Лабораторная №2 - Томский политехнический университет

Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего
профессионального образования
«Национальный исследовательский Томский политехнический университет»
УТВЕРЖДАЮ
Зав.каф. АТЭС
______________ Матвеев А.С.
«__»__________2012 г.
НАГНЕТАТЕЛИ АЭС
Методические указания к выполнению лабораторной работы «Снятие характеристик вихревого (центробежного) насоса»
для студентов направления (специальности) 141403 «Атомные станции: проектирование, эксплуатация и инжиниринг
2014 г.
1
УДК 621.165
Методические указания к выполнению лабораторной работы «Снятие характеристик вихревого (центробежного) насоса» для студентов направления (специальности) 141403 «Атомные станции: проектирование, эксплуатация и инжиниринг
Рецензент доц. канд.техн.наук А.В. Кузьмин
Методические указания рассмотрены и рекомендованы к изданию методическим
семинаром кафедры атомных и тепловых электростанций “____”___________
2014 г.
Зав.кафедрой АТЭС
доц. канд.техн.наук.
А.С. Матвеев
2
Введение
Центробежные и вихревые насосы имеют широкое применение на ТЭС и
АЭС и в большой мере определяют надежность и экономичность их работы. Поэтому периодически производятся испытания по снятию характеристик насосов.
Снимают: напорную характеристику, которая представляет зависимость
напора насоса от его подачи; энергетические характеристики - зависимости потребляемой мощности и КПД насоса от подачи и кавитационную характеристику – зависимость допустимой высоты всасывания или кавитационного запаса от
подачи насоса.
В данной работе испытания реальной насосной установки производятся в
несколько усеченном объеме по сравнению с перечисленной выше программой.
1. Цель работы
Снятие напорной характеристик реального центробежного, определение
полезной мощности насоса и оценка соответствующей погрешности, вычисление кавитационного запаса насоса.
2. Описание установки
Для испытания насоса используется установки с открытой циркуляцией воды. На рис. 1 приведена схема подобной лабораторной установки.
Рис. 1. Условное изображение гидравлической части лабораторной установки
1 - приемно-напорный резервуар; 2, 5, 12, 13 – отсекающие шаровые краны; 3
– насос; 4 – расходомер (счетчик воды); 6 - регулирующий вентиль; 7 – всасывающий трубопровод; 8 – напорный трубопровод; 9 – фильтр; 10, 11 –
стрелочный мановакууметр; 14 – пробка заправочной горловины;
Установка состоит из центробежного насоса 3 с электродвигателем, всасывающего трубопровода 7 с отсекающим краном 2 и фильтром 9, напорного тру3
бопровода 8 с отсекающим 5 и регулирующим вентилем 6, приемно-напорного
резервуара 1 и контрольно-измерительной аппаратуры 10, 11 и 13.
В качества исследуемого насоса в лабораторной установке используется
вихревой насос QB 70 с корпусом и рабочим колесом из латуни.
Технические характеристики насоса JP 6
Макс. напор, м
Макс. обьемная подача, м3/час
Питание
Номинальная мощность, Вт
Номинальный ток, А
Температура перекачиваемой жидкости, °C
Уровень шума
Измерительная часть лабораторная установки включает следующие контрольно-измерительные приборы:
- стрелочный мановакууметр типа
для измерения вакуумметрического
давления на входе в насос (10);
- стрелочный манометр типа
для измерения избыточного давления на выходе из насоса (11);
- одноструйный крыльчатый счетчикй воды типа типа
для измерения
количества потребленной воды, протекающей по трубопроводу (4);
Основные
технические
характеристики
указанных
контрольноизмерительных приборов зафиксировать по месту их расположения.
3. Порядок проведения работы
3.1. Исходное состояние: схема электропитания насоса 3 разобрана; отсекающие шаровые краны 2, 5, 12, 13 и регулирующий вентиль 6 закрыты.
3.2. Открыть кран 2 и приоткрыв пробку заправочной горловины 14 убедиться, что насос залит водой. В противном случае заполнить водой резервуар 1.
3.3. Собрать электрическую схему установки.
3.4. Открыть краны 5, 12, 13 и включить электродвигатель насоса.
3.5. При режиме работы на закрытый вентиль 6, когда Q  0 записать показания мановакууметра 10 и манометра 11.
3.6. Создать не менее 4-5 различных режимов работы насоса с помощью
регулирующего вентиля 6, обеспечивая различную подачу вплоть до Qmax .
3.7. При каждом режиме фиксировать показания следующих приборов:

мановакууметра 10;

манометра 11;

водосчетчика 4;

