矿用多级泵泵装置实验器构架构造预设探讨剖析

　　1矿用多级泵泵阀试验台主体结构的设计

　　1. 1泵阀试验台的主体结构

　　主要由被试泵、电机、流量调节阀、汽蚀罐、稳定罐、涡轮流量计、转矩转速传感器及被试阀等组成。试验时，先将系统管道和罐内充水至规定的水位，驱动电动机8，带动转矩转速传感器7和被试泵6，水经被试泵加压后，从泵出口管道流到涡轮流量计3，被试阀2，流量调节阀，l再流回汽蚀罐4，形成闭式循环系统。

　　1. 2泵阀试验台稳流栅的设计

　　为了保证在大流量下泵试验的稳定性，减少系统内的压力波动，笔者在泵的进口管道上设计布置了稳定罐，同时根据GB /T3214 19水泵流量的测定方法中稳流栅的设计方法，在汽蚀罐内设计了稳流栅。

　　1. 3泵阀试验台主体结构管道的设计

　　1. 3. 1泵阀试验台进出口管道的设计

　　根据GB3216 89离心泵、混流泵、轴流泵和旋涡泵试验方法中的规定：

　　( 1)对于B级试验，泵入口等径直管段的长度应不小于7倍D.对于该泵阀试验台， L 1 7 %350= 2 450(mm)，实际设计为： L 1= 3 000 mm.

　　( 2)对于B级试验，泵出口等径直管段长度应不小于4倍D.对于该泵阀试验台， L 2 4 %300= 1 200(mm)，实际设计为： L 2= 1 550 mm.

　　( 3)取压孔。对于B级试验，分别在距被试泵进、出口法兰2倍D处各开4个取压孔，取压孔通过一环形汇集管连通取压。

　　1. 3. 2泵阀试验台流量计前后管道的设计

　　根据涡轮流量计产品使用说明书，为了保证流量测量精度的要求，涡轮流量计进口等径直管段长度应不小于20倍D.对于该泵阀试验台， L 3 20 % 300= 6 000(mm)，实际设计为： L 3= 6 000mm.涡轮流量计出口直管段长度应不小于5倍D，对于该泵阀试验台， L 4 5 % 300= 1 500( mm )，实际设计为： L 4= 3 000 mm. 　

　   1. 4被试阀门前后直管段的设计

　　被试阀门进口等径直管段的长度应不小于10倍D，即L5 10 % 300= 3 000(mm)，实际设计为： L5 = 3 000 mm.被试阀出口等径直管段的长度应不小于4倍D，即： L 6 4 % 300 = 1 200(mm)，实际设计为： L 6 = 1 200 mm.

　　1. 5汽蚀罐结构设计

　　汽蚀罐是利用一现成的圆柱体汽油罐改造而成，其体积为1 700 % 3 300(内表面)。受试验室现有条件制约，汽蚀罐采用卧式布置。汽蚀罐进、出口中心线设计不在同一水平线上，进口中心线距地面0. 6 m，出口中心线距地面0. 65 m，进、出口圆孔孔径尺寸已确定，分别为0. 35 m， 0. 40 m (内径)。

　　( l)汽蚀罐中水位的确定。

　　汽蚀罐圆筒断面半径R = 1. 7 /2 = 0. 85( m)。设圆心到自由液面AB垂直距离为h，则：自由液面水面宽：AB = 2(R 2 – h 2)1 /2空气室断面面积：2 360(R 2 – h (R 2 – h 2)1 /2)水体断面积：R 2 = 2 360(R 2 + h(R 2 – h 2)1 /2式中2 = 2arccos( h /R )，度。

　　汽蚀罐水位的合理与否，应由合理的h值决定， h值应保证空气室有一定体积的汽体，有一定的自由表面面积，以提供减缓系统压力脉动的余地，保证水中有足够的溶解空气;另一方面，又必须保证自由液面淹没罐进、出口孔口的最低要求，液面越高，水流流动稳定性越好;较大的水体体积还有利于防止系统温升过快。汽蚀试验时，希望汽蚀罐有较小的水体体积，随着空气室体积的减少，有利于尽快降低液面压力，促使汽蚀较快发生。

　　以上要求是矛盾的，经多方比较， h值取0. 45 m比较合适，这时，自由液面到罐底的高度为。l 3 m，罐进、出口管中心高度为0. 70 m和0. 65 m，空气室体积为。l 344 13 m 3，自由表面面积为47 593 m2，罐内水体体积为61 462 m 3.

