Politechnika Łódzka
Instytut Elektroenergetyki
Instrukcja do laboratorium
opracowanie: dr inż. Tomasz Kotlicki
Badanie pompy odśrodkowej
Wyznaczanie charakterystyk pompy i rurociągu
Łódź 2009
Spis treści
1.
Wprowadzenie .......................................................................................................................................3
1.1.
Budowa, zasada działania oraz klasyfikacja pomp........................................................................3
1.2.
Praca pomp wirowych – podstawy teoretyczne .............................................................................4
1.2.1.
Hydrauliczny układ pracy pompy ..........................................................................................4
1.2.2.
Bilans energetyczny układu pompowego...............................................................................5
1.2.3.
Podstawowe wielkości charakteryzujące pracę pompy i układu hydraulicznego..................5
1.2.4.
Charakterystyki pompy ..........................................................................................................8
1.2.5.
Współpraca pompy z układem (rurociągiem). Punkt pracy.................................................10
2.
Wykonanie ćwiczenia ..........................................................................................................................11
2.1.
Cel i zakres ćwiczenia .................................................................................................................11
2.2.
Opis stanowiska laboratoryjnego.................................................................................................11
2.3.
Program ćwiczenia.......................................................................................................................12
2.3.1.
Czynności wstępne ..............................................................................................................12
2.3.2.
Pomiar charakterystyk pompy..............................................................................................13
2.3.3.
Pomiar charakterystyki rurociągu ........................................................................................13
2.4.
Wykonanie sprawozdania ............................................................................................................14
3.
Literatura..............................................................................................................................................16
1.
WPROWADZENIE
1.1.
Budowa, zasada działania oraz klasyfikacja pomp
Pompy stosowane w elektrowniach, z punktu widzenia roli jaką pełnią w procesie technologicznym,
możemy podzielić na kilka grup – tabela 1.
Tabela 1.
Rodzaje pomp w elektrowni.
pompy
przeznaczenie
wody zasilającej
tłoczą wodę do kotła
skroplin
odbierają skropliny ze skraplacza turbiny kondensacyjnej
wody chłodzącej
przetaczają wodę chłodzącą przez skraplacz turbiny
przewałowe
tłoczą wodę do zbiornika wody zasilającej z różnych źródeł poza głównym
ciągiem wody zasilającej (woda z odwodnień, woda dodatkowa)
cyrkulacyjne i wspomagające
wymuszają lub wspomagają obieg wody w kotle
wtryskowe
podają wodę do niektórych typów wtryskowych schładzaczy pary
bagrowe
transportują mieszaninę wody z popiołem i żużlem (pulpę)
Pod względem zasady działania pompy dzielimy na wyporowe i wirowe.
W pompach wyporowych zassana ilość cieczy zostaje wyparta przez ruch organu roboczego ze strony
ssawnej na tłoczną. Organ roboczy może mieć różny kształt (walca, koła zębatego) i wykonywać ruch
posuwisto-zwrotny (pompy tłokowe) lub obrotowy (np. pompy zębate).
Pompy wirowe wymuszają przepływ cieczy dzięki sile odśrodkowej działającej na ciecz w szybko
wirujących łopatkach. Na dolocie do łopatek pompy wytwarza się podciśnienie, a na wylocie ciśnienie
zależne głównie od prędkości obrotowej wirnika. W zależności od konstrukcji wirnika pompy wirowe
dzielimy na:
•
odśrodkowe – o przepływie promieniowym (rys. 1.a),
•
diagonalne – o przepływie promieniowo osiowym (rys. 1.b)
•
osiowe, zwane również śmigłowymi – o przepływie osiowym (rys. 1.c).
a)
b)
c)
Rys. 1. Rodzaje pomp wirowych: a) pompa odśrodkowa, b) pompa diagonalna, c) pompa śmigłowa.
1 – wirnik, 2 – kadłub, 3 – króciec ssawny, 4 – króciec tłoczny, 5 – kierownice.
W elektrowniach stosuje się różne typy pomp. Do pompowania wody zasilającej wykorzystuje się
wielostopniowe pompy odśrodkowe, zwykle w wykonaniu wieloczłonowym, do wody chłodzącej stosuje się
najczęściej pompy diagonalne i śmigłowe, a do skroplin – pompy osiowe.