секундомера, т.е. время, соответствующее n полным оборотам
стрелки на шкале водосчетчика. Рекомендуется выбирать n = 10.
3.8. Результаты замеров занести в табл. 1.
4
Таблица 1. Результаты измерений
Вентиль 7
закрыт
Величина
1
Вентиль 7
открыт
Частично открытый вентиль 7
2
3
4
5
6
p1 , кгс/см
2
p2 , кгс/см2
N э , Вт
Vn , л
n , с
3.9. Вычислить параметры, необходимые для построения напорной и энергетической характеристик:
3.9.1. Подачу насоса по формуле
Q  103 Vn  n ,
где Q - в м³/с; Vn , – объем воды, поданный насосом за n полных оборотов
стрелки прибора, л;
 n - время, за которое стрелка на шкале прибора совершила n полных оборотов.
3.9.2. Скорость воды на входе в насос
с1 
4 Q
,
  d вн2
где d вн = м - внутренний диаметр всасывающего трубопровода, м.
Скорость в нагнетательном трубопроводе с2 можно считать равной скорости с1 , так как одинаковы соответствующие диаметры.
3.9.3. Напор насоса при равенстве скоростей движения воды в напорном и
всасывающем трубопроводах
H н  10   p2  p1    z м
где H н - в м; p1 , p2 - давления воды по мановакууметру и манометру, во
всасывающей и нагнетательной линиях насоса, кгс/см2;  z м  z2  z1 - расстояние по вертикали между местами измерения давления (осями стрелок
манометров 10 и 11), м.
3.9.4. Полезную мощность насоса
Nп    g  Hн  Q ,
5
где N н - в Вт; g - ускорение свободного падения, м/с²;  =1000 кг/м³ - плотность
воды.
3.9.5. Минимальный кавитационный запас в м. в. ст. без учета потерь
давления во всасывающей линии определяется по формуле

hк. з  10  n  Q С

43
,
где hк. з в м; n = об/мин – частота вращения насоса; С = 900 – кавитационный коэффициент Руднева.
3.10. Заполнить таблицу результатов испытаний.
Таблица 2. Результаты испытаний
1-ый режим
(закр. вентиль 6)
Частично открытый вентиль 6
2
3
4
5
6-ой режим
(откр. вентиль 6)
Q , м³/c
с1 , м/с
Hн , м
N п , кВт
hк . з , м
3.11. По данным табл. 2 построить искомые графики характеристик насосов
H н  f  Q  , N п  f Q  , hк. з  f  Q  .
4. Оценка погрешности измерений
4.1.
Теоретические основы теории погрешностей
Величина полезной мощности насоса по следующей формуле, Вт
N п    g  H н  Q    g  10   p2  p1    z м  
Vв
,
tn
(1)
то есть является результатом косвенных измерений давлений на входе p1 и выходе p2 , объема воды, поданного в подогреватель Vв и контрольного интервала
времени tn .
Погрешности косвенных измерений зависят от вида функции, определяющей искомую величину, и от погрешностей прямых измерений тех величин, которые являются аргументами этой функции.
6
В самом общем случае погрешность функции, аргументы которой известны с некоторой погрешностью, можно оценить с помощью дифференциала этой
функции.
Пусть искомая величина x представляет собой функцию
x  f  a, b, c,...  .
(2)
Среди величин a, b, c,... , входящих в уравнение этой функции, могут быть:
непосредственно измеряемые величины, данные предшествующих измерений,
константы и справочные данные. Предполагается, что величины a, b, c,... взаимонезависимы.
По определению, полный дифференциал функции – это приращение
функции, вызванное малыми приращениями аргументов:
dx 
x
x
x
 da   db   dc  ...
a
b
c
(3)
Поскольку каждый из аргументов функции определен с некоторой погрешностью ( a, b, c,... ), каждая из этих погрешностей вносит свой определённый вклад в погрешность x искомой величины x .
Если допустить, что значения погрешностей a, b, c,... много меньше
самих значений величин a, b, c,... соответственно, то, опираясь на формулу (3),
можно записать
x 
x
x
x
 a   b   c  ...
a
b
c
(4)
где x – погрешность искомой величины x ;
x x x
,
,
- частные производные рассматриваемой функции по соответствуa b c
ющим переменным;
a, b, c,... - погрешности непосредственно наблюдаемых величин a, b, c,... ,
соответственно. Принимаются равными приборным погрешностям (см. п. 3).
Для практических расчётов погрешности Δх косвенно измеренной величины x , выраженной функцией (2), в предположении, что a, b, c,... – статистически независимые величины, применяется статистическое суммирование
2
2
2
 x
  x
  x