　　( 2)为保证水流平稳，在本罐体积较小、结构已基本定型、难以设置整流装置的情况下，在罐中设定两道1 700的布孔整流板。整流板布孔按国标设计，孔中心对称分布，面积足够大，孔总面积为1 028 m 2，从而保证了水流平稳。

　　( 3)装置汽蚀余量范围估计：

　　h a = P s+ v 2 s 2g – P v= P o+ 0. 65- h-P v 式中Ps、Pv为泵进口处水的绝对压力和平均速度; h为汽蚀罐出口到泵进口单位水重的水力损失，取1 m;P v 　　指水的比压力能，取0. 024 m; v s为泵进口处水的流速;为水的重度; P o指液面绝对压力。

　　由于罐中水流流速较小，故忽略了水流的动能，从而有：ha= P o+ 0. 65- 1- 0. 024= P o 　　– 0. 374汽蚀试验时，随着真空泵的工作， P o从大气压下降，成都大气压平均值取9. 70 m水柱，从而ha不大于9. 326 m，足以保证任何泵在任何工况点的汽蚀试验。

　　1. 6稳定罐结构的设计

　　稳定罐结构设计成圆柱形的压力筒， 700 % 300(内表面)，立式布置，顶部设气阀。每次开车前开阀，加水直到阀顶有水溢出时关阀，工作中阀门关闭。罐中水体积为0. 5 m 3，罐顶必须低于汽蚀罐工作水位，以保证稳定罐罐顶无气室。由于该稳定罐体积太小，难以设立整流结构，为稳定流动，在筒内设计了一矩形稳流板。稳流板尺寸为：< 1 300 % 700 % ( 6 8) > ( mm )， A3钢，焊于筒内，板上分布405个40孔。孔分成30行，行距为42. 5 mm，最上、最下面行孔距为42. 5 % 29 = 1232. 5(mm)。最下面一行孔14个，孔中心到底板30(mm)，最左、最右面孔中心到板侧距平均为31. 5 mm， 14个孔中心距均为49(mm )。倒数第二行孔共13个，然后接14， 13， 14， 13+自上错位排列。全孔面积为0. 508 9 m2。

　　1. 7泵阀试验台管路系统阻力的计算

　　该系统管道阻力的计算。

　　其管道中沿程损失h f为：h f = A lQ 2按舍维列夫公式求比阻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为管道直径， m; l为管路的长度，以m计; v为管中流速， m /s.v< 12 m /s.

　　局部损失的计算：0. 3 % 15. 13和一0. 35 % 2. 83管道上有90(的弯头各两个， 值均取0. 42. 　　( 0. 35- 0. 03) % 0. 3扩散管一个，以0. 3管中水头为依据， 值取0. 3. 　　( 0. 4 – 0. 35) % 0. 4收缩管一个，以0. 35管中水头为依据， 值取0. 01.

　　汽蚀罐、稳定罐进口的值均取，l出口值均取0. 5. 　　

汽蚀罐、稳定罐中整流板局部阻力损失( h j)的计算：浙江省南方农用水泵验收基地给出的公式为：h j = v 2 2g % w网2 c式中w为管断面面积; w网为整流板上全部孔面积之和; c为0. 675 1. 576，浙江农用台选用1;g为重力加速度。

　　上式可简化为：h j = 2 2g Q w 2 % w 2 w 2网= 2 2g Q w网2 = c 2g v 2网式中Q为试验流量; v为整流板上孔的流速。

　　事实上，水流通过孔的流动可视为落壁淹没出流，其水力损失由两部分构成：即水流通过孔口的损失和水流过孔口后的扩散损失。与这两种损失对应的局部损失大致分别为： 0. 06和1，从而c应取1. 2.

　　试验泵最大流量取1 600 m 3 /h，以50 m 3 /h为步长，计算各个流量点的全部损失，从而得到系统损失，亦即泵扬程。 　　计算以计算机编程完成。主体结构为一循环语句，分别计算各流量点的损失值。

　　给定Q，对某一管路计算v，判定v是否小于1. 2 m /s，根据不同情况计算A，然后以A lQ 2计算本管道沿程的损失，对每个管径的管道进行同样处理，叠加沿程损失;以每个管道的v值即可计算各处的局部损失。将沿程损失与局部损失相加，即为这一流量下的总损失h w，这也是泵在此流量点的扬程值。

　　该系统的阻力曲线平均斜率较小，反映了损失不大，从而决定了试验台有很大的适应性，能完成几乎全部试验泵任意转速下的性能和汽蚀试验。

　　1. 8泵阀试验台管路系统温升的计算阀门全开时， 1 s时间内，通过泵的流量Q(m 3 /s)从泵中获得的能量H将全部转化为系统内热能，而H等于单位水重的总损失h w。另外，泵内的损失(机械、水力、容积)也将间接转化为系统内热能。泵的效率以0. 7计，从而在1 m in内，系统内热能增加为( 60 Qh w) /0. 7.

