某大型立式中開蝸殼泵的真機性能試驗研究

陳崇得

(中南林業(yè)科技大學 機電工程學院，湖南 長沙 410000)

0 引言

立式中開蝸殼泵采用的是水平中開式，結(jié)構(gòu)設計也比較簡單，單級雙吸中開泵是為滿足大流量液體介質(zhì)輸送而設計的一種離心泵結(jié)構(gòu)型式，其葉輪呈雙吸結(jié)構(gòu)背對背對稱分布，水流分別從兩側(cè)進口進入葉輪，因此泵的流量是同比轉(zhuǎn)速單吸型式離心泵流量的兩倍，特別是在拆檢時，可以很方便地將泵殼和泵體在不分離進出口管路的情況下取出來，目前該泵在多個領域如農(nóng)業(yè)排水灌溉、石油化工、能源工程等中都已得到應用。但是由于國內(nèi)外研究中還沒有完全掌握這種流動的形式和特性，所以也無法采用完全的理論計算來求得這類水泵的性能(揚程、流量、效率和氣蝕余量等)；要準確獲得水泵的特性，只能采用外特性測量方法對實型的水泵進行測試和試驗，對于大中型水泵而言，因其配套功率和外形尺寸的限制，對其進行真機的試驗研究就顯得尤為重要。

1 試驗裝置布置思路

對于中小型的水泵而言，國際上公認參考的標準是ISO9906—1999和ANSI/HI14.6—2011，而我國所采用的標準GB/T3216—2005基本沿用了ISO9906—1999。本次試驗是針對大流量、大功率的大型泵而進行的，試驗的宗旨就是在盡量滿足標準的情況下合理地布置試驗裝置。

1.1 試驗回路

水泵試驗回路是獲得滿意的性能特性測量所必需的條件，是完成泵試驗的主要手段之一。試驗回路的設計與建造應遵循如下原則：①要符合有關(guān)試驗標準的具體規(guī)定，并使回路系統(tǒng)盡量緊湊；②回路流動要順暢，水力阻力要盡可能小；③運行要安全可靠，使用和維護比較方便；④布置、造型要實用、美觀、大方。

開式試驗回路主要由吸入管路系統(tǒng)、吐出管路系統(tǒng)、流量測量段、水池、管道支架及試驗平臺等組成。開式試驗回路具有以下特點：①入口管路系統(tǒng)、吐出管路系統(tǒng)、測功儀、驅(qū)動電動機等均在寬敞的試驗平臺及試驗場地上，不受各方面的限制，可任意安裝、連接，且操作方便；②不論是臥式泵、立式泵、淹沒式泵、小功率或大功率泵、小流量或大流量泵、低揚程或者高揚程泵均可在開式試驗回路上進行試驗，故其適應性強；③由于從水池中吸水，又向水池吐出水，因此水池表面大，容量相對也大，有較好的散熱效果，溫升易控制；④試驗回路比較簡單，通用性強，故造價一般都比較低。

1.2 被試驗泵的布置與安裝

在安裝前，先分別測量被試泵、原動機(電動機)和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的中心高，然后以三者中最大的中心高為安裝基準來選擇共同的底座。安裝場地的選擇應考慮吸入管路與吐出管路的安裝位置是否合適，以及基礎的抗震情況如何。在試驗安裝場地，應裝有預埋地面導軌，然后將被試驗泵、轉(zhuǎn)矩傳感器、原動機(電動機)牢固地安裝在地面導軌上。