x    a     b     c   ...
 a
  b
  c

7
(5)
Окончательный результат неоднократных косвенного измерений величины x представляется в виде
x  x  x ,
где x - среднее значение искомой величины вычисляется подстановкой средних
значений аргументов в уравнение функции (1)
x  f  a , b , c ,... .
Для оценки результатов погрешности однократных косвенных измерений
используется то же выражение (5), а окончательный результат представляется в
виде
x  x р  x ,
(6)
где x р - значение функции, рассчитанное по непосредственно измеренным значениям аргументов a, b, c,...
4.2.
Оценка приборной погрешности
Правила расчёта приборных погрешностей средств измерений приводятся
в технических паспортах.
Манометры
Приборная погрешность стрелочных приборов для измерения давления
определяется его классом точности.
пр
Класс точности  кл
.т большинства манометров равен отношению максимально возможной погрешности прибора x пр к величине верхнего предела
шкалы x макс , выраженному в процентах.
Значение класса точности можно увидеть на лицевой панели прибора рядом с его шкалой в виде числа, не обведенного в кружок или звездочку, без знака «%».
Абсолютная приборная погрешность в этом случае одинакова при измерениях во всем диапазоне шкалы и равна
пр
пр  кл.т
x 
 x макс .
100
Поскольку относительная приборная погрешность равна
xпр
,
 хпр 
xизм
8
то она возрастает при уменьшении измеряемой величины xизм . Следовательно
измерения в начальной части шкалы на таких приборах нежелательны, т.к. при
этом значительно уменьшается точность измерений.
Расходомер
В большинстве случаев абсолютную приборную погрешность стрелочного
расходомера можно взять равной половине цены деления приборной шкалы. В
счетчике воды типа цена деления приборной шкалы равна 0,1 л.
Секундомер
При измерении времени абсолютную погрешность механического расходомера можно принять равной 0,1 с.
4.3.
Порядок расчета погрешности H п
Рекомендуемый порядок расчета погрешности косвенно определяемой полезной мощности насоса H п :
1)
применительно к формуле (1) найти частные производные H п p1 ,
H п p2 , H п Vв и H п tn . Проще всего это сделать в среде MathCad;
2)
оценить приборные погрешности измерения давлений p1 , p2 , Vв
, tn ;
3)
на основе формулы (5) составить необходимое выражение для определения абсолютной погрешности полезной мощности насоса H п ;
4)
вычислить абсолютную и относительную погрешности определения
полезной мощности насоса H п ;
5)
правильно представить окончательный результат измерений полезной мощности H п .
5. Условные обозначения
p – давление, кгс/см2 или МПа;
H - напор, м;
Vв - объем воды, зафиксированный в опыте за контрольный интервал времени, л
или м³;
Qв - объемный расход воды, л/с или м3/с;
tn – контрольный интервал времени, в течении которое фиксируется число оборотов n g малой стрелки расходомера, с;
1 - объем воды, соответствующий одному обороту малой стрелки расходомера,
л/с;
9
Vв  1  ng - объем воды, поданный в подогреватель за интервал времени tn (за
n g оборотов малой стрелки), л или м3;
Gв - массовый расход воды, кг/с;
 - плотность воды, кг/м³;
w – скорость воды, м/с;
l – длина трубки подогревателя, м;
d вн – внутренний диаметр трубки, м;
f – проходное сечение одной трубки, м2;
z – число ходов в подогревателе по внутритрубному пространству.
6. Требования к отчету
Отчет должен включать:

титульный лист;

цель работы;

схему и краткое описание лабораторной установки;

порядок работы и таблицу результатов измерений;

алгоритм обработки результатов измерений;

таблицу результатов испытаний;

характеристики насоса в графическом виде;

Анализ, выводы.
7. Контрольные вопросы
1. Перечислите и охарактеризуйте виды характеристик насоса.
2. Перечислите приборы, которые необходимы для испытания насосов.
3. Что понимают под напорной характеристикой насоса?
4. Что понимают под энергетической характеристикой насоса?
5. Что понимают под кавитационной характеристикой насоса?
6. Где устанавливают приборы для измерения расхода и давления?
7. Как измеряют мощность, потребляемую насосом?
8. Как определяют скорость воды в точках измерения давления?
9. Как определяют напор насоса?
10. Как определяют КПД насоса?
11. Как определяют кавитационный запас насоса?
12. Как учитывается разный уровень установки манометров на входе и выходе
насоса?
13. Как влияет число оборотов на характеристики насоса?
14. Как регулируют подачу насосов?
8. Литература
10
1. Черкасский В.М. Насосы, вентиляторы, компрессоры.-М.: Энергоатомиздат, 1984.
2. Тепловые и атомные электрические станции. Справочник/ Под
ред.Григорьева В.А. и Зорина В.М. - М.: Энергоиздат, 1982, 1987.- 624 с. (М.:
Энергоатомиздат, 1989.- 608 с.).
11
Приложения
Приложение 1. Таблица соотношений между единицами давления
Единицы
Паскаль
Мегапаскаль
Килограмм-сила на
квадратный сантиметр
Миллиметр водяного
столба (при 0° С)
Бар
Па
1
1000000
98066,5
МПа
10.июн
1
0,0980665
кгс/см2
10,197·10-6
10,19716
1
мм вод.ст.
0,1019716
101971,6
10000
бар
0,00001
10
0,980665
9,80665
9,8066·10-6
0,0001
1
98,0665·10-6
100000
0,1
1,0197
10197,16
1
Приложение 2. Характеристики контрольно-измерительных приборов
12