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不同转速对离心泵性能影响的试验研究 摘要 对一些大功率水泵，由于受试验条件的限制，无法通过试验室来测试其准确的性能。 因此，通过降速试验测定其降速后的性能参数，然后按照换算公式得到水泵的性能参数。 改变转速后性能运用相似率计算产生的误差较大，以及有关其他一些经验公式也有变化， 不再满足计算要求。对水泵的选用也带束较大的偏差。展开这一试验研究工作可以准确得 到离心泵的变速后性能和实验室内讵确地确定水泵性能，对于离心泵的- f 确选择和使用， 提高生产效率及节省能源都有实际意义。 本文以高( b x 2 0 0 一6 ( n 。= 3 4 3 0 3 ) 、x l l 5 0 一2 0 ( n 。= 2 4 9 0 3 ) ) 、中( b x 5 0 一3 1 ( n 。= 1 9 2 3 6 ) 、 i q l 0 0 2 2 a ( n 。= 1 7 7 3 6 ) ) 、低( i q 6 5 一1 6 0 ( n 。= 6 5 5 4 ) ) 不同比转速离心泵为试验研究对象，采 用离心泵丌式试验装置进行变频变速试验。本课题主要研究为高、中、低三种不同比转速 的离心泵变速性能试验以及性能的对比试验：离心泵变速调节试验的性能分析和利用s p s s 软件对性能相似律与汽蚀余量换算关系的回归分析；变速最优模型的建立及其应用分析； 离心泵变速节能的经济性分析。 主要研究结果：对各试验泵在不同转速( 5 0 n 1 0 0 n ) 下进行性能试验和汽蚀试验， 得到各性能参数和汽蚀余量，对其在不同转速下扬程相对误差和功率相对误差的分析，得 出误差随转速的降低而增大，扬程相对误差在其相对转速超过o 6 时，误差超过5 。中、 高比转数泵的功率相对误差在相对转速超过o 9 时，误差超过5 。并对其性能随转速变化 的规律和临界汽蚀余量随转速变化规律进行了理论分析。扬程与流量的换算基本符合相似 律，功率换算与相似律误差较大。运用s p s s l 2 0 软件进行回归分析对水泵相似定律和汽 蚀余量换算关系进行修f ，通过试验研究得出了不同比转速离心泵性能换算的修讵公式和 效率换算的经验公式及汽蚀余量换算的经验公式。通过验证，其经验公式换算与实验结果 较吻合。并对离心泵转速调节进行了节能分析其节能效果较高，提出变速调节对泵站节 能具有一定的实际意义。 关键词：离心泵转速性能汽蚀节能试验 t h e e x p e r i m e n t a ls t u d y o nt h ee f k c to fd i f f b r e n tr o t a t es p e e dt o t h ep e r f o r m a n c eo f c e n t r i f u g a lp u m p a b s t r a c t h i g h s p e e dp e r f o r m a n c eo f s o m eh i 曲一p o w e rp u m pc 珊o tb et e s t e dw i t ht h ep r e s c r i p t i v e s p e e da 1 】d c a n n o tb et e s t e dc o r r e c t l yi n1 a b ，f o rt 1 1 el i m i t a t i o no ft h ee x p e r i m e n t a t i o nw i t h s i t u a t i o ni nl a b h o w e v e r ，p e r f o n n a n c ep a r 姗e t e r sc a nb eg o tt h r o u 2 hp a r a m e t e r t r a n s f o n n a t i o n i f1 0 w s p e e dt e s t sh a v eb e e na d m i l l i s t e r e d t h ec o n v e r s i o ni sm o s t l ya c c o r d i n gt ot h ep r o p o r t i o n e x p r e s s i o no fp 啪pa tp r e s e m i fu s i n gt h es 姗ee x p r e s s i o nt oc o n v e r tt h ep a r a m e t e r so ft 1 1 e d i f f b r e n ts p e c m cs p e e d s ，t h ee r m ri sb i ga n ds o m ec h a l l g ew i t ht h eo t h e rf o 彻u l a i ti s n o t s a t i s f i e dt h ec a l c u l a t i o n a lr e q u i r e m e n t sa 1 1 d “w i l ll e a dt ot h ed e v i a t i o nt os e l e c