离心泵性能实验设备综合改造及实践

马菊莲

(西安石油大学 机械工程学院, 陕西 西安　710065)



离心泵性能实验设备综合改造及实践

马菊莲

(西安石油大学 机械工程学院, 陕西 西安710065)

因原有实验装置使用年限太久、仪器设备老化、技术落后等原因已不能满足实验教学改革和发展的要求,通过对离心泵性能实验设备的综合改造,提高其综合性、操作性、多样性及比较性,实现了手动测量和自动测量的一体化操作设备,实现了单泵测量、双泵串联和双泵并联的多种测量模式。通过几年实践表明,改造后的实验设备满足了实验教学和科研的要求。

离心泵性能； 设备改造； 教学实验

提高实验教学水平,离不开先进完善的实验教学条件,其中实验设备的更新改造尤为重要[1]。过程流体机械课程是我校过程装备与控制工程专业精品课程,其中的离心泵性能实验是该课程实践教学中的必做实验。原有实验装置由于使用年限太久,仪器设备老化、技术陈旧落后,使用功能不全,测量误差太大,实验内容和实验效果不尽如人意,已越来越不能适应实验教学改革和发展。为此,我们在总结了原实验装置的优缺点后,结合理论和实验教学的要求,对实验设备进行了更新和综合改造[2]。

1　实验原理

在化工生产过程中为液体提供能量的设备型式有许多种,最常用的是离心泵[1],而离心泵性能测试(即特性曲线测定)是化工生产中合理选择离心泵类型、规格的重要依据,也是判定泵工作状况是否适宜的标准[3]。

离心泵特性曲线是指在一定的型号和恒定转速下扬程H、轴功率N及效率η与流量Q之间的关系曲线,它是流体在泵内流动规律的外部表现形式。由于离心泵的结构和流体本身的非理想性以及流体在流动过程中的种种阻力损失,至今为止,还没有能用数学方法描述这一特性曲线，只能依靠实验测定[4]。所以离心泵特性曲线的测定实验就成了化工流体机械课程中非常重要的一个实验。

1.1扬程的测定

取离心泵的进口和出口压力表处出、入两个截面，列出机械能换算方程，即以单位重量为基准柏努利方程为

(1)

(2)

式中:H为扬程；Z出和Z入分别为泵出口截面和入口截面压力表安装高度，m;p入和p出分别泵入口和出口截面压力，Pa；u入和u出分别为泵入口和出口处的流速，m/s;ρ为流体密度，kg/m3[5];g为重力加速度，m/s2；Hf入-出为两截面间管道中流动阻力引起的压头损失，m。

由于两截面间管较短、管径相等，通常可忽略Hf入-出,速度平方差也可忽略，于是(1)式变为

(3)

将测得的Z出、Z入和p出、p入的值即可求得H的值。

1.2功率的测定

功率表测得的功率为电动机的输入功率。因泵由电动机直接带动,传动效率可视为1.0,所以电动机的输出功率等于泵的轴功率。

1.3泵效率的测定

(4)

2　设备改造

2.1设备改造背景

根据离心泵特性曲线测定实验原理的要求,该实验需测量离心泵转速、管路流量、泵进出口压力及转矩等参数。利用原用实验设备，学生通过管路上的阀门调节流量大小,通过流量计、转速表、压力表、砝码平衡力测转矩机构等测得数据,然后再通过公式计算其相应的扬程、功率及效率值,绘制单泵工作时的性能特性曲线。这样的实验设备条件,每完成一组实验,需要很长的实验时间,实验效率太低,同时因仪器设备老化、精度差及人为因素等引起的测量误差也较大,使得实验效果不佳[6]。 另外 原用的实验教学设备的实验类型和方式较单一,实验类型以验证性和演示性实验为主,缺乏综合性、创新性实验,不利于学生综合实践能力和创新能力的培养。

2.2设备改造目标

新的离心泵性能实验装置是大型流体机械实验系统的一个实验单元,和其他单元共用水源和动力系统。改造设计时为克服旧设备的一系列缺陷,按照科学合理、安全实用、经济节约、综合性强、手动操作与自动控制并存的设计思想和原则[4]，将流体机械设备的工艺流程和先进的自动化控制系统紧密结合在一起，既要满足将离心泵性能实验改造为综合性实验的设备要求,又要满足学生课程设计和毕业设计实验的要求以及相关科学研究实验的需要[7]。

2.3新实验装置简介及特点

新实验装置主要组成:1 L的不锈钢水箱1台,立式悬臂式离心泵2台,电动阀2个,流量计2个,变频控制柜1台,pcl控制柜1个,电脑1台,阀门、变送器和压力表以及管路若干。实验装置见图1。

图1　现离心泵性能测定实验装置

新实验装置特点:新设备综合性强,自动化程度高,测量精度高,具体体现在以下几方面:

(1) 采集方式多样化。实验中的压力、流量、转速等参数既可以通过相应仪表等配件直接读取,也可以采用测量精度较高的传感器进行数据采集并将信号传输到计算机,通过相应的软件显示在实验操作界面,并自动保存在规定的文件夹。

(2) 控制方式多样化。管路流量大小可以通过调节电动阀的开度大小和变频控制离心泵转速大小两种调节方式来实现；电动阀开度大小也可以通过就地控制和远程自动控制两种方式来实现。离心泵启停和转速大小同样可实现就地控制和远程自动控制两种控制方式。实现了就地控制和远程控制、手动测量和自动测量相结合的测试手段。

