水泵性能测试实验装置设计(全套图纸).doc
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毕业设计说明书论文（全套CAD图纸）QQ36396305
摘要
水泵是人类把自然能转变为有用功的发明之一，水泵种类繁多、使用广泛，属于通用类机械。
然而由于液体在泵内流动情况十分复杂，运行工况因时因地都有变化要确保水泵在较高的效率范围内安全经济的运行，就必须了解水泵基本原理、性能变化规律，及时检测水泵性能参数，掌握水泵的实际性能曲线，更好地为生产实践服务，以达到节能的目的。
目前获得水泵性能参数及这些参数之间的相互关系，主要依赖于性能试验。
为了测定离心泵的各项性能参数，从而绘制离心泵性能曲线。
我设计了离心泵性能测试开式试验台，通过此次试验可以熟悉离心泵试验装置的布置以及各种仪表仪器的原理及使用方法。
通过该试验台对离心泵流量、扬程、轴功率、效率等的测定可以绘制出离心泵性能曲线，进而达到对离心泵性能的深入了解。
本文研究的系统符合国家标准GB/T3216《离心泵、混流泵、轴流泵和旋涡泵试验方法》。
关键词：
水泵性能参数性能测试实验装置
Abstract
Humannatureisthepumpcanturnintooneofinvention，pumps，phyletic，widelyusebelongsto.However，duetoliquidflowwithinthepumpisextremelycomplex，operatingconditionsarechangingtoensurealsodescribesinhighefficiencywaterwithinthescopeofthesafeandeconomicoperation，wemustunderstandthebasicprinciple，theperformanceofwaterpump，timelydetectionperformanceparametersofthepump，masterofactualperformancecurve，betterservicefortheproductionpractice，inordertoachievethepurposeofsavingenergy.
Nowgetpumpperformanceparametersandtherelationshipbetweentheseparameters，mainlyrelyonperformancetests.Todeterminetheperformanceparametersofthecentrifugalpump，thusrenderingcentrifugalpumpperformancecurve.Idesignedthecentrifugalpumpperformancetesting，throughthetestbenchtypecanbefamiliarwithcentrifugalpumptestequipmentlayoutandvariousinstrumentprincipleandmethodofuse.Throughthetestofcentrifugalpumpcapacityandhead，theshaftpower，efficiencyofdeterminationcandrawthecentrifugalpumpperformancecurvesofcentrifugalpump，andthedeepunderstandingoftheperformance.
ThisresearchsystemcomplieswiththestatestandardofGB/T3216thecentrifugalpump，mixedflowpump，axialvortexpumpsandtestmethods.
Keywords:
pumpsperformanceparametersperformancetestingtestequipment
II
目录
前言 1
1绪论 2
1.1课题来源及意义 2
1.2国内外水泵测试技术发展概况 3
1.3离心泵的工作原理 4
1.4离心泵的主要参数 5
2离心泵的测试原理及方法 6