tt h et y p eo fp u m p t h e e x p e r i m e n t a ls t u d y h a st h es l g n i 6 c a n c eo fs e l e c t i n gc o r r e c tc e n t r l f u g a lp i l m p ，i m p r o v i n gt h e e m c i e n c ya n ds a v i n ge n e r g 矿 p e r f b r n l a n c e p a r 咖e t e r s a n da l l o w a n c ea r e 2 a i n e d i nt h i st h e s i s t h r o u g hu s i n gt h e h i g h ( b x 2 0 0 - 6 ( n s = 3 4 3 0 3 ) 、 x l l 5 0 一2 0 ( n 。= 2 4 9 0 3 ) ) ，m i d d l e ( b x 5 0 3 l ( n ；= 1 9 2 1 3 6 ) 、 i q l 0 0 2 2 a ( n s = 1 7 7 3 6 ) ) a n dl o w ( i q 6 5 - 1 6 0 ( n s _ 6 5 5 4 ) ) s p e c i f i c 印e e d sc e n t r i f u g “p 啪pa st h e o b j e c t so fe x p e r i m e n t a ls t u d y o nt 1 eb a s eo ft e s t 。t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ep e r f o n n a j l a c et e s to f c e n 订i f i l g a lp u m pa n dt l l ec o m p a m t i v et e s t w i t ht h e h i 曲、m i d d l ea n dl o ws p e c i f i cs p e e d s c e m r i f i l g a lp u m p s ；t h ep e r f b r n l a n c ei sa n 柚l y z e di nt h e o r y ；t 1 1 es i m i l 盯i t yl a w a 1 1 dt h ef b r n l u l ao f c a v i a t i o na r ea n a n l y z e di nr e g r e s s i o nb ys p s s ；s e tu pt h em a m e m a t i c a lm o d e lo ft h eb e s ts p e e d ： e c o n o m i c a la n a l y s eo ft h es a v i n ge n e r g yw i t ht h ec e n t r i f u g a lp u m p b a s i n go nt h ec a r e f u is t u d y ，t h i sp a p e rd r a w sm a n yc o n c l u s i o n s ：u s i n gc e m r i f u g a lt e s t e rt o e x p e r i m e mu n d e rt h e c o n d i t i o n so ff k q u e n c yc o n v e r s i o na n dt e s t i n gt h ep e r f o m l a n c eo f c e n t r i f u g a lp u m pi nd i 腩r e n ts p e e d s ( 5 0 n lo o n ) t h e nt h ec o m p a r a t i v ee r r o rw i t ht h el ma i l d p o w e ro f c e n 廿j f u g a lp u m pa r ea n a l y z e d ，t h ee r r o ri n c r e a s ew i t ht h es p e e dd e c e n d ， t h el i f te r r o r e x c e e d5 w i t ht h ec o m p a r a t i v es p e e de x c e e do 6 ，t h ep o w e re r r o ro ft h em i d d l ea 1 1 dh i 曲 c e n t r i f u g a lp u m pe x c e e d5 w i t ht h es p e e de x c e e do 9 a n dt h em l e so fc e n t r i f u g a lp u m p p e r f o n n a l l c ea r ea l l a i y z e di nt h