　　在系统绝热条件下，这部分能量全部转换为系统内热能，那么， 1 m in内系统温升t应满足：t(c水km水+ c钢m钢)=( 60 Qh w) /0. 7这样， 1 m in内，系统温升为：t= 9 800 %Q % (h f + h j) % 60 /0. 7 4. 18 % ( 9 204+ 0. 11 % 3. 993) % 10 3计算机得出的结果表明，系统温升在阀门全开的条件下是很小的。当阀门开度改变时，每分钟系统温升可能要大一些，但其数量级仍不是太大，温升问题不严重。 　　2矿用多级泵泵阀试验台的功能及试验方法的实现

　　2. 1水泵性能试验及方法

　　将被试泵安装于主循环系统泵试验台位进行调试，连接系统所有的一次传感器(真空、压力、转速、转矩、功率、流量)和二次测量仪表并接入计算机，检查控制系统电源，起动被试泵、全开泵的进口阀门，调节泵出口流量调节阀，将被试泵的流量测试范围( 0 Qmax)进行分点，能量试验的测试点要求不少于15个点。对被试泵按流量从小到大进行各点测试，对混流泵、轴流泵、旋涡泵按流量从大到小进行测试，用高精度流量调节阀进行各点流量的调试，同时启动计算机数据采集处理系统进行数据采集、处理、绘制性能曲线和打印试验数据报告。

　　2. 2水泵汽蚀试验方法

　　被试泵继续运转，选择泵运行范围的0. 8倍设计流量点、设计流量点、1. 2倍设计流量点三个测试点。一次传感器和二次仪表的配置使用、计算机数据采集处理系统与水泵性能试验相同。汽蚀试验增加测试系统的水温和当地海拔的大气压力，在被试泵进口阀门全开状态下，调节被试泵出口阀门至某一流量点(汽蚀试验过程中调节两阀始终保持流量点流量不变)，测出泵进口的最大压力，关闭泵进口阀门，测出该流量点泵的最大真空范围Prmax(即最小压力)。按泵进口的最大压力(即最小真空度)和泵的最大真空范围进行分点，一般为15个点，注意在断裂工况点左右的点宜密一些。重新调整泵的进口阀门全开，泵出口流量调节阀调整流量至某一试验流量点，保持该流量不变，启动真空调节系统，按前述分点的真空度，给定调节泵进口的真空度，直至真空度达到泵的汽蚀断裂工况点。同时，调整流量调节阀并保证流量大体不变，进行数据的采集、处理，绘制出Q = f ( h )曲线，找到三个流量点的断裂工况点的临界汽蚀余量，再求出三个工况点的允许汽蚀余量hr c，绘于泵性能曲线上得到被试泵的汽蚀特性曲线。

　　2. 3阀门的流阻试验及方法

　　将被试阀门串接于主循环系统的阀门安装台位上，循环供水泵提供被试阀门所需的流量和压力。调节系统流量调节阀从零流量到最大流量选择15个点进行测试，通过计算机采集被试阀门的流量和阀门前后的压差进行计算处理，获得被试阀门的流量与阻力之间的关系曲线。

　　3矿用多级泵主体结构设计存在的问题及改进意见

　　( 1)该主体结构对于满足各种不同型式的泵阀试验还需进一步的研究改进，系统内需再增加分支管道系统，以满足多功能试验的要求。

　　( 2)汽蚀罐两端最好加封头，以增加承受负压的能力。

　　4结论

　　( 1)该主体结构系按照GB3216 89离心泵、混流泵、轴流泵和旋涡泵试验方法的要求进行设计，设计和布置方案合理，经过试验验证是成功的，能达到B级精度试验的要求。

　　( 2)由于在主体结构系统中采用了稳定罐和稳流栅，从而使整个系统在试验时减少了压力脉动。 　　实践证明系统是非常稳定的。

　　( 3)试验台的结构特性决定了其性能特性。

　　在系统计算中，尽量少的引用了一些经验公式，作了某些假设，推导公式也不尽全面，但定性结论是可行的。较为保守的分析计算表明：该台阻力系数很小，能保证大部分泵在任何条件下的性能和汽蚀试验;试验中温升也不大，能实现国标要求的试验水温不高于40 ，的要求。

　　( 4)在主体结构中各取压点均开设有4个取压孔，取压孔通过一环型汇集连通管道进行取压，且各分支管段长度按要求进行设计安装，能满足压力测量的要求。