1.3 吸入管路與吐出管路整體布置與安裝

根據(jù)試驗裝置需要的空間和水池布置形式，將試驗水泵安裝在-5.5 m干坑內(nèi)，水泵入口采用DN1000管。水泵入口汽蝕調(diào)節(jié)閥為DN1400電動閥，在DN1400電動蝶閥后安裝了一個DN1400-DN1000的變徑錐管以及一個整流柵，該整流柵的作用就是使絮亂的液流變整齊，防止在入口流道出現(xiàn)大漩渦，并獲得速度均勻的液流。水泵出口采用DN800管，在2倍出口管徑長度處取壓。因水泵出口為DN900，所以我們在水泵出口安裝了一個DN900-DN800的變徑錐管與取壓管連接，DN800電磁流量計安裝在5倍出口管徑長度處。水泵流量調(diào)節(jié)采用DN800電動蝶閥，水泵測試時的出水流量采用DN800電磁流量計進行測量。根據(jù)GB/T3216—2005第7.7條款中的要求，該流量計須位于水泵出水口后5倍管徑長度的直管處。根據(jù)GB/T3216—2005第8.2.1.1和8.2.1.2條款中的要求，水泵入口壓力測量取壓孔應位于離心泵入口法蘭2倍管徑長度的上游直管段處；出水壓力測量取壓孔應位于水泵出水口法蘭2倍管徑長度的下游直管段處。根據(jù)GB/T3216—2005第8.4.1條款中的要求，2級試驗可以只采用一個取壓孔。

1.4 測量流量儀器的布置與安裝

電磁流量計由傳感器和轉(zhuǎn)換顯示器所組成。用電磁流量計測量的特點是傳感器前后的穩(wěn)流直管段較短，所以可節(jié)省試驗空間，具有阻力小、耐腐蝕、耐磨、測量范圍廣、精度比較高等特點，滿足該試驗的要求，因此選用該儀器測量水泵流量。

水泵測試時采用DN800電磁流量計測量出水流量，流量測量范圍18 m3/h～27 143 m3/h。根據(jù)ISO9906第7.7條款中的要求，該流量計需位于水泵出水口后5倍管徑長度的直管處。

1.5 驅(qū)動電動機的布置與安裝

試驗水泵采用臥式電動機驅(qū)動，電動機型號為Y5002-4，額定功率為800 kW，額定轉(zhuǎn)速為1 486 r/min，額定電壓為10 000 V，額定電流為55.8 A。通過電動機連接5 000 N·m轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器來測量水泵的軸功率和轉(zhuǎn)速。用特制的專用支座在水泵與5 000 N·m轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器之間直接連接轉(zhuǎn)速比為1∶3.5的減速機以滿足水泵測試要求。由于是立式中開泵，把電動機置于水泵上方，利用特制支架支撐，這樣的布置也使得轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩測量儀的使用成為可能。真機性能試驗總體布局如圖1所示，性能試驗現(xiàn)場如圖2所示。

圖1 真機性能試驗總體布局

圖2 性能試驗現(xiàn)場

2 1000LS-23立式中開泵的性能試驗

性能試驗總共做了三次，以試驗大綱為依據(jù)，確定了13個工況點，并且每個工況點處讀取12組數(shù)據(jù)，在同一試驗條件下，分別記錄每一次試驗的數(shù)據(jù)，每次性能試驗的工況點做些稍微的調(diào)整，最后對比三次性能試驗，選擇最為合理的一次試驗作為本次性能試驗研究的可靠依據(jù)。

2.1 試驗真機泵的性能參數(shù)保證值

試驗真機泵的性能參數(shù)保證值如表1所示。

表1 性能參數(shù)保證值

2.2 測量參數(shù)計算

2.2.1 揚程的計算

根據(jù)所測量的水泵進口和出水壓力及其他相關(guān)參數(shù)，可按下式計算水泵的揚程：

(1)

其中：P2為出水口壓力表讀數(shù)；P1為入水口壓力表讀數(shù)；ρ為水的密度；Z1、Z2分別為水泵入口、出口壓力測量基準面的高度；v1、v2分別為在入水管、出水管壓力取壓位置處水流的平均流速；HD為水泵試驗裝置中因安裝需要所增加(或減少)的管路附件的水力損失。

2.2.2 效率的計算

根據(jù)ISO9906標準第3.34條中的規(guī)定計算效率：

(2)

其中：Pu為水泵的液體功率；P為水泵的輸入軸功率。

3 試驗結(jié)果及分析

在所有試驗完成之后，首先需要對測試數(shù)據(jù)進行換算，即試驗用電動機的實測轉(zhuǎn)速與規(guī)定轉(zhuǎn)速之間存在差異，故需將實測下的性能參數(shù)值轉(zhuǎn)換到規(guī)定轉(zhuǎn)速下；其次，將試驗結(jié)果與保證值進行比較；然后利用Excel的高效、易操作的特點將數(shù)據(jù)處理好，并整理和計算，以便后續(xù)分析。