1.2.
Praca pomp wirowych – podstawy teoretyczne
1.2.1.
Hydrauliczny układ pracy pompy
Na rysunku 2. pokazano ogólny schemat układu pracy pompy odśrodkowej przetłaczającej wodę ze
zbiornika dolnego do górnego. Na schemacie zaznaczono najważniejsze parametry geometryczne układu. W
ogólności pompa może przetłaczać wodę ze zbiorników zamkniętych ciśnieniowych, wtedy w analizie
hydraulicznej należy uwzględniać ciśnienia wody w zbiornikach. W przypadku współpracy ze
zbiornikiem(ami) otwartym(i) przyjmuje się, że ciśnienie w nim jest równe ciśnieniu atmosferycznemu.
Oznaczenia:
H
t
– wysokość tłoczenia, m;
H
s
– wysokość ssania, m;
H
r
– wysokość podnoszenia, m;
m
– różnica poziomów między króćcem tłocznym i
ssawnym pompy, m
p
g
, p
d
– ciśnienia w zbiornikach: górnym i dolnym,
Pa;
p
t
, p
s
– ciśnienie na tłoczeniu i ssaniu pompy, Pa;
c
t
, c
s
– prędkości cieczy w króćcu tocznym i
ssawnym, m/s;
Rys. 2. Schemat układu pompowego pompy odśrodkowej.
1.2.2.
Bilans energetyczny układu pompowego
Zadaniem pompy jest wytworzenie odpowiedniego przepływu wody przy jednoczesnym pokonaniu
różnicy ciśnień między zbiornikami. Minimalna różnica ciśnień wynika z ciśnień panujących w zbiornikach
oraz ze strat ciśnienia podczas przepływu. W uproszczonym bilansie energetycznym pompa wykonuje pracę
mechaniczną W nad jednostkową ilością cieczy m podnoszoną ze zbiornika dolnego do górnego. Praca ta jest
równa przyrostowi energii mechanicznej
∆
E
m
tej porcji cieczy:
m
H
p
r
k
W
E
E
E
E
E
= ∆
= ∆
+ ∆
+ ∆
+ ∆
(1)
gdzie:
∆
E
H
– przyrost energii wynikający z pokonania różnicy poziomów geometrycznych między
zbiornikami:
H
r
E
m g H
∆
=
⋅ ⋅
(2)
∆
E
p
– przyrost energii wynikający z pokonania różnicy ciśnień między zbiornikami:
g
d
p
p
p
E
m
ρ
−
∆
=
⋅
(3)
∆
E
r
– przyrost energii wynikający z pokonania pracy tarcia przy przepływie cieczy w rurociągu
ssawnym i tłocznym (straty na tarcie zostały wyrażone w postaci wysokości ssania
s
h
∆
∑
i podnoszenia
t
h
∆
∑
, które należałoby dodać aby zastąpić pracę tarcia pracą podnoszenia
wody):
(
)
r
s
t
E
m g
h
h
∆
=
⋅ ⋅
∆
+
∆
∑
∑
(4)
∆
E
k
– przyrost energii kinetycznej cieczy w układzie wynikający z różnicy prędkości cieczy
wypływającej c
d
ze zbiornika dolnego i wpływającej c
g
do zbiornika górnego:
2
2
2
g
d
p
c
c
E
m g
−
∆
=
⋅ ⋅
(5)
1.2.3.
Podstawowe wielkości charakteryzujące pracę pompy i układu hydraulicznego
Ze wzoru (1) wynika zależność określająca tzw. użyteczne ciśnienie pompowania
∆
∆
∆
∆
p
r
(w Pa, lub –
rzadziej – w metrach), czyli jeden z najważniejszych parametrów pracy pompy w układzie hydraulicznym:
(
)
(
)
(
)
2
2
2
g
d
r
r
g
d
s
t
c
c
p
g H
p
p
g
h
h
ρ
ρ
ρ
−
∆
=
⋅ ⋅
+
−
+
⋅ ⋅
∆
+
∆
+
∑
∑
(6)
W układzie pompowym (rys. 2) najczęściej mierzy się ciśnienia na wlocie i wylocie pompy (p
s
i p
t
).