e o r y i ti sp r o v e dm a tt h ec o n v e r s i o no ft h ej i ra n dc h ef l u xi s a c c o r d i n g t om e s i m i l a r - t y1 a wa 1 1 dt h ee r r o rb e t w e e nt l l ep o w e rc o n v e r s i o na 1 1 dt h es i m i l a r i t yl a w i sb 追i nt h i s 也e s i sr e g r e s s i o ni su s e dt oa 1 1 a l y z et h ep u m p s i m i i a r i t y1 a wa 1 1 dt h ea 1 1 0 w a l l c ea n d t om o d i f yt h ec o n v e r s i o n t h er e v i s i o nf i o m l u l ao ft h ep e r f 0 肌a 1 1 c ec o n v e r s i o na n dt h ee m p i r i c a l f o h n l 】l ao ft h ee m c i e n c va n dm ea l l o w a n c ec o n v e r s i o na r eg a i n e d t h er e s u l t sa r ea l jn o t a b l et o t h es i g n m c a n c e 把s t s i ti sw o v e dm a tm ec o n v e r s i o no ft h ee n m i r i c a lf o r m u l a sa c c o r dw i t ht h e r e s u l t so ft l l et e s t s t h e s a v i n ge n e 唱yw i t ht t l ec e m r i f u g a lp u m pi sa n a l y z e d ，t h ee f 琵c t i s p r o m i n e n t i t i sp r o v i d e dw i mt h e s i g i l i f i c a l l c et oa d j u s tm e r o t a t es p e e do f t h ep u m p i n gs t a l o n k e yw o r d s ：c e n t r i m g a lp u m p s r o t a t es p e e dp e r f b n a n c ec a v i a t i o n e c o n o m i z e e n e 唱ye x p e r i m e n t a t i o n i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得湖南农业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研名：袖嘲呵 帆2 0 0 4 年6 月8 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解湖南农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意湖南农业大学可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：构呻已蟾时间：2 。年6 月s 日 导师签名：糍 时间：2 0 0 4 年6 月8 同 i l - 一 刖舌 1 研究的目的和意义 泵是一种通用性极强的机械。而离心泵以其结构简单，适用范围广，运转可靠，操作 维修方便等优点在农业和水利工程、城镇给排水、火力发电厂、采矿工业、化工行业、交 通运输及医学等国民经济各部门得到了广泛应用。同时，泵又是一种耗能设施。据资料统 计显示，我国建国以来建起的数力座泵站的用电量约占全国总用电量的1 5 2 0 ，耗电量 巨大是可想而知的。然而绝大多数泵站因容量偏大，运行效率低，能源浪费也十分严重。 装置效率普遍低于5 0 ，远低于水利部颁布规定的5 5 。无用功率达泵站装机容量的 3 0 一5 0 。试图通过新的水力模型或制造技术将效率从现有水平再提高l 也是非常困难 的，但泵在运行时其效率下降1 0 以上却是常事。 通过查阅文献【j 刮得知，目前离心泵及泵站在运行方面及实际生产中存在以下一些现 象： ( 1 ) 泵站中的水泵在多数情况下实际工况常偏离其设计工况，使运行效率大大降低。 ( 2 ) 在我国大多数离心泵站中，尤其在水位变幅较大的泵站中，泵站在低效率工况下运 行，造成了能源的大景浪费。 ( 3 ) 离心泵在转速变化时，水泵效率运用相似率的计算偏差较大，以及有关其他一些经 验公式也有变化，使其不再满足计算要求。 ( 4 ) 一些大功率离心泵无法在试验室测试它的性能，只有通过模型试验或降速试验来测 其性能。