KATEDRA TECHNIKI CIEPLNEJ I CHA
ODNICTWA
POLITECHNIKA A
ÓDZKA
LABORATORIUM TERMODYNAMIKI
LABORATORIUM z FIZYKI II
Ćwiczenie nr T-16
Temat: BADANIE POMPY WIROWEJ
Opracowała: dr inż. Maria Plocek
A
ódz
- 2004
T-16. Badanie pompy wirowej
1. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest:
- zapoznanie studentów z zasadą działania pompy przy zwróceniu uwagi na jej typowe cechy
konstrukcyjne,
- przeprowadzenie badań niezbędnych do wyznaczenia podstawowych charakterystyk stosowanych dla
pomp wirowych, ze zwróceniem uwagi na ich powinowactwo,
- określenie obszaru stosowalności pompy,
- określenie optymalnych parametrów przepływu (Q, H) dla przyjętej znamionowej prędkości
obrotowej, np. 1200 1/min.
Uwaga!
Przy rozszerzonym zakresie badań (część B) na stanowisku istnieje możliwość wykonania niezbędnych
pomiarów dla wykreślenia charakterystyki
Pws = f (Pel.wir.)
gdzie: Pws - moc na wale silnika; Pel.wir..  moc elektryczna w odniesieniu do prądu wirnika.
2. WIADOMOŚCI OGÓLNE  PODZIAA
POMP
Pompy są to maszyny robocze służące do podnoszenia cieczy (lub mieszanin cieczy z ciałami stałymi) z poziomu
niższego na wyższy , albo do przetłaczania cieczy ze zbiornika ssawnego o ciśnieniu niższym do zbiornika tłocznego o
ciśnieniu wyższym.
Pompy są często stosowanymi maszynami roboczymi o pozornie prostej konstrukcji, których prawidłowa
eksploatacja wymaga niezbędnego poziomu wiedzy i kultury technicznej.
Istotna różnica pomiędzy pompami a innymi przenośnikami cieczy (np. strumienicami) polega na istnieniu organu
czynnego (tłoka, wirnika), który oddziela obszar ssawny od obszaru tłocznego pompy.
Działanie pompy polega na wytwarzaniu różnicy ciśnień między stroną ssawną (wlotem do pompy) a tłoczną
(wylotem z pompy). W zależności od sposobu wytwarzania tej różnicy ciśnień pompy dzieli się na wyporowe i wirowe.
Pompy wyporowe
Działanie pompy wyporowej polega na wypieraniu określonej ilości cieczy z obszaru ssawnego w wyniku
przesunięcia, obrotu lub ruchu złożonego (przesunięcia i obrotu) organu roboczego (tłoka, nurnika, skrzydełka,
wirnika) do obszaru tłocznego. Do tej grupy należą: pompy tłokowe, przeponowe, pompy łopatkowe, pompy zębate,
pompy śrubowe, itd.
Pompy wirowe
Zasada działania pompy wirowej polega na tym, że wirnik pompy powoduje zwiększenie krętu bądz
krążenia
przepływającej cieczy. W zależności od sposobu przemiany energii pompy dzieli się na pompy krążeniowe i pompy
krętne.
Pompami krążeniowymi nazywa się pompy wirowe, których działanie polega na krążeniu cieczy w obrębie
wirnika lub na jego obwodzie, które jest proporcjonalne do momentu przekazywanego wirnikowi przez obracający się
wał.
Działanie pompy krętnej polega na spowodowaniu przepływu cieczy przez wirnik z odpowiednio
ukształtowanymi łopatkami. Zmniejszenie ciśnienia u wlotu pompy wywołuje zjawisko ssania, a energia mechaniczna
przekazywana przez wirnik powoduje zwiększenie krętu przepływającej cieczy.
Wśród pomp krętnych rozróżniamy:
- pompy odśrodkowe (rys.1) o wypływie promieniowym z wirnika złożonego z szeregu łopatek o krawędziach
równoległych lub nachylonych do osi wirnika. Wypływ cieczy z wirnika wywołuje siła odśrodkowa działająca na
ciecz;
- pompy helikoidalne charakteryzują się ukośnym przepływem przez wirnik, mają kierownicę bezłopatkową
i spiralny bądz
cylindryczny kanał zbiorczy;
- pompy diagonalne o przepływie promieniowo osiowym, których wirnik ma łopatki o obu krawędziach
nachylonych do osi wirnika oraz osiowo symetryczną kierownicę łopatkową, tworzącą jedną całość z kadłubem
pompy;
- pompy śmigłowe (pompy o osiowym przepływie przez wirnik) mające wirnik o kształcie zbliżonym do śmigła
wieloramiennego i kierownicę łopatkową umieszczoną poza wirnikiem; łopatki wirnika mogą być stałe lub
nastawialne.
str.2/15
T-16. Badanie pompy wirowej
Rys. 1. Pompa odśrodkowa: 1-wirnik, 2-
kadłub spiralny, 3-króciec ssawny,
4 króciec tłoczny
Wady i zalety pomp wirowych
Zalety pomp wirowych:
- duża wydajność przy niewielkiej wysokości podnoszenia,
- małe wymiary dzięki dużej prędkości obrotowej,
- możliwość bezpośredniego sprzęgania z silnikami szybkoobrotowymi,
- duża niezawodność,
- zdolność samoregulacji, tzn. samoczynnego przystosowania się do zmienionych warunków pracy.
Wady pomp wirowych:
- brak zdolności samozasysania (konieczność napełnienia pompy cieczą przed uruchomieniem  oprócz pomp
krążeniowych samozasysających),
- wrażliwość małych pomp na zanieczyszczenia mechaniczne,
- wrażliwość na zawartość gazów w pompowanej cieczy, co może spowodować przerwanie przepływu,
- mniejsza w porównaniu z pompami wyporowymi sprawność małych pomp.
Pompy strumienicowe
Działanie pomp strumienicowych oparte jest na zjawisku Venturiego. Do pomp strumienicowych należą injektory i
ejektory.
3. POJ
CIA I WIELKOŚCI PODSTAWOWE
Zgodnie z analityczną postacią twierdzenia Bernoulliego, które mówi, że w bezwzględnym ruchu ustalonym
cieczy doskonałej, w jednorodnym polu sił ciężkości, suma wysokości położenia, wysokości ciśnienia i wysokości
prędkości jest w każdym punkcie tej samej strugi stała, dla dwóch dowolnie