Ciśnienia te zatem uwzględniają ciśnienia panujące w zbiornikach, ciśnienia hydrostatyczne oraz ciśnienie
potrzebne na pokonanie strat w rurociągach tłocznym i ssawnym. W takim razie zależność (6) można zapisać
jako:
(
)
(
)
2
2
2
t
s
r
t
s
c
c
p
g m
p
p
ρ
ρ
−
∆
=
⋅ ⋅
+
−
+
(7)
Ciśnienie na ssaniu pompy p
s
jest ważne z punktu widzenia bezpiecznej i ekonomicznej
eksploatacji pompy. Projektując i eksploatując pompy nie wolno dopuszczać do powstania groźnego dla
pompy zjawiska kawitacji. Zjawisko kawitacji, skomplikowane w swej naturze, polega ogólnie rzecz biorąc
na tworzeniu się poduszek parowych w obszarze, w którym ciśnienie bezwzględne spada poniżej ciśnienia
parowania cieczy (najbardziej narażony jest obszar wlotowy pompy). W następstwie zjawiska kawitacji
zmniejsza się wydajność pompy, ciśnienie tłoczenia zaczyna wahać się gwałtownie w dużych granicach,
występują silne uderzenia wody, mogące prowadzić do uszkodzenia wirnika. Dla uniknięcia kawitacji musi
być spełniony warunek, aby ciśnienie bezwzględne na wlocie do pompy było zawsze większe od ciśnienia
parowania pompowanej cieczy p
n
.
Producenci dla każdej pompy w zależności od jej konstrukcji i przeznaczenia (temperatury
pompowanej cieczy) podają ustaloną doświadczalnie antykawitacyjną nadwyżkę ciśnienia
∆
∆
∆
∆
p
cav
określającą o ile wartość p
s
ma być większa od wartości p
n
, dla uniknięcia kawitacji. Trzeba podkreślić, że
ciśnienie ssania nie jest cechą danej pompy, a zależy od warunków jej pracy.
Obok użytecznego ciśnienia pompowania do najważniejszych parametrów charakteryzujących pracę
pompy należy jej wydajność Qɺ (masowa w kg/s lub objętościowa w m
3
/s). Określa się ją na ogół w króćcu
tłocznym przy określonym ciśnieniu pompowania pompy.
Z analizy zależności (1) – (6) wynika, że niektóre składniki użytecznego ciśnienia pompowania zależą od
wydajności pompy (prędkości przepływu). Często suma tych ciśnień nazywana jest ciśnieniem dynamicznym
∆
p
dyn
:
(
)
(
)
2
2
2
2
g
d
dyn
s
t
c
c
p
g
h
h
C Q
ρ
ρ
−
∆
=
⋅ ⋅
∆
+
∆
+
=
⋅
∑
∑
ɺ
(8)
Pozostałe składniki stanowią tzw. ciśnienie statyczne
∆
p
st
– niezależne od wydajności:
(
)
st
r
g
d
p
g H
p
p
ρ
∆
=
⋅ ⋅
+
−
(9)
Znajomość parametrów układu pompowego pozwala na wykreślenie charakterystyki
( )
r
p
f Q
∆
=
ɺ
,
nazywanej często charakterystyką rurociągu lub oporów (rys. 3).
Rys. 3. Charakterystyka układu pompowego (rurociągu).
Na rys. 4. pokazano przykładowe charakterystyki układów pompowych w energetyce: dla układu zasilania
kotła parowego, gdzie użyteczne ciśnienie pompowania (równe prawie w całości ciśnieniu statycznemu)
wynika przede wszystkim z bardzo dużej różnicy ciśnień między zbiornikiem wody zasilającej a walczakiem
oraz dla otwartego układu chłodzenia skraplacza turbiny, gdzie ciśnienie statyczne wynika tylko z różnicy
wysokości między zbiornikiem wody a skraplaczem.
a)
b)
Rys. 4. Przykładowe charakterystyki: układu chłodzenia skraplacza (a) i układu zasilania kotła wodą (b).