很难准确得到其真机性能参数。 为了满足用水要求和经济运行的且的，往往需要改变流量、扬程而使其工作点发生变 化。离心泵的工作点是由泵的特性和管路特性共同决定的。当离心泵安装在特定的管路系 统中工作时，实际的工作扬程和流量不仅与离心泵本身的性能有关，还与管路的特性有关。 即在输送液体的过程中，泵和管路是互相制约的。在选择和设计泵时，既要选择泵在高效 范围内工作，又要考虑泵能够在最大流量和扬程下工作。往往事先无法正确确定出它们的 主要参数及其富裕量。多数情况下所选择的泵的流量过大，压头过高，远远超过了实际的 需要量，经常出现“大马拉小车”现象。在运行中，当工况发生变化时，需要对泵和管路 进行调节来满足工艺要求。同时，为了实行泵站内经济运行，不可能用更换系统的方法来 适应工况变化和改善运行效果，而必须对水泵运行工况进行调节。对水泵工况进行调节的 方式有 7 】：( 1 ) 变角调节( 改变叶片安放角) ；( 2 ) 变速调节( 改变泵的速度) ；( 3 ) 变 阀调节( 改变管路阻力) ；( 4 ) 变径调节( 改变叶轮直径) 。其中，变阀调节是人为地增加 阻力，使扬程造成损失，很不经济，实用中常避免使用。变径调节不能用作实时调节。所 以只有变角与变速调节才能用于实时调节。变速调节与变角调节相比，它又具有调节范围 宽，调节效率高，调节方法简单以及可简化水泵结构的优点。对有叶片调节机构的大、中 型轴流式、混流式水泵，可以通过调节叶片机构来调节水泵工况，而小型泵、离心泵只有 通过改变水泵转速实现水泵工况调节。 对一些大功率水泵，由于试验室容量，驱动原动机功率及实验室的电力等各种条件的 限制，不能按规定的转速来进行全速性能试验，无法通过试验室来测试其准确的性能。因 此，只有采用降速试验，得到其降速后的性能参数，然后通过换算公式得到水泵的性能参 数，从而也减小了试验难度，降低了试验费用。目前，这种改变转速后性能的换算主要是 利用泵的比例律公式： 对一些大功率水泵，由于试验室容量，驱动原动机功率及实验室的电力等各种条件的 限制，不能按规定的转速来进行全速性能试验，无法通过试验室来测试其准确的性能。因 此，只有采用降速试验，得到其降速后的性能参数，然后通过换算公式得到水泵的性能参 数，从而也减小了试验难度，降低了试验费用。目前，这种改变转速后性能的换算主要是 利用泵的比例律公式： 嬖：堕( 1 ) 万2 百 1 ，珂、。 百2 l 训 ( 2 ) 等：3 ( 3 ) | v l 行 。 式中n 一额定转速，n 一运行转速 q 一额定转速时的流量，q 一运行转速时的流量 h 一额定转速时的扬程，日一运行转速时g 下的扬程 一额定转速时的功率一运行转速时q 下的功率 即流量与转速成正比变化，扬程与转速的平方成正比变化，轴功率与转速的立方成正比变 化。而认为泵的效率则基本保持不交。对不同比转速的水泵在换算时采用如上同一样的公 2 式，误差则较大，对水泵的选用也带来较大的偏差( g b t 3 2 1 6 1 9 9 l 离心泵、混流泵、 轴流泵及旋涡泵试验方法规定，只允许降速2 0 以内可采用此换算公式) ”1 。但由于对 离心泵变速特性的研究尚不多见，因此，展开这一试验研究工作可以准确得到离心泵的变 速后性能和实验室内正确地确定水泵性能，对于离心泵的正确选择和使用，提高生产效率 及节省能源都有实际意义。 叶轮机械内部流动分析一直是研究的热门课题。叶轮的旋转和表面曲率所引起的哥氏 力和离心力，使叶轮内的流动相当复杂，且常伴有流动分离和尾迹流等。所以至今尚未能 见到完全应用三元理论有把握地设计出令人满意的离心泵。现有的水泵几何参数多按额定 的性能参数设计，而降速后，流道内的流速变化较大，原设计的理论是否还能满足降速后 的性能参数要求，更是我们值得研究探讨的一个重要问题。因此，本课题的研究对进一步 提高离心泵的性能具有十分重要的理论价值与实践意义。 2 国内外动态和发展趋势 1 6 8 9 年，法国物理学家巴涅完成了世界上第一台离心泵的设计。但是直到1 9 世纪中 叶，由于动力机械转速低、功率小，这种离心泵一直未能付诸实现。1 9 世纪术期，小流量 的活塞式泵远不能满足当时工业发展的需要，加上高转速的动力机械一电动机和气涡轮的 出现，才使得离心泵得到了广泛的应用。自二十世纪以来，离心泵更加广泛地应用到农田 排灌、石油化工、动力工程、城市给排水、采矿和造船工业及航空航天等各部门。 著名数学家列奥那德欧拉翻是第一个从理论上阐明叶片式水力机械中流动机理的学 者。他在一些假设条件下推出了著名的叶片泵e u l e r 方程： 1 ，、 日f = 二【”2 v “2 一“l v 。j ( 4 ) s 该方程建立了泵的理论扬程与叶轮前后流体运动参数之间的定量关系，二百多年这一 领域的研究，新的计算方法不断问世。 国内三元流动计算在可压缩流体叶轮机械中研究的比较充分己应用于工程实际。而 水力机械中对三元理论的研究较晚，约开始于二十实际六十年代大型可逆式水泵水轮机的 研制。七十年代开始，各大高校及水泵研究所等单位相继展开了离心泵内三元流动研究工 作，大致有以下几个方面：三元无粘性流和势流计算法、三元无粘性流一边界层迭代计算 法、利用三元流动分析来提高泵性能的研究、准三元全粘性n s 方程的求解等。 