2.1性能试验各个参数的测量原理及计算 6
2.1.1参数测量原理 6
2.1.2参数测试过程 9
2.2汽蚀试验原理及方法 12
2.2.1试验原理 12
2.2.2试验方法 13
3系统总体方案设计 16
3.1设计目标 16
3.2系统方案的设计原则 16
3.2.1需要采集的变量 17
3.2.2试验装置设计方案对比 18
3.2.3管道和水池的设计 20
3.3阀门的设计 23
3.3.1阀门的种类及特点 23
3.3.2阀门的调节机构的选择 25
3.3.3阀门的选择 26
3.4泵的选型设计 28
3.4.1泵的选型原则 28
3.4.2泵的具体选择 29
3.5电动机的选型设计 30
3.6联轴器的选型设计 31
3.7转速仪的选型设计 32
3.7.1转速仪的基本原理 32
3.7.2具体选型 32
4测试仪表的选择 34
4.1流量计的种类及特点 34
4.1.1流量计的选择 35
4.1.2流量计的选型原则 37
4.1.3流量计的具体选择 37
4.2压力仪器的种类及选择 38
4.2.1压力仪器的种类 38
4.2.2压力变送器的选型原则 39
4.2.3压力变送器的具体选择 39
4.3取力孔的设计 40
5实验指导书 42
5.1实验目的 42
5.2实验内容 42
5.3实验台介绍 42
5.4实验原理、方法和手段 43
5.5实验步骤 44
5.6实验注意事项 44
5.7实验报告 44
5.7.1实验报告要求 44
5.7.2实验数据记录及处理 45
结束语 47
致谢 48
参考文献 49
附录 50
外文资料与中文翻译 50
50
前言
自从首次采用泵装置输送和提升水开始。
就出现了这样或那样的泵试验手段。
对泵装置的每一次改进只有经过试验后才被接受，这种试验证明了这一改进的价值。
随着泵设备的日趋精制，泵的试验方法也越来越完善，每一台泵，不论其大小或种类如何，都应经过某种形式的试验之后才能被用户接受。
如果不这样，用户就无法知道该产品是否满足全部要求、采用哪种试验、以及采用什么方法进行试验，这要根据试验的最终目的而定。
试验的最终目的一般有以下一个或两个：
设计或操作上的改进进行检验；检验产品否达到合同规定的性能指标，从而对要求的、预测的和实际的性能进行比较。
此次实验设计我是基于学校实验室离心泵闭式性能测试实验装置，尝试开式实验装置的设计。
本说明书共分五个章节，第一章绪论，第二章离心泵的测试原理及方法，第三章系统总体方案设计，第四章测试仪表的选择，第五章实验指导书。
其中第三章总体方案设计是本书的重点及难点，第五章实验指导书是对所设计的实验装置的总结应用与检验。
1绪论
1.1课题来源及意义
水泵作为最广泛应用的通用机械之一，目前在水利、电力、石油、化工、航天航空、航海、核工业、矿山、冶金、机械、医疗、卫生、农业排灌等许多部门得到广泛的应用，并且对其生产起着非常重要的作用。
为了保证水泵能正常的工作，需要水泵从研究、开发、生产到使用，都必须做一系列的测试，观察是否达到要求或从中选择较好的模型。
在水泵的各种测试中，都包括试验数据的测试、采集和处理问题，也就是通常所说的测试技术问题。
因此，测试技术在水泵的发展和应用中具有极其重要的作用。
人们总是希望水泵安全可靠地运行，希望它们的效率高并且汽蚀性能好、机械振动和噪声小，这也就是不但要求水泵具有好的能量和汽蚀特性，而且还要有好的机械特性。
水泵的性能是以输送流量、产生全压、所需功率及使用效率来体现的，这些工作参数之间存在着相应的关系，当流量与转速变化时，会引起其他参数相应的变化。
为了正确选择、使用水泵，必须了解这些参数之间的相互关系。
由于水泵理论至今仍不十分完善，所以水泵性能参数的获取主要依赖于性能试验。
对泵装置的每一次改进只有经过试验后才被接受，这种试验证明了这一改进的价值。
随着泵设备的日趋精制，泵的试验方法也越来越完善，在制造厂或试验室和使用现场的情况都是如此。
每一台泵，不论其大小或种类如何，都应经过某种形式的试验之后才能被用户接受。
如果不这样，用户就无法知道该产品是否满足全部要求、采用哪种试验、以及采用什么方法进行试验，这要根据试验的最终目的而定。
试验的最终目的一般有以下一个或两个：
设计或操作上的改进进行检验；检验产品是否达到合同规定的性能指标，从而对要求的、预测的和实际的性能进行比较。