Kolejną wielkością charakteryzującą pompę jest jej moc. Najczęściej określa się moc na wale
pompy P
w
, czyli moc pobieraną przez pompę i dostarczaną przez silnik napędowy (lub zespół napędowy, np.
w przypadku sprzęgła hydrokinetycznego). Moc na wale pompy można wyznaczyć bezpośrednio, mierząc
moment napędowy na wale pompy (na hamowni) lub pośrednio poprzez pomiar lub obliczenie poboru mocy
przez silnik elektryczny:
w
s
s
P
P
η
=
⋅
(10)
gdzie: P
s
– moc elektryczna silnika napędowego (zmierzona);
η
s
– sprawność silnika.
Moc na wale pompy można także wyliczyć „od drugiej strony” – obliczając moc przekazaną cieczy w
pompie (czyli tzw. moc użyteczną P
e
) i uwzględniając sprawność pompy:
e
w
p
p
P
Q
p
P
η
η
⋅ ∆
=
=
ɺ
(11)
gdzie: Qɺ - wydajność pompy w m
3
/s;
η
p
– sprawność pompy.
Sprawność pompy
η
η
η
η
p
zawiera się zwykle w granicach od 0,7 do 0,8. Jest to tzw. całkowita sprawność
pompy i z definicji jest określana jako stosunek mocy użytecznej pompy do mocy na wale:
e
p
w
s
s
P
Q
p
P
P
η
η
⋅ ∆
=
=
⋅
ɺ
(12)
Znamionową prędkość obrotową n wirników pomp dobiera się w zależności od ich wydajności i
ciśnienia pompowania . Pompy wody zasilającej o najwyższych z występujących w elektrowniach
użytecznych ciśnieniach pompowania buduje się na n = 50 obr/s przy wydajnosciacn poniżej 0,1 m
3
/s i na
n = 65 obr/s przy wydajnościach większych. Pompy skroplin, których ciśnienia robocze są znacznie
mniejsze/ budowane są na prędkości obrotowe 12-24 obr/s, a wirniki pomp wody chłodzącej o największych
wydajnościach do 5 m
3
/s i na małe ciśnienia mają tylko około 8 obr/s.
Wielkością charakteryzującą pompy wirowe bardzo przydatną przy prawidłowym doborze typu
pompy do określonego układu pompowego (zadanych wartości
∆p i Q) jest tzw. kinematyczny wyróżnik
szybkobieżności n
SQ
zdefiniowany jako wartość prędkości obrotowej pompy geometrycznie podobnej, która
przy ciśnieniu pompowania 9806,6 Pa (1 m H
2
O) miałaby wydajność 1 m
3
/s. Wyróżnik szybkobieżności
pompy o danych parametrach: prędkości obrotowej n [obr/min], ciśnieniu pompowania (wysokości
podnoszenia)
∆
p
[m] i wydajności Q [m
3
/h] oblicza się z zależności:
(
)
1
2
3
4
SQ
n Q
n
p
⋅
=
∆
(13)
Wyróżniki szybkobieżności charakteryzują w sposób poglądowy i jednoznaczny typ wirnika pompy.
Wartość n
SQ
wzrasta ze wzrostem wydajności i prędkości obrotowej i maleje ze wzrostem ciśnienia
pompowania. Zatem pompy o dużym ciśnieniu i małej wydajności są pompami wolnobieżnymi, zaś o
małych ciśnieniach i dużych wydajnościach – pompami szybkobieżnymi (nie mylić z wolno- lub
szybkoobrotowymi)
1.2.4.
Charakterystyki pompy
Przy doborze pompy do danego układu hydraulicznego konieczna jest wiedza jak zmieniają się jej
parametry (ciśnienie, moc, sprawność) przy zmianie wydajności. Na ogół określa się to poprzez tzw.
charakterystyki pomp:
•
charakterystykę przepływu:
( )
p
f Q
∆ =
ɺ ;
•
charakterystykę poboru mocy:
( )
w
P
f Q
=
ɺ ;
•
charakterystykę sprawności:
( )
p
f Q
η
=
ɺ .