纵观现有研究成果【l o - 1 4 1 可以看到，虽然国内对三元流动的研究起步较晚，但目前已基 本接近国外同类研究水平，研究重点已从无粘性流动计算逐步发展为无粘性流一边界层迭 代计算，并朝着求解完全粘性的n s 方程解的方向发展。 但是，由于离心泵叶片少且叶片扭曲，离心泵的流道均呈扩散型，容易产生分离和脱 流，工作介质的流体粘性较大等原因，至今尚不能应用三元理论有把握的设计出令人满意 的离心泵来，当然这一研究方向无疑是正确的。所以目前工程上适用的离心泵设计方法仍 然是基于e u l e r 原理和一元流理论以及流动相似理论基础上的模型换算法和速度系数法， 因而大量的实验数据和丰富的经验是设计成败的关键。 模型换算法简称模型法，又称相似理论换算法或相似法，这是考虑几何和流体动力相 似而得出的一种方法。对完全相似的泵来蜕，比转数n s 相同。在相似工况下，假定实型泵 和模型泵的效率相等，根据相似原理按模型泵来设计实型泵。换算后还应根据设计者的经 验对叶轮出口、叶片出口角、叶片数和壳体喉部面积等主要几何参数进行适当的修正，以 弥补模型换算法的不足。速度系数法又称设计系数法，其实质也是一种相似设计法。二者 的不同之处在于模型换算法是以一台模型泵为基础，而速度系数法则以一系列相似泵为基 础。通过大量的离心泵试验得出的数据和曲线，用统计方法得出比转数n ：和相关性能参数、 几何参数之间的关系曲线和经验或半经验公式，利用这些曲线和经验公式来设计新的离心 泵。模型换算法和速度系数法具有可靠、简便和实用的优点，但受到现有模型或速度系数 的局限。特别在实际应用当中，改变离心泵转速，其实际工况点往往偏离设计工况点的参 数，应用相似律换算就可能产生较大误差，但目前对这方面的研究尚不多见。 从查阅的文献来看，2 0 世纪7 0 年代主要是对离心泵提出了一些研究设想和进行一些 初步的试验；8 0 年代对离心泵的研究主要围绕如何提高其效率而开展的，查森【l5 1 、于毂珍 、周德峰、b e c e j i o b 等进行了大量的试验研究，以寻找几何参数对泵性能的影响规 律及提高效率的途径。9 0 年代初则侧重于离心泵的优化设计及改善驼峰特性和轴功率特性 的研究”1 。 虽然几乎所有的国内水泵教材。”3 1 、手册“”和著作等都明确指出，水泵转速改变 后，泵的其它工作参数都随之相应改变。从2 0 世纪7 0 年代开始，一些发达国家，如美国、 同本等对泵采用变速调节进行了研究，主要是双速调节和变频调节，双速调节的节电率为 2 0 一3 0 ，变频调节节电率为2 5 一4 0 。仅从变速节能方面进行的研究讨论。文献“。都进 行了大量研究。张志民1 等利用可控硅串级调速系统对1 4 s h 一9 型离心泵进行了变速运行 试验，通过对泵的试验性能分析，得出结果，泵调速调节较节流调节有较大节能效果。在 6 0 的调节流量下最大节能效果约为7 0 最小节能效果约为2 1 。足见采用变速调节对提 4 高水泵运行效率，节约能源具有重要的实际意义。 对于水泵变速特性的研究，文献【3 1 曾对混流泵进行了变速特性研究，提出了合适的降 、0 4 4 速范围，泵在降速后的性能及效率换算的经验公式：丢卫：i 鱼l 。文献m 1 对轴流泵变 1 一吼 l ” 速调节作了报道，提出水泵变速性能的最优变速数学模型和变速通用数学关系式。但由于 离心泵与混流泵、轴流泵在结构、性能方面都各不相同，因而上述公式对离心泵并不适用。 在离心泵方面。文献【3 3 3 4 1 对此作过研究。文献【3 5 】曾对定扬程下流量与轴功率的关系进行了 数学黼推证出了其数学表斌： 掣卜半卜r 浦山泵 i廿，ii仃，l 降速试验的性能一般用简化的比例律定律进行换算，但它仅适用于转速变化量为2 0 范围 内。转速变化量超过2 0 ，使用比例律换算性能则产生很大误差，那么，说明转速很小 时，现行比例律己不适用于计算，必须对此进行修萨，提出新的经验公式，以对泵的设计、 生产予以正确指导提供一定理论依据。 当离心泵内的压力低于抽送液体在该温度下的饱和蒸汽压力时，液体中就会产生气 泡，发生汽蚀现象。而离心泵内部压力同转速密切相关。从理论上来说，离心泵变速调节 与汽蚀特性之问存在一定的关系1 36 1 。严敬、丁成伟【3 7 】根据i s 0 3 5 5 5 1 9 7 7 规定方法确定泵 的n p s h ，值，对不同比转速的泵进行了不同转速的汽蚀试验，得出结论在设计转速到降 速半的范围内，实测汽蚀余量值将随转速上升而下降，与汽蚀相似定律相去甚远。并得 出不同转速下n p s h ，换算关系的经验公式。文献【3 8 】通过试验，按数理统计方法对实测数据 进行最优回归，导出了泵在转速变化时最优工况点汽蚀余量变化的换算公式： 、( 2 一o i 蛇7 ) 2 瓮= ( 1 + n 3 2 9 4 d i 鲁)，且詈= l 2 的范围内，计算的相对误差均较小。但对于 高转速向低转速的换算，离心泵向更大转速时的换算和离心泵以外的泵型，能否应用此公 式进行换算，从目前查阅的资料来看都没有进行过研究和报道。