = 1 200(mm)，實(shí)際設(shè)計(jì)為： L 6 = 1 200 mm.

　　1. 5汽蝕罐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　汽蝕罐是利用一現(xiàn)成的圓柱體汽油罐改造而成，其體積為1 700 % 3 300(內(nèi)表面)。受試驗(yàn)室現(xiàn)有條件制約，汽蝕罐采用臥式布置。汽蝕罐進(jìn)、出口中心線設(shè)計(jì)不在同一水平線上，進(jìn)口中心線距地面0. 6 m，出口中心線距地面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(nèi)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(shè)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(yīng)由合理的h值決定， h值應(yīng)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(tǒng)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罐進(jìn)、出口孔口的最低要求，液面越高，水流流動(dòng)穩(wěn)定性越好;較大的水體體積還有利于防止系統(tǒng)溫升過快。汽蝕試驗(yàn)時(shí)，希望汽蝕罐有較小的水體體積，隨著空氣室體積的減少，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(nèi)水體體積為61 462 m 3.

　　( 2)為保證水流平穩(wěn)，在本罐體積較小、結(jié)構(gòu)已基本定型、難以設(shè)置整流裝置的情況下，在罐中設(shè)定兩道1 700的布孔整流板。整流板布孔按國標(biāo)設(shè)計(jì)，孔中心對(duì)稱分布，面積足夠大，孔總面積為1 028 m 2，從而保證了水流平穩(wěn)。

　　( 3)裝置汽蝕余量范圍估計(jì)：

　　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(duì)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(duì)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(yàn)時(shí)，隨著真空泵的工作， 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(yàn)。

　　1. 6穩(wěn)定罐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

　　穩(wěn)定罐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成圓柱形的壓力筒， 700 % 300(內(nèi)表面)，立式布置，頂部設(shè)氣閥。每次開車前開閥，加水直到閥頂有水溢出時(shí)關(guān)閥，工作中閥門關(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(wěn)定罐罐頂無氣室。由于該穩(wěn)定罐體積太小，難以設(shè)立整流結(jié)構(gòu)，為穩(wěn)定流動(dòng)，在筒內(nèi)設(shè)計(jì)了一矩形穩(wěn)流板。穩(wěn)流板尺寸為：< 1 300 % 700 % ( 6 8) > ( mm )， A3鋼，焊于筒內(nèi)，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(cè)距平均為31. 5 mm， 14個(gè)孔中心距均為49(mm )。倒數(shù)第二行孔共13個(gè)，然后接14， 13， 14， 13+自上錯(cuò)位排列。全孔面積為0. 508 9 m2。

　　1. 7泵閥試驗(yàn)臺(tái)管路系統(tǒng)阻力的計(jì)算

　　該系統(tǒng)管道阻力的計(jì)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為管路的長度，以m計(jì); v為管中流速， m /s.v< 12 m /s.

　　局部損失的計(jì)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(kuò)散管一個(gè)，以0. 3管中水頭為依據(jù)， 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(jù)， 值取0. 01.

　　汽蝕罐、穩(wěn)定罐進(jìn)口的值均取，l出口值均取0. 5. 　　

汽蝕罐、穩(wěn)定罐中整流板局部阻力損失( h j)的計(jì)算：浙江省南方農(nóng)用水泵驗(yàn)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(nóng)用臺(tái)選用1;g為重力加速度。

　　上式可簡化為：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(yàn)流量; v為整流板上孔的流速。

　　事實(shí)上，水流通過孔的流動(dòng)可視為落壁淹沒出流，其水力損失由兩部分構(gòu)成：即水流通過孔口的損失和水流過孔口后的擴(kuò)散損失。與這兩種損失對(duì)應(yīng)的局部損失大致分別為： 0. 06和1，從而c應(yīng)取1. 2.