(3) 计算方式多样化。泵的扬程、泵的轴功率、泵的效率既可以通过手动测量相关数据,并计算结果；也可以通过自动测量采集数据,通过计算机软件进行处理,并显示在计算机界面上,自动保存和打印

(4) 曲线绘图多样化。H-Q、N-Q及η-Q关系曲线既可以通过手动测量相关数据并计算,然后绘制其曲线；也可以通过自动测量采集数据,通过计算机软件进行处理 ,并通过计算机自动绘制生成各种曲线。

(5) 实验选择项目多样化。新改进的实验设备,通过改变管路流向,可选择做单泵的性能曲线、也能做双泵并联特性曲线和双泵串联的特性曲线,还能做管路特性曲线,增加了实验设备的综合性能。其实验系统流程图如图2所示,实验操作界面见图3。

图2　现实验系统流程图

图3　现实验操作界面

(6) 可拆卸。为了拓展实验范围,将泵两端管路设计成可拆卸,便于更换不同型号的离心泵进行实验研究[8]。

2.4新设备的实践体会

由于实验设备的改进,采用了先进的测试手段,实现了实验数据自动采集和处理系统,减少了实验中机械的重复操作步骤及人为操作误差,大大节约了实验操作时间,提高了实验效率和精度[9],这样就可以使学生在有限的时间内,快速、方便直观地测量出更多不同工况下离心泵的特性曲线,并对其进行比较分析,从中得出结论,并用所学理论知识去解释这些不同和变化。同时还可以将手动测量数据与自动测量数据比较,进行误差分析等[10 ]。

另外,实验中所需参数都能进行手动控制和测量,能进行自动控制和测量,既能做单泵的性能曲线，也能做双泵并联和双泵串联的特性曲线,还能做管路特性曲线,这样大大提高了实验设备的综合性能,有利于综合性实验的开设。综合性实验因其内容较多、实验数据也多、涉及知识广、实现方法多样,实验过程中出错现象和异常现象也多[10]，这样有利于锻炼学生思维的主动性和发散性,加深学生对所学知识的全面了解,同时提高了学生综合分析问题和解决问题的能力,使实验教学效果得到显著提高[11-12]。

3　结语

通过对离心泵性能实验设备的综合改造,提高了该实验设备的综合性、操作性、多样性及比较性。实现了手动测量和自动测量一体化设备,以及单泵、双泵串联和双泵并联的多种测量模式。满足了过程装备与控制工程专业的实验教学和科研的要求,经过几届学生的教学实践教学,效果良好[13]。

References)

[1] 单立志,王锐.污泥比阻实验设备的改造[J]. 实验技术与管理,2006,23(8):62-64.

[2] 马菊莲. 大型综合性流体机械与设备系统实验装置研制[J]. 实验技术与管理,2011,28(3):195-197.

[3] 李云，姜培正.过程流体机械[M].北京:化学工业出版社,2008.

[4] 管来霞.化工设备与机械[M].北京:化学工业出版社,2010.

[5] 张克危.流体机械原理[M].北京:机械工业出版社,2010.

[6] 陈炜,张其平.重新认识与组织实验教学[J].实验室研究与探索,2011,30(10):357-359.

[7] 郭伟锋.实验室环境下创新能力培养的协同观[J].实验室研究与探索,2009,28(10):14-16.

[8] 马菊莲. 过程设备设计基础实验教学的改革与实践[J]. 实验技术与管理,2009,26(10):135-137.

[9] 陈爽.应用型人才培养模式的实验教学改革[J].实验室研究与探索,2012,31(8):36-38.

[10] 马菊莲. 研制大型综合性实验设备 创建良好的实验教学条件[J]. 高校实验室工作研究,2009(1):67-69.

[11] 郑家茂,熊宏齐. 围绕研究型大学人才培养,建设开放创新的实践教学体系[J].高等工程教育研究,2008(3):94-98.

[12] 杜龙,许书克.浅析大学生创新性实验计划项目[J].实验室研究与探索,2012,31(2):83-84.

[13] 韩学军,王伟.QCS003B型液压实验台的改造[J].实验科学与技术,2008,6(10):151-153.

Comprehensive improvement and practice of centrifugal pump performance test equipment

Ma Julian

(School of Mechanical Engineering ,Xi’an Shiyou University,Xi’an 710065,China)

Because the original experimental device used for fixed number of year is too long,aging equipment,technological backwardness and so on, it has been unable to meet the requirements of experimental teaching reform and the development in colleges and universities. Through the comprehensive transformation of the centrifugal pump performance test equipment, this article improves the comprehensiveness, operability, diversity and comparability. The manual measurement and automatic measurement of the integrated operation of equipment can realize to achieve the measurement of single pump,double pump series and parallel double pumps of various measurement modes. Through several years of practice, it can meet the requirements of experimental teaching and scientific research in colleges and universities.

centrifugal pump performance; improvement of equipment; teaching experiment

10.16791/j.cnki.sjg.2016.10.023

2016-03-08修改日期：2016-05-18

马菊莲(1964—)，女，陕西凤翔，本科，高级工程师，主要从事过程装备与控制工程实验教学和研究.E-mail： majl@Xsyu.edu.cn

G484;TH311

B

1002-4956(2016)10-0090-03