因此对离心泵降速试验 的研究，以探讨离心泵的汽蚀余量值随转速的变化规律，对于解决水泵在设计、实验及制 造中汽蚀换算，揭示叶轮汽蚀机理和寻求改善泵抗汽蚀性能的措施。都有不可低估的意义。 随着改革开放的不断深入和经济建设的迅速发展，广大用户对离心泵也提出了更高、 更多样化的技术要求。以往普通离心泵的理论和设计方法已不能更好地适应现代化离心泵 的要求，一些观点、结论和设计系数都有待于进一步修正完善，甚至突破和创新。人娄不 断增强的环境意识、质量意识和个性化意识等将成为推动泵行业技术发展的强大动力。新 材料技术、新能源技术和信息技术的迅速崛起将加速泵行业技术革命的到来。总的来浇， 理论与设计方法科学化、生产制造高技术化、产品模块化和个性化、密封无泄漏化、原动 机无极化和监控系统自动化将成为2 l 世纪泵行业技术发展的新趋势。 3 本论文的研究内容 综合前述内容，针对目的离心泵及泵站在运行中存在的主要问题，在实际中如何解决 以达到预期效果，离心泵变速调节后其性能有何变化? 以怎样的方式对泵及泵站进行经济 运行? 节能效果如何? 这都是有待于进一步研究的问题。因此，本论文旨在研究以下几方 面的内容： ( 1 ) 高、中、低三种不同比转速的离心泵变速性能与汽蚀试验以及性能与汽蚀的对比 试验； ( 2 ) 离心泵变速调节试验的性能分析及最优变速模型的分析； ( 3 ) 离心泵变速节能的经济性分析。 6 第一章试验测试设备和方法 1 主要试验测试设备 1 1 试验泵 本试验采用高比转数( b x 2 0 0 一6 ( n 。= 3 4 3 0 3 ) 、x l l 5 0 2 0 ( n ，= 2 4 9 0 3 ) ) 、中比转数 ( b x 5 0 一3 l ( n 。：1 9 2 3 6 ) 、i q l o o 一2 2 a ( n ，= 1 7 7 3 6 ) ) 、低比转数( i q 6 5 一1 6 0 ( n 。= 6 5 5 4 ) ) 离心泵5 台进行变频变速试验。其具体性能参数如表1 1 所示： 表1 1试验泵性能参数( 设计 ：况) 1 h b l e l lt h e p e r f o 咖a n c ep a r a m e t e r o f t 船tp u m p s ( d e s i g ns t a t u s ) 转速扬程轴功率效率 泵型号比转数流龉( i s ) ( r ，m j n )( m )( k w ) ( ) 低比 转速 i q 6 5 1 6 0 6 5 5 42 9 0 06 9 43 2 0 04 0 06 5 0 0 中比 i q l 0 0 - 2 2 a 1 7 7 3 62 9 5 02 5 0 02 04 07 5 08 0 0 0 转速 b x 5 0 3 11 9 2 3 63 0 0 05 5 63 1 9 02 5 76 7 0 0 离比 x l l 5 0 2 02 4 9 0 32 9 7 04 7 2 02 0 0 04 0 07 0 0 0 转速 b x 2 0 0 63 4 3 0 32 8 6 01 5 3 4 02 7 2 35 5 0 08 5 0 0 1 2 试验装置及测量仪表 本试验在湖南省水力机械工程技术重点实验室进行。试验装置为丌敞式试验台。泵的 变速通过变频器调速，交流电动机传动，频率变化为2 5 5 0 h z 。转速变化范围在5 0 1 0 0 。 试验装置如图1 1 所示。 试验装置符合g b 3 2 1 6 1 9 9 l 离心泵、轴流泵、混流泵及漩涡泵性能试验方法的b 级精度。试验测试设备、仪器如下： 涡轮流量计：l 、_ 2 0 0 ( 7 5 6 0 0 6 ) ，精度0 5 级：l w 1 0 0 ( 8 l o ) ，精度0 2 级； l w 1 5 0 ( 7 3 0 2 6 ) ，精度o 4 级；l w _ 8 0 ( 7 3 3 ) ，精度o 2 级； l w 5 0 ( 1 1 0 4 ) ，精度0 5 级 液体计量测控仪：t d l o o o ，精度o 2 级 1 2 m u 型差压计( 测量进口压力p i ) ( 0 1 0 1 6 ) ，精度o 4 级 精密压力表( 测量出口压力p 2 ) ：y b l 5 0 o 1 0 ( 9 3 6 1 2 5 ) ，精度0 4 级 y b l 5 0 o 1 6 ( 9 3 7 7 8 4 9 ) ，精度0 4 级：y b l 5 0 0 2 5 ( 9 1 6 2 0 7 ) ，精度0 4 缴 7 y b l 5 0 一o 4 ( 8 5 一l o 2 0 9 2 ) ，精度o 4 级；y b l 5 0 o 6 ( 9 3 4 4 5 2 7 ) ，精度o 4 级 转矩转速传感器：j 1 c a 2 0 0 n m ( 4 0 5 0 ) 精度o 2 级；j 1 c a 1 0 0 n m ( 4 2 9 8 ) ，精度0 2 级； j 1 c a 一5 0 n m ( 4 0 0 5 ) ，精度0 2 级：j 1 c a 5 0 n m ( 5 0 0 5 ) ，精度0 2 级 扭矩仪：j w 1 a ( 0 9 7 ) ，精度0 1 级 试验电机：最大实验功率2 0 0 0 k v a 变频器：频率变化范围o 5 0 h z ( 试验变频为2 5 5 0 h z ) 温度计 2 试验原理 图1 一l 试验装置示意图 f i 9 1 1 t h ed e v i c es k e t c ho fe x p e r i m e n t 2 1 变频调速原理 本试验采用的是全数字式恒磁变频调速器，调速精度为o 0 l h z ，控制方法为4 2 0 m a 电流控制，过载能力为1 2 0 。