　　試驗(yàn)泵最大流量取1 600 m 3 /h，以50 m 3 /h為步長，計(jì)算各個(gè)流量點(diǎn)的全部損失，從而得到系統(tǒng)損失，亦即泵揚(yáng)程。 　　計(jì)算以計(jì)算機(jī)編程完成。主體結(jié)構(gòu)為一循環(huán)語句，分別計(jì)算各流量點(diǎn)的損失值。

　　給定Q，對(duì)某一管路計(jì)算v，判定v是否小于1. 2 m /s，根據(jù)不同情況計(jì)算A，然后以A lQ 2計(jì)算本管道沿程的損失，對(duì)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(jì)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(yáng)程值。

　　該系統(tǒng)的阻力曲線平均斜率較小，反映了損失不大，從而決定了試驗(yàn)臺(tái)有很大的適應(yīng)性，能完成幾乎全部試驗(yàn)泵任意轉(zhuǎn)速下的性能和汽蝕試驗(yàn)。

　　1. 8泵閥試驗(yàn)臺(tái)管路系統(tǒng)溫升的計(jì)算閥門全開時(shí)， 1 s時(shí)間內(nèi)，通過泵的流量Q(m 3 /s)從泵中獲得的能量H將全部轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)內(nèi)熱能，而H等于單位水重的總損失h w。另外，泵內(nèi)的損失(機(jī)械、水力、容積)也將間接轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)內(nèi)熱能。泵的效率以0. 7計(jì)，從而在1 m in內(nèi)，系統(tǒng)內(nèi)熱能增加為( 60 Qh w) /0. 7.

　　在系統(tǒng)絕熱條件下，這部分能量全部轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)內(nèi)熱能，那么， 1 m in內(nèi)系統(tǒng)溫升t應(yīng)滿足：t(c水km水+ c鋼m鋼)=( 60 Qh w) /0. 7這樣， 1 m in內(nèi)，系統(tǒng)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(jì)算機(jī)得出的結(jié)果表明，系統(tǒng)溫升在閥門全開的條件下是很小的。當(dāng)閥門開度改變時(shí)，每分鐘系統(tǒng)溫升可能要大一些，但其數(shù)量級(jí)仍不是太大，溫升問題不嚴(yán)重。 　　2礦用多級(jí)泵泵閥試驗(yàn)臺(tái)的功能及試驗(yàn)方法的實(shí)現(xiàn)

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　　2. 1水泵性能試驗(yàn)及方法

　　將被試泵安裝于主循環(huán)系統(tǒng)泵試驗(yàn)臺(tái)位進(jìn)行調(diào)試，連接系統(tǒng)所有的一次傳感器(真空、壓力、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、功率、流量)和二次測(cè)量儀表并接入計(jì)算機(jī)，檢查控制系統(tǒng)電源，起動(dòng)被試泵、全開泵的進(jìn)口閥門，調(diào)節(jié)泵出口流量調(diào)節(jié)閥，將被試泵的流量測(cè)試范圍( 0 Qmax)進(jìn)行分點(diǎn)，能量試驗(yàn)的測(cè)試點(diǎn)要求不少于15個(gè)點(diǎn)。對(duì)被試泵按流量從小到大進(jìn)行各點(diǎn)測(cè)試，對(duì)混流泵、軸流泵、旋渦泵按流量從大到小進(jìn)行測(cè)試，用高精度流量調(diào)節(jié)閥進(jìn)行各點(diǎn)流量的調(diào)試，同時(shí)啟動(dòng)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理、繪制性能曲線和打印試驗(yàn)數(shù)據(jù)報(bào)告。