Podstawowe charakterystyki pomp podaje się dla stałej (znamionowej) prędkości obrotowej pompy
(rys. 5). Charakterystyki te wyznacza się w układzie, w którym istnieje możliwość zmiany wydajności, np.
poprzez dławienie zaworem na króćcu tłocznym pompy. Podobnie można wyznaczyć charakterystyki przy
różnych prędkościach obrotowych pompy – tutaj należy dodatkowo dysponować odpowiednim napędem
zmiennoprędkościowym.
Do analitycznego wykreślenia charakterystyki pompy wirowej przy prędkości innej niż znamionowa,
można także posłużyć się zależnościami wynikającymi z teorii podobieństwa. Zależności te pozwalają
przekształcić dany punkt charakterystyki dla prędkości n
1
na punkt „podobny” na charakterystyce
odpowiadającej prędkości n
2
:
1
1
2
2
Q
n
Q
n
=
ɺ
ɺ
(14)
2
1
1
2
2
p
n
p
n
∆
=
∆
(15)
3
1
1
2
2
P
n
P
n
=
(16)
Wzory te są słuszne dla założenia, że sprawność pompy przy przechodzeniu z jednej charakterystyki na
drugą, nie ulega zmianie. Błąd wynikający z tego założenia wzrasta z wartością zmiany prędkości obrotowej.
Na rys. 6. pokazano graficzną interpretację zależności (14) i (15).
Rys. 5. Przykładowe charakterystyki pompy wirowej.
Rys. 6. Przekształcanie charakterystyki przepływowej pompy zgodnie z teorią podobieństwa.
1.2.5.
Współpraca pompy z układem (rurociągiem). Punkt pracy
Jeżeli we wspólnym układzie współrzędnych wykreśli się charakterystykę układu (rurociągu)
( )
r
p
f Q
∆
=
ɺ i charakterystykę przepływową pompy
( )
p
f Q
∆ =
ɺ , to ich punkt przecięcia jest tzw. punktem
pracy układu i określa parametry pracy pompy (rys. 7). Wynika to z równości natężenia przepływu rurociągu
z wydajnością pompy, której to wartości odpowiada jednocześnie wartość oporów w rurociągu i ciśnienie
pompowania pompy.
Przy wzroście oporów przepływu w rurociągu (linia przerywana) równowaga w układzie zostanie
zachwiana, ponieważ pompa nie jest w stanie wytworzyć większego ciśnienia (
∆
p
B
) przy tej samej
wydajności Q
A
. W konsekwencji nastąpi w układzie zmniejszenie przepływu do nowej wartości Q
B
,
odpowiadającej nowemu punktowi pracy B, w którym ciśnienie pompowania będzie znów dopasowane do
oporów w rurociągu. W ten sposób nastąpiło samorzutne dostosowanie się parametrów pracy pompy do
warunków układu. Tę cechę pompy nazywa się zdolnością do samoregulacji pompy wirowej.
Rys. 7. Współpraca pompy z rurociągiem i wyznaczanie punktu pracy.
Pompa jest prawidłowo dobrana do współpracy z układem (rurociągiem), gdy jej punkt pracy wypada
przy maksymalnej sprawności, co jest równoznaczne z tym, że pompa pracuje ze znamionową wydajnością i
ciśnieniem. Jeżeli ten warunek nie jest spełniony, zwiększa się zużycie energii na pompowanie z powodu
pogorszenia sprawności pompy.
2.
WYKONANIE ĆWICZENIA
2.1.
Cel i zakres ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest nabycie umiejętności wyznaczania charakterystyk w układzie hydraulicznym
pompy wirowej oraz określenie podstawowych parametrów pracy pompy. Metody i przyrządy pomiarowe
użyte w ćwiczeniu stanowią też dobrą ilustrację do poznania sposobów pomiaru natężenia przepływu
i ciśnienia w układach hydraulicznych.
2.2.
Opis stanowiska laboratoryjnego
Stanowisko do badania pomp odśrodkowych jest stanowiskiem uniwersalnym, na którym – oprócz
zagadnień określonych w instrukcji – badać można również zagadnienia związane z regulacją wydajności
i współpracą równoległą pomp. W zakresie objętym niniejszą instrukcją wykorzystane będą urządzenia
i przyrządy pokazane na rys. 8.