如果变频调速时仅仅改变电源频率而不改变电源电压，对 电机的运行是不利的。因为定子电阻和漏抗上的压降i z 通常远远小于定子电动势。忽略 i z ，则有e = 4 4 4 加，定子电动势与电源电压相平衡，即【卢e 。当频率和电压均为额定 值- ，；和以时，磁通也为额定值莎。如果改变，而保持泸阢不变。则当僦，庐 。，当 瓮疋，妒 毋。磁通大于额定值表明励磁电流已增大很多，将使功率因数降低。由于磁通密 度增大，使定予铁芯损耗增大，发热加剧，这都使得电动机的负载能力下降。而磁通小于 8 额定值，使转子因电流增大而可能过热，电源频率愈高，磁通愈小。按照电流为额定值所 允许的静负载转矩也愈小。从而决定过载能力的最大转矩慨：m 。= 士甭焘( 坍一 定子相数；矿一极对数；犷一定子电压：产频率；x ，乜厂一漏抗) 如果增高频率而保持电 压u 不变，最大转矩就会与频率二次方成反比减小。这对于电机的运行是不利的。从以上 分析看出，如果电源电压与电源频率成正比变化。即保持“，7 t 常量，就可以保持磁通恒定， 从而避免了由于磁通量变化给电机带来的不良影响。由上式还可以看出电源电压与频率成 正比变化还能够保持最大转矩不变，即保证了电机的过载能力。上公式是在忽略定子电阻 的条件下得到的，因而保持磁通恒定的条件“护常量，只是近似的。实际上，即使保持甜伊 恒定，也不能严格保持磁通和最大转矩恒定。当频率降低时，定子电阻相对定子漏抗来说 不能忽略。最大转矩须用下式表示：m 。= 罱 士r + ( ，2 + ( x + x ：) 2 p 为定子电阻， 其它同前) 。当“c ，釜常量时最大转矩随频率降低而减小。这就是变频调速原理。 1 2 变频调速的节能原理。” 我们可以通过扬程h 、流量q 的变化曲线来说明离心泵变速节能的原理。见图1 2 。 h e h l m o o lq e 圈1 - 2 管路和泵的特性曲 f i g 1 - 2c h a r a c t e r i s t i cc u r v eo f p i p e n e 柚dp u m p s 9 曲线( h q ) 为离心泵在额定转速慨) 下扬程和流量变化曲线，曲线( h q ) 是转 速( ，) 时的扬程和流量变化曲线，曲线r i 为泵出口阀门全丌时的管路阻力曲线，曲线 r 2 为泵出口阀门节流控制时的管路阻力盐线，a 点为泵的自然工作点。当用泵的出口阀门 改变其流量时，流量由q 变为9 ，扬程由总上升到趣，工作点由a 点移到b 点。扬程 损失增加，且消耗在出口节流上，使泵偏离了高效区，造成泵的效率下降。当改变转速以 调节流量时，泵的特性曲线出( h q ) 平移到( h q ) 1 ，并与管路阻力曲线r i 相交于工作 点c ，此时，泵的出口扬程与管路总压降相等，没有剩余扬程，不存在节流损失，因而能 量利用率较高。 根据流体力学，水泵的转速在某一范围内变化时，流量、总扬程、轴功率有如下关系： q q 肛 ( 卜2 ) ( 1 3 ) 式中 一额定转速，n 一运行转速 q 一额定转速时的流量，g 一运行转速时的流量 爿一额定转速时的扬程，h 一运行转速时q 下的扬程 一额定转速时的功率，一运行转速时q 下的功率 由上式可知，当流量减少时管内流速相应减少，管内阻力近似平方下降，调速后扬程 也平方下降，二者正好配合，所以合适的调速运行，只减少多余水头，压力不受影响，而 功率却里立方下降，节约大量能源。 由= 旦二字坚( 卜电机转差率，产电源频率，p 一电动机的极对数) 可知，只 要通过一种变频装罱来改变频率，就能改变电机转数，达到节能目的。 3 试验项目 不同比转速离心泵在不同转速下，进出口压力p 卜乃，流量q ，转速即和轴功率的 变化。 o 丫l，uj 一疗 一” ，l，、 = = 一 至= 一 4 试验方法 4 1 性能试验测试方法 泵转速在额定转速时，离心泵性能试验首先从o 流量开始( 因其零流量点功率最小) 待其稳定后进行该流量下泵进、出口压力、转速和轴功率的测量，得到该流量下第一个性 能试验点。然后调节出口管路闸阀改变泵试验流量，待其稳定后进行第二个性能试验点的 测量。重复前述方法，直试到最大流量点的流量的1 1 5 ，( 即取1 3 个以上性能试验点的 测量值) 。然后以同样的方法进行泵转速在9 0 、8 0 、7 0 、6 0 、5 0 时的性能试验。 按上述方法完成其它试验泵在不同转速下的性能试验。 4 2 气蚀试验方法 汽蚀试验是利用入口节流改变n p s h 的方法进行的。如图1 3 所示。在泵启动运转后， 将泵转速调至额定转速，调节出水管路的节流阀，使泵达到试验流量，稳定后进行该流量 下泵进出口压力、流量、转速和轴功率的测量，此即该流量下第一个气蚀试验点，然后关 进水阀增大进口真空度。