經(jīng)過三次性能試驗，利用MATLAB軟件的曲線擬合功能，采用Polyval函數(shù)分別繪制了流量—揚程、流量—功率及流量—效率性能曲線圖；經(jīng)過多次編程和調(diào)試，得出采用最高次冪為4次的多項式擬合各個主要參數(shù)的性能曲線更為合理。通過三次性能試驗可以得知：第一次性能試驗中由于是初次對該蝸殼泵進行試驗，整體裝置存在一些問題，比如從一種干燥的環(huán)境到浸滿水，各個管道連接處含有一些殘留物，使得液體的特性與清潔水有所差異，各個測量儀器校準和測量有細微的偏差；而后來的兩次性能試驗都已達到了穩(wěn)定的狀態(tài)，這些偏差已經(jīng)可以忽略不計。從流量與揚程、功率、效率的曲線圖中綜合分析得出：在流量2.4 m3/s左右時，效率最高能夠達到90.78%，其余兩次試驗都在86%以上；三次性能試驗的揚程與保證值偏差分別為0.85 m、0.78 m和0.59，流量—揚程曲線沒有駝峰；功率偏差不大,達到了規(guī)定的2級標準，基本滿足試驗要求穩(wěn)定的狀態(tài)。三次性能試驗在規(guī)定流量下的主要參數(shù)測定值統(tǒng)計如表2所示,綜合各個方面的因素，得知第三次性能試驗結(jié)果較為合理。

表2 規(guī)定流量下的主要性能參數(shù)測定值

第三次性能試驗得到的水泵流量—揚程、流量—效率以及流量—功率擬合曲線如圖3～圖5所示。

圖3 水泵的流量—揚程性能曲線 圖4 水泵的流量—效率性能曲線 圖5 水泵的流量—功率性能曲線

4 結(jié)論

經(jīng)過對某大型立式中開蝸殼泵真機的三次性能試驗的研究，基本上確定了對于這種大型立式中開蝸殼泵的試驗布置方式以及在布置過程中所要注意的問題；研究表明采取合適的測量手段和測量儀器是保證試驗參數(shù)測定準確度的關(guān)鍵，而采取合理、精準、有效的曲線擬合工具是獲得可靠的參數(shù)性能和直觀準確曲線的有力保證。本文的研究為更有效地設計并制造出裝置效率高和耐久性好的大型離心泵提供了思路和方法。

參考文獻：

[1] 袁壽其.低比轉(zhuǎn)速離心泵理論與設計[M].北京：機械工業(yè)出版社，1996.

[2] 沈陽水泵研究所.離心泵設計基礎[M].北京：機械工業(yè)出版社，1987.

[3] 高劍,陳岱,鄧智勇.船用離心泵性能試驗裝置研究[J].水泵技術(shù),2013(1):28-33.

[4] 吳小平,把多鐸,胡沙沙,等.基于MATLAB離心泵特性曲線的擬合與繪制[J].中國農(nóng)村水利水電,2010(11):144-146.

[5] 王海龍,陳珊杰,李茜,等.基于MATLAB的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究[J].中國農(nóng)學通報,2007(1):381-384.

[6] 趙繼寶.國內(nèi)外水泵技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展前景[J].雞西大學學報,2008(2):110-111.

[7] 李紅,袁建平,湯躍,等.雙吸離心泵性能提高及其試驗研究[J].農(nóng)業(yè)機械學報,2005(12):77-80.

[8] 劉建瑞,湯富俊,陳斌,等.大型自吸離心泵設計及試驗研究[J].水泵技術(shù),2014(5):1-5.

[9] 朱祖超.開式高速離心泵的試驗研究[J].浙江大學學報，1999,33(2)：143-145.

[10] 王勁松.用Excel實現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)的計算機處理[J].科技信息(科學教研)，2008(23):403-404.