水泵作为仅次于电机的第二大通用机械，在国民生产中占有极其重要的地位，因此，开发出一套适合我国国情、能够在众多中小型厂家推广的水泵性能测试系统，对于提高产品质量、减少返修率以及节约能源都有重要意义。
本文即在这方面作了深入探讨和尝试。
同时，本文在水泵测试系统功能多样化等方面所作的一些尝试和创新，对今后水泵试验台的建设具有借鉴意义。
1.2国内外水泵测试技术发展概况
水泵行业的工程技术人员在长期的产品设计实践中，积累了大量工程设计理论和经验，然而传统的工程试验方法不可避免的存在重复性试验、计算和数据处理工作量大、效率低、精度差和周期长等弊病。
在国外，欧美等发达国家关于泵的相关研究起步普遍较早，在特殊泵的制造、的内特性测试等方面目前仍领先于国内。
对泵的外特性测试装置而言，早在1961年，英国国立工程试验室（NEL）就建立了自己的水力机械试验台，可用于泵和模型水轮机的性能试验，可以在开式和闭式两种循环方式进行效率和汽蚀试验，部分参数实现半自动控制，试验数据由计算机自动采集和处理，并能自动绘制试验曲线和打印试验结果。
大量外文书刊及互联网资料显示，目前国外水泵测试系统的产品已经比较成熟，美国、德国等发达国家已经普遍化，并呈现出高集成、小体积、可移动、多功能、设备全、易操作等特点。
例如美国生产的一台用于离心泵测试的试验装置，为研究离心泵在不同扬程、流量和转速下的特性提供露一种新的测试方法。
尽管这类水泵测试装置具有高集成、小体积、可移动、多功能、设备全、易操作等优点，但在数据处理方面功能薄弱，缺少嵌入式的数据处理分析系统，效率不高。
我国的水泵测试手段比较落后。
其水泵性能参数测试设备仍主要以手动操作试验过程、手工测量试验数据、手工记录试验数据和绘制曲线，存在测量手段落后，测量精度不高和劳动强度高等缺点。
20世纪70年代，泵的测试基本采用分立式仪器和仪表来测量各种物理量。
例如，用水银压力计、弹簧压力计等测量压力，用文吐里流量计、涡轮流量计等测量流量，用电流表、电压表等测量电力参数。
测试仪体积庞大，成本高，可靠性差，试验人员多，工作量大，试验误差大，效率低等都是这一时期水泵测试系统存在的问题。
一般情况下，整整一天时间很难做完所有试验，为了得到性能优良的水力模型，往往需要反复进行多次模型试，效率极低。
其实，这种状况在我国还相当普遍。
在我国，许多厂家是由国有企业改制后的中、小型企业，或者是乡镇企业、民营企业，其生产规模一般不大，而且产品多样，甚至许多水泵厂家是按照用户的需求生产，所以很难形成统一的系列。
对于这种需求现状，目前的测试系统中存在着一些不足，例如：
参数测量不完整，系统过于庞大且复杂，造价太高而不能为众多小型水泵生产厂家所采用，功能单一不易推广等等。
因此，在大多数小型泵厂，其型式试验和出厂试验仍然靠手工操作为主。
那么，如何按照国家标准的要求，利用高技术、低成本的手段实现水泵性能的自动测试与分析已成为国内众多水泵生产厂家及研究单位的迫切需求。
1.3离心泵的工作原理
当工作轮转动时其叶片与被输送的流体相互作用，将能量传递给流体以增加其压头，达到输送的目的。
离心泵在工作前，吸入管路和泵内首先要充满液体，当叶轮旋转时叶片拨动叶轮内的液体旋转，液体就获得能量，从叶轮内甩出。
叶轮内甩出的液体经过泵壳流道、扩散管，再从排出管流出。
在这同时，叶轮内产生真空，而吸入液面的液体通常在大气压作用下，经过吸入管路压入叶轮中。
泵在某一工况下工作时，其扬程、轴功率、效率和流量存在一定的关系。
当流量变化时，这些参数也随之变化，即工况点及其对应的参数是可变的。
1.4离心泵的主要参数
1.体积流量Q：
指单位时间内从泵出口排出并进入管路的液体体积，单位为。
2.入口总水头：
泵入口处单位重量液体具有的能量，单位为m。
3.出口总水头：
泵出口处单位重量液体具有的能量，单位为m。
4.扬程H：
泵出口和进口单位重量液体能量的差值，单位为m。
5.汽蚀余量NPSH：
泵进口处单位重量液体具有的超过汽化压力水头的富裕能量。
6.规定点：
指对于指定的泵，在设计制造时所给定的转速、流量、扬程、轴功率、汽蚀余量以及效率值所对应的工况点。
对应规定点的参数为规定参数。
7.泵的工作范围：
指大于和小于规定流量（或扬程）值之间的一定范围。
大流量点指工作范围大于规定流量的边界点，一般取为规定点流量的120％。