　　2. 2水泵汽蝕試驗(yàn)方法

　　被試泵繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，選擇泵運(yùn)行范圍的0. 8倍設(shè)計(jì)流量點(diǎn)、設(shè)計(jì)流量點(diǎn)、1. 2倍設(shè)計(jì)流量點(diǎn)三個(gè)測(cè)試點(diǎn)。一次傳感器和二次儀表的配置使用、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)與水泵性能試驗(yàn)相同。汽蝕試驗(yàn)增加測(cè)試系統(tǒng)的水溫和當(dāng)?shù)睾０蔚拇髿鈮毫?，在被試泵進(jìn)口閥門全開狀態(tài)下，調(diào)節(jié)被試泵出口閥門至某一流量點(diǎn)(汽蝕試驗(yàn)過程中調(diào)節(jié)兩閥始終保持流量點(diǎn)流量不變)，測(cè)出泵進(jìn)口的最大壓力，關(guān)閉泵進(jìn)口閥門，測(cè)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(diào)整泵的進(jìn)口閥門全開，泵出口流量調(diào)節(jié)閥調(diào)整流量至某一試驗(yàn)流量點(diǎn)，保持該流量不變，啟動(dòng)真空調(diào)節(jié)系統(tǒng)，按前述分點(diǎn)的真空度，給定調(diào)節(jié)泵進(jìn)口的真空度，直至真空度達(dá)到泵的汽蝕斷裂工況點(diǎn)。同時(shí)，調(diào)整流量調(diào)節(jié)閥并保證流量大體不變，進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、處理，繪制出Q = f ( h )曲線，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，繪于泵性能曲線上得到被試泵的汽蝕特性曲線。

　　2. 3閥門的流阻試驗(yàn)及方法

　　將被試閥門串接于主循環(huán)系統(tǒng)的閥門安裝臺(tái)位上，循環(huán)供水泵提供被試閥門所需的流量和壓力。調(diào)節(jié)系統(tǒng)流量調(diào)節(jié)閥從零流量到最大流量選擇15個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，通過計(jì)算機(jī)采集被試閥門的流量和閥門前后的壓差進(jìn)行計(jì)算處理，獲得被試閥門的流量與阻力之間的關(guān)系曲線。

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　　3礦用多級(jí)泵主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在的問題及改進(jìn)意見

　　( 1)該主體結(jié)構(gòu)對(duì)于滿足各種不同型式的泵閥試驗(yàn)還需進(jìn)一步的研究改進(jìn)，系統(tǒng)內(nèi)需再增加分支管道系統(tǒng)，以滿足多功能試驗(yàn)的要求。

　　( 2)汽蝕罐兩端最好加封頭，以增加承受負(fù)壓的能力。

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　　4結(jié)論

　　( 1)該主體結(jié)構(gòu)系按照GB3216 89離心泵、混流泵、軸流泵和旋渦泵試驗(yàn)方法的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)和布置方案合理，經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證是成功的，能達(dá)到B級(jí)精度試驗(yàn)的要求。

　　( 2)由于在主體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中采用了穩(wěn)定罐和穩(wěn)流柵，從而使整個(gè)系統(tǒng)在試驗(yàn)時(shí)減少了壓力脈動(dòng)。 　　實(shí)踐證明系統(tǒng)是非常穩(wěn)定的。

　　( 3)試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)特性決定了其性能特性。

　　在系統(tǒng)計(jì)算中，盡量少的引用了一些經(jīng)驗(yàn)公式，作了某些假設(shè)，推導(dǎo)公式也不盡全面，但定性結(jié)論是可行的。較為保守的分析計(jì)算表明：該臺(tái)阻力系數(shù)很小，能保證大部分泵在任何條件下的性能和汽蝕試驗(yàn);試驗(yàn)中溫升也不大，能實(shí)現(xiàn)國標(biāo)要求的試驗(yàn)水溫不高于40 ，的要求。

　　( 4)在主體結(jié)構(gòu)中各取壓點(diǎn)均開設(shè)有4個(gè)取壓孔，取壓孔通過一環(huán)型匯集連通管道進(jìn)行取壓，且各分支管段長度按要求進(jìn)行設(shè)計(jì)安裝，能滿足壓力測(cè)量的要求。