Rys. 8. Schemat stanowiska do badania pompy odśrodkowej
1 – zbiornik górny, 2 – zbiornik dolny, 3 – pompa odśrodkowa, 4 – silnik napędowy, 5 – rurociąg ssawny, 6 – rurociąg tłoczny, 7 –
manometr na króćcu ssawnym, 8 – manometr na króćcu tłocznym, 9 – zawór dławiący, 10 – kryza do pomiaru przepływu, 11 –
zawór pięciodrogowy, 12 – przetwornik różnicy ciśnień, 13 – pulpit sterowniczo-pomiarowy, 14 – zawór spustowy na rurze
łączącej zbiorniki.
Badana pompa jest pompą odśrodkową napędzaną silnikiem prądu stałego o regulowanej prędkości
obrotowej. Układ hydrauliczny współpracujący z pompą stanowią dwa zbiorniki wodne otwarte: górny i
dolny (połączone ze sobą) oraz rurociągi ssawny i tłoczny. Pompa przepompowuje wodę ze zbiornika
dolnego do górnego. Na stanowisku zainstalowano niezbędne przyrządy pomiarowe, a mianowicie
manometry do pomiaru ciśnienia na wlocie i wylocie pompy oraz zwężkę pomiarową (kryzę) do pomiaru
natężenia przepływu w rurociągu tłocznym. Ponadto mierzone są takie wielkości, jak prąd i napięcie
zasilające silnik napędowy oraz prędkość obrotowa pompy. Wszystkie mierniki (oprócz manometrów)
umieszczone są na pulpicie sterowniczym, na którym zainstalowano również nastawnik obrotów pompy. Na
rurociągu tłocznym zamontowano zawór regulacyjny do dławienia przepływu.
Pomiar natężenia przepływu jest pomiarem zwężkowym – sygnał różnicy ciśnień jest podawany
poprzez specjalny zawór pięciodrogowy do przetwornika różnicy ciśnień o charakterystyce pierwiastkującej.
Sygnał prądowy z przetwornika jest następnie mierzony w układzie woltomierza cyfrowego wyskalowanego
w jednostkach natężenia przepływu (kg/s).
Zawór pięciodrogowy służy do odpowietrzania układu pomiaru ciśnienia różnicowego i stanowi
również zabezpieczenie czujnika przetwornika ciśnienia przez podaniem ciśnienia statycznego. Na rys. 9.
pokazano schemat zaworu i kolejność czynności jakie należy wykonać w celu odcięcia przetwornika lub
odpowietrzania układu.
Rys. 9. Kolejność wykonywania czynności na zaworze pięciodrogowym (podczas pracy pompy).
2.3.
Program ćwiczenia
2.3.1.
Czynności wstępne
Przed przystąpieniem do pomiarów należy zapoznać się ze stanowiskiem, w szczególności
z rozmieszczeniem urządzeń oraz przyrządów pomiarowych i sterujących. W razie potrzeby należy
uzupełnić wodę w zbiorniku dolnym – poziom nie powinien przekraczać wysokości ok. 10 cm poniżej
górnej krawędzi zbiornika.
•
Należy sprawdzić stan i położenie zaworów na stanowisku:
-
zawór spustowy na pionowej rurze łączącej zbiorniki powinien być w pozycji otwartej;
-
zawór dławiący na rurociągu tłocznym powinien być całkowicie otwarty;
-
zawór pięciodrogowy powinien znajdować się w pozycji normalnej pracy (patrz rys. 9).
•
Należy spisać z tabliczek znamionowych dane dotyczące pompy i silnika napędowego oraz opisać
przyrządy pomiarowe wykorzystywane w ćwiczeniu: manometry, przetwornik pomiarowy, mierniki
elektryczne zamontowane na pulpicie.
•
Uruchomienie układu pompowego należy przeprowadzić za zgodą i w obecności prowadzącego
ć
wiczenie. W razie występowania przecieków w układzie hydraulicznym pompy należy niezwłocznie
zatrzymać pompę.