小流量点指工作范围小于规定流量的边界点，一般取为规定点流量的80％。
8.比转数n：
在相似定律的基础上，可以推导出一系列几何相似的泵和性能之间的综合参数，这个综合参数就是比转数。
2离心泵的测试原理及方法
水泵的结构虽然简单，但其内部液体的流动却非常复杂，所以人们常说水泵是最简单的机械又是最复杂的机械。
泵的特性至今还不能完全用理论的方法来精确确定，而是用实验的方法求得。
下面我们具体介绍一下离心泵的测试原理及方法。
2.1性能试验各个参数的测量原理及计算
2.1.1参数测量原理
（1）扬程
扬程就是单位重量的液体通过水泵后所获得的能量，通常用符号H来表示，单位为米水柱，简称m（米）。
水泵扬程是评判水泵质量优劣的重要技术指标。
对扬程的测量实际上就是对压力的测量，也就是对水泵进口压力、出口压力的测量。
扬程的计算公式：
（2.1）
式中:
-----分别为泵入口和出口处的压力，单位为Pa；
-----分别为水泵进口、出口取压孔至基准面问的垂直距离，单位为；
-----为重力加速度，试验取g=9.81m/s；
-----液体的密度，单位为kg/m；
-----分别为泵入口和出口处的水流速度，单位为。
其大小等于体积流量与管路横截面积相除所得的商，分别为：
（2.2）
式中：
------分别为泵入口出口截面内径，单位为m
----水泵流量测量值，单位为
（2）流量
流量又称排水量或扬水量，用符号Q表示。
流量表示泵在单位时间内排出泵外的液体量。
单位为。
用流量计来测量，流量的表达式为：
（2.3）
式中：
------流体体积，单位为m；
t------时间，单位为。
水泵的大流量点指的是泵工作范围内大于规定流量点的边界点。
小流量点指的是泵工作范围内小于规定流量点的边界点。
（3）轴功率
水泵轴功率就是指水泵轴从原动机（异步电机）中得到的功率，单位用kW来表示。
轴功率是水泵的基本参数之一。
泵的轴功率应通过测定转速和扭转力矩得出，或由测量与泵直接连接的己知效率的电动机的输入功率来确定。
轴功率的表达式为：
（2.4）
式中：
------扭矩，单位为；
------转速，单位为
根据水泵和配套动力机的类型和结构形式的不同，轴功率常用以下两种测试方法测试。
1）扭转力矩测量法：
测量扭转力矩可采用天平式测功计和扭转式测功计。
测量扭转力矩时应同时测定转速。
按泵的规定点轴功率选用天平式测功计和扭矩传感器时，其值应在测功计或扭矩传感器额定值的1/3以上。
转速的测量有专门的转速测量仪器。
由扭转力矩和转速即可求出轴功率：
（2.5）
式中：
N---轴功率，W；
A---扭转力矩做功，J；
T---时间，s；
M---扭转力矩，Nm；
---角速度，rad/s。
2）电机功率测量法
通过对已知电机功率的测量，可以得到电机功率P，由此可求出水泵轴功率：
（2.6）
式中：
P---轴功率，W；
----电动机效率，%；
----传动效率，%。
（4）效率
水泵效率是指水泵的有效功率与轴功率之比值，用符号表示。
有效功率是指单位时间内流过水泵的液体从水泵那里得到的能量，用符号表示，单位为kw，水泵的有效功率的表达式为：
（2.7）水泵的效率计算公式如下：
（2.8）
（5）转速
电机转速是反映水泵机组在运行中的一个重要物理参数，目前其测试方法有很多，按照测量设备不同，可以分为离心式、磁性转速表、电动式、磁电式、闪光式转速表等方法。
1）离心式转速表：
利用离心力与拉力的平衡来指示转速。
离心式转速表是最传统的转速测量工具，是利用离心力原理的机械式转速表；测量精度一般在2级，一般就地安装。
一只优良的离心式转速表不但有准确直观的特点，还具备可靠耐用的优点。
但是结构比较复杂。
2）磁性转速表：
利用旋转磁场，在金属罩帽上产生旋转力，利用旋转力与游丝力的平衡来指示转速。
磁性转速表，是成功利用磁力的一个典范，是利用磁力原理的机械式转速表。
一般就地安装，用软轴可以短距离异地安装。
3）电动式转速表：
由小型交流发电机、电缆、电动机和磁性表头组成。
小型交流发电机产生交流电，交流电通过电缆输送，驱动小型交流电动机。
小型交流电动机的转速与被测轴的转速一致。
磁性转速表头与小型交流电动机同轴连接在一起，磁性表头指示的转速自然就是被测轴的转速；电动式转速表，异地安装非常方便，抗振性能好，广泛运用于柴油机和船舶设备。