同时，打开泵出口调节阀，使流量保持不变，进行第二个汽蚀点 各参数的测量，接着按上述程序逐次进行各汽蚀点的测量，直至发生汽蚀，在汽蚀发生点 前试验点加密，扬程、功率和流量开始急剧下降为止。按同样方法进行泵转速在9 0 、8 0 、 7 0 、6 0 、5 0 下的汽蚀试验的测量。按上述方法进行其它试验泵在不同转速下的汽蚀 试验。 图l _ 3 利用入口节瀛改变1 4 p s h f 1 9 1 3u s i n gt h ep o r t a lt h r o t t l et oc h a n g el j p s h 实验时，转矩的零点调整是通过负载进行的。为保证测试精度，每次安装新泵后，都 对不同的指定转速调零。 l i 温度影响的处理办法是，每完成一个转速下性能试验后，将循环水温维持在同一温度 左右，数据处理时都把参数换算到该温度下的参数。因试验水池为5 0 0 m 3 ，容积较大，水 温在试验前后基本不变。 1 2 第二章转速变化时离心泵性能特性研究 1 测试数据 对所选水泵进行泵编号i q 6 5 一1 6 0 ( n 。：6 5 5 4 ) 一l “，i q l 0 0 2 2 a ( n 、= 1 7 7 3 6 ) 一2 8 ， b x 5 0 一3 1 ( n ，= 1 9 2 3 6 ) 一3 0 ，x l l 5 0 2 0 ( n 。= 2 4 9 0 3 ) 一4 “，b x 2 0 0 一6 ( n 。= 3 4 3 0 3 5 “) 。首先对试 验泵进行额定转速试验，再按额定转速n s 。的9 0 ，8 0 ，7 0 ，6 0 ，5 0 进行变频调速 降速试验，其具体测试数据和其性能变速特性曲线分别见附录a 、附录b 。 2 转速”对泵性能的影响 2 1 扬程流量( h 0 ) 特。| 生 1 。泵和2 。泵、3 4 泵和4 。泵和5 。泵变速后的扬程流量特性曲线见附录b 。 图中所示均为按照相似律换算后的变速性能。从图中可见，通过变速调节，它们都取得了 各自的性能指标和工作范围。扬程变化值随转速的下降而降低，从关死点到最大流量，扬 程随流量的增加下降很小。其中1 。泵、3 4 泵和5 4 泵的扬程与流量特性曲线随转速的变化规 律基本符合比例律，而2 4 泵与4 4 泵的扬程流量曲线随转速的变化率并非均等，2 4 泵的扬程 变化值随着转速的降低而增加，4 4 泵的扬程变化值在2 0 以内时随转速的降低而增加，超 过2 0 的降速扬程变化值则随着增加。对于2 4 泵与4 4 泵的扬程流量曲线变化规律在很大程 度上偏离了比例律。 2 2 功率流量( n q ) 特性 1 4 泵和2 4 泵、3 4 泵和4 。泵和5 4 泵变速后的功率流量特性曲线见附录b 。 所示图中所示均按照相似律换算后的变速性能。从图中可见，水泵轴功率一流量曲线 随转速的变化也并不均等。其中，2 4 泵和4 4 泵功率变化值随着转速的降低变化很小，其轴 功率一流量曲线随转速的变化基本符合比例律，而1 。泵和3 。泵的功率变化值则随着转速的 降低而增加，在转速下降超过3 0 时，其功率变化值变化较大，很明显，1 ”泵和3 4 泵的功 率变化规律在很大程度上偏离了比例律。这是因为离心泵在降速后，虽然其有效功率 ( p 刺) 随转速而下降，但由于泵的机械损失并不随转速的立方下降，因此，降速后 的轴功率较按相似律换算的轴功率略偏大。5 4 泵由于比转数高达3 5 4 3 3 ，已接近混流泵比 转数，其性能与混流泵基本相似。其功率流量曲线基本呈一平缓下降趋势，功率变化值随 转速的降低而不均等减小。 2 3 效率流量( n q ) 特性 按照比例律，在转速变化后，认为泵的效率基本保持不变。这是根据泵的相似律假定 转速变化时，泵的机械效率、容积效率和水力效率均保持不变而得出的。实际上，这一假 定仅在转速变化不超过2 0 时才适用的，在转速变化较大时，各项效率均有变化，因此， 随泵转速下降，水泵效率亦发生相应改变。 1 。泵和2 4 泵、3 9 泵和4 4 泵和5 。泵变速后的效率一流量特性曲线随转速的变化从附录b 中可见，l8 泵、2 4 泵和4 4 泵的效率变化值在随着转速的降低而增加，但4 。泵在降速范围超 过2 0 时其效率变化值反而减小，而3 4 泵和5 4 泵的效率变化值在降速范围为3 0 以内时则 随着转速的降低而减小，5 。泵降速范围超过3 0 后其效率变化值又随着增加。和水泵调角 度运转性能一样，等效率曲线有闭合趋势，而理论上的等效率曲线是相似工况抛物线，实 际情况完全偏离了这一规律。 水泵效率随转速的改变而变化，主要是由于水泵轴功率随转速的变化偏离了水泵比例 律。理论上水泵轴功率与机械效率有关，尽管测量中扣除了空载功率，但并未扣除全部的 机械损失。可以认为水泵轴功率变化的偏离是由机械损失引起的，主要是水流在整个流道 中的某种附加损失，包括轮盘损失。水泵轴功率变化的偏离，使得变速前后对应工况点的 水泵效率发生了改变，不再保持相等，功率相似性由于叶轮内外流动的变化而破坏，功率 不再相似，功率的偏离导致了效率的变化。 3 离心泵效率换算公式的修正 对泵变速后的效率换算目前尚无可靠的力量理论公