•
Po uruchomieniu pompy należy wykonać próbne regulacje w układzie:
-
przy całkowicie otwartym zaworze dławiącym, posługując się nastawnikiem obrotów na
pulpicie ustalić zakres regulacji prędkości obrotowej;
-
przy maksymalnej prędkości obrotowej dokonać dławienia przepływu w rurociągu tłocznym –
aż do całkowitego zamknięcia zaworu (ten stan nie powinien trwać dłużej niż kilka sekund);
-
podczas regulacji należy obserwować przyrządy pomiarowe, w szczególności poprawność
wskazań manometrów i miernika przepływu (w przypadku zakłóceń we wskazaniach tego
ostatniego, należy wykonać czynności odpowietrzające opisane na rys. 9)
2.3.2.
Pomiar charakterystyk pompy
Po uruchomieniu układu pompowego należy ustawić znamionowe obroty pompy odśrodkowej.
Pomiar podstawowych charakterystyk polega na ustalaniu kolejnych punktów pracy pompy przy stałej
(znamionowej) prędkości obrotowej. W tym celu należy dławić przepływ w rurociągu tłocznym przy
pomocy zaworu i dla kolejnych pozycji zaworu dokonywać odczytów z przyrządów pomiarowych. Punkt
pracy przy maksymalnym zdławieniu (nie całkowitym!) należy tak ustalić, aby pomiary przepływu i ciśnień
były wiarygodne (do ok. 30% wydajności maksymalnej).
Podczas dławienia przepływu prędkość obrotowa pompy może się samoistnie zmieniać (maleć) – należy ją
przy każdym ustalaniu punktu pracy korygować za pomocą nastawnika obrotów. Z tego powodu prędkość
obrotowa ustawiona na wstępie nie może być prędkością maksymalną!
Dla poprawnego określenia charakterystyk należy dokonać pomiarów dla co najmniej 6 punktów pracy.
Powyższe pomiary należy powtórzyć dla prędkości mniejszej od znamionowej, ustalonej przez
prowadzącego ćwiczenie.
Tabela 2. Przykład tabeli pomiarowej do zdejmowania charakterystyk pompy
prędkość obrotowa n
1
=
………………obr/min
ciśnienie na ssaniu
p
s
ciśnienie na tłoczeniu,
p
t
wydajność
Q
prąd silnika
I
napięcie silnika
U
Nr
pomiaru
kPa
kPa
kg/s
A
V
1
2
⁞
prędkość obrotowa n
2
=
………………obr/min
ciśnienie na ssaniu
p
s
ciśnienie na tłoczeniu,
p
t
wydajność
Q
prąd silnika
I
napięcie silnika
U
Nr
pomiaru
kPa
kPa
kg/s
A
V
1
2
⁞
2.3.3.
Pomiar charakterystyki rurociągu
Po uruchomieniu układu pompowego należy ustawić maksymalne obroty pompy odśrodkowej oraz
całkowicie otworzyć zawór dławiący. Pomiar charakterystyki rurociągu polega na ustalaniu kolejnych
punktów pracy układu znajdujących się na charakterystyce rurociągu. W tym celu należy zmieniać prędkość
obrotową pompy i dla kolejnych ustalonych prędkości dokonywać odczytów z przyrządów pomiarowych.
Należy wykonać minimum 6 pomiarów. Ponieważ zakres regulacji prędkości jest ograniczony, punkty pracy
będą wyznaczały z dobrą dokładnością tylko część charakterystyki rurociągu.
Charakterystykę rurociągu należy zdjąć również dla częściowego zdławienia przepływu. W tym celu
należy przy maksymalnej prędkości obrotowej przykręcić zawór dławiący do pozycji odpowiadającej ok.
60 % największej wydajności pompy. Następnie należy powtórzyć pomiary wg schematu opisanego
powyżej.
Tabela 3.
Przykład tabeli pomiarowej do zdejmowania charakterystyki rurociągu
zawór dławiący całkowicie otwarty
prędkość obrotowa
n
ciśnienie na ssaniu
p
s
ciśnienie na tłoczeniu,
p
t
wydajność
Q
Nr
pomiaru
obr/min
kPa
kPa
kg/s
1
2
⁞
zawór dławiący częściowo przykręcony
prędkość obrotowa
n
ciśnienie na ssaniu
p
s
ciśnienie na tłoczeniu,
p
t
wydajność
Q
Nr
pomiaru
obr/min
kPa
kPa
kg/s
1
2
⁞
2.4.
Wykonanie sprawozdania
W sprawozdaniu należy zamieścić:
•
opis stanowiska laboratoryjnego uwzględniający charakterystykę podstawowych urządzeń i
mierników (dane pompy, silnika, manometrów, przetworników);
•
opis wykonanych pomiarów;
•
tabele pomiarowe z wynikami pomiarów wykonywanych podczas odrabiania ćwiczenia uzupełnione
o niezbędne wyniki obliczeń wielkości potrzebnych do wykreślenia charakterystyk;
•
wykorzystywane wzory i przykładowe wyniki obliczeń;
•
wykreślone charakterystyki pompy i rurociągu:
-
wykres 1
charakterystyki pompy przy dwóch prędkościach obrotowych uzyskane z pomiarów:
( )
( )
1
2
,
n n
n n
p
f Q
p
f Q
=
=
∆ =
∆ =
ɺ
ɺ
,
charakterystyka pompy przeliczona dla prędkości mniejszej od znamionowej ze
wzorów wynikających z teorii podobieństwa:
(
)
2
obl
obl
n n
p
f Q
=
∆
=
ɺ
;
charakterystyki
rurociągu
przy
dwóch
położeniach
zaworu
dławiącego:
( )
( )
,
r
r
zawór otwarty
zawór przymknięty
p
f Q
p
f Q
∆
=
∆
=
ɺ
ɺ
;
-
wykres 2
charakterystyki mocy na wale i sprawności pompy przy dwóch różnych prędkościach
obrotowych:
( )
( )
( )
( )
1
2
1
2
,
,
,
w
w
p
p
n n
n n
n n
n n
P
f Q
P
f Q
f Q
f Q
η
η
=
=
=
=
=
=
=
=
ɺ
ɺ
ɺ
ɺ
;
charakterystyka mocy na wale przeliczona dla prędkości mniejszej od znamionowej ze
wzorów wynikających z teorii podobieństwa:
(
)
2
wobl
obl
n n
P
f Q
=
=
ɺ
;
•
obliczenie wyróżnika szybkobieżności pompy n
SQ
dla jej parametrów znamionowych;
•
uwagi i wnioski, w szczególności na temat:
-
poprawności uzyskanych wyników pomiarów i obliczeń (zgodności z założeniami
teoretycznymi, danymi znamionowymi pompy),
-
dokładności pomiarów i obliczeń,
-
oceny technicznej badanej pompy, w tym jej sprawności.
Ważne uwagi
Opracowanie wyników pomiarów należy wykonać zgodnie z teorią przedstawioną w p. 1. niniejszej
instrukcji. Wyniki obliczeń należy prezentować z dokładnością odzwierciedlającą dokładność
wykonywanych pomiarów oraz przyjęte założenia upraszczające.
Wykresy charakterystyk należy wykonać przy pomocy programów komputerowych umożliwiających
aproksymację średniokwadratową punktów pomiarowych (punkty pomiarowe, także te wynikające z
obliczeń, muszą być naniesione na wykresy). Oznacza to, że wykreślane linie mają być uśrednione i
wygładzone tak, aby maksymalnie odzwierciedlały fizykę zjawisk a suma odległości od punktów
pomiarowych była minimalna.
Charakterystyki przeliczone na podstawie teorii podobieństwa należy wykreślić w oparciu
o przekształcone punkty pomiarowe (wszystkie) z zachowaniem zasad opisanych powyżej.
W przypadku umieszczania na wspólnym wykresie charakterystyk różnych wielkości fizycznych
(moc i sprawność), należy przyjąć i oznaczyć różne skale dla tych wielkości.
Do obliczeń sprawności i mocy na wale pompy należy wykorzystać charakterystykę sprawności
silnika napędowego przedstawioną poniżej. Moc pobieraną przez silnik prądu stałego oblicza się jako
iloczyn napięcia zasilającego i prądu pobieranego przez silnik:
s
P
U I
=
⋅ .
3.
LITERATURA
1.
„Praca zbiorowa pod redakcją M. Mieszkowskiego: „Pomiary cieplne i energetyczne”. WNT, Warszawa
1985.
2.
M. Stępniewski: „Pompy”, WNT, Warszawa 1985.