4）磁电式转速表：
是根据电磁感应定律把被测参数变换为感应电动势的传感器，异地安装非常方便。
磁电式转速表，因结构简单，目前应用非常普遍。
5）闪光式转速表：
利用视觉暂留的原理。
闪光式转速表，除了检测转速（往复速度）外，还可以观测循环往复运动物体的静像，对了解机械设备的工作状态，是一必不可少的观测工具。
2.1.2参数测试过程
（1）试验方法
离心泵的试验最好是从零流量开始至少要试到大流量点流量115%。
混流泵、轴流泵和旋涡泵的试验从阀门全开状态开始，至少要试到小流量点流量的85％。
试验应有足够的持续时间，以获得一致的结果和达到预期的试验精度。
每测一个流量点应有一定的时间间隔，并应同时测量流量、扬程、转速和轴功率。
试验测量点应均匀地分布在整个性能曲线上。
离心泵和旋涡泵应取13个以上不同的流量点。
混流泵和轴流泵应取15个以上不同的流量点。
（2）试验数据处理
为了便于试验分析和比较，在与规定转速不符的转速下得到的数据均应换算为规定转速下的数据。
试验测量得到的流量Q、扬程H、轴功率Pa和效率的换算公式为：
（2.9）
式中、、、均为规定转速下的换算值。
（3）试验分析
任何一个测量的不确定度或误差限，只有通过对其所使用试验装置的一切误差源和影响因素以及所测量现象的波动和变化进行专门检查才能完全获知，但对每一个测量都进行如此详细的研究通常是行不通的，而依靠有效的依据并进行分析来估计测量误差的绝对值上界值（不确定度）或总误差限。
测量仪表的允许系统误差好需要据实际情况加以准确的判断及分析。
国标GB3216标准规定，凡是经过校准或通过与有关国家标准相比较，能证明其测量误差不超过表2-1所规定的仪表系统误差并遵循标准的试验方法，则可认为总的误差限不超过表2-2的规定，也就不需根据表2-2的最大总误差限来进行估算，可直接判定试验结果是否达到相应的精度等级。
此次试验中系统误差将是我选择仪表的一个重要参照依据。
表2-1测量仪表的允许系统误差
允许范围%
测定量
流量
泵扬程
泵轴功率
原动机输入功率
（对机组效率计算）
转速
B级
C级
表2-2最大总误差限
允许范围%
测定量
流量
泵扬程、泵轴功率
原动机输入功率
转速
泵效率
机组效率
B级
C级
泵的流量允差为，扬程允差为。
允差和适用于规定性能点和，包括流量Q和扬程日的最大允许总误差限。
若规定性能点A（，）与试验曲线的垂直距离为，水平距离为，如图2-1所示，代入下面的椭圆方程：
并计算其值。
若方程的值>l，则可判定该泵满足了规定的性能；若方程的值<1，则判定该泵没有满足规定的性能。
图2-1检查规定点用Q-H曲线
通过坐标原点和规定点A（，）连成一直线，该直线与流量扬程曲线的交点为B，过口点做纵轴的平行线，与流量效率曲线交于C点，C点对应的效率值就是水泵的实测效率。
国标GB3216规定，对于B级实验，若0.972，则可判定泵效率达到了规定要求；对于C级实验，若0.950则可判定泵效率达到了规定要求。
2.2汽蚀试验原理及方法
2.2.1试验原理
（1）必需汽蚀余量
必需汽蚀余量，是指在规定的转速和流量下必需的值，它由设计制造时给出。
（2）装置汽蚀余量
装置汽蚀余量，又称为有效汽蚀余量，是指在泵的进口处单位重量的液体具有的超过汽化水头压力的富裕能量。
装置汽蚀余量是由吸入装置提供的，随装置参数而变化，单位（米水柱），如下式所示：
（2.10）
式中：
----为大气压值，单位为Pa；
----为气化压力值，单位为Pa；
（3）临界汽蚀余量
通过汽蚀试验测得汽蚀余量的临界值，该临界值是在给定的流量下，在第一级内引起第一级扬程或效率下降时的汽蚀余量值；或者在给定的扬程下，在第一级内引起流量或效率下降时的汽蚀余量值。
用符号表示其中为型式数，按下式计算：
（2.11）
式中：
----每一吸入口的体积流量，单位为;
----泵的单级扬程，单位为米水柱。
图2-2泵临界汽蚀余量的测定
2.2.2试验方法
国标GB3216标准规定，汽蚀实验至少应在规定流量点、小流量点和大流量点这三个流量点进行，并分别找出各个流量点下的临界汽蚀余量（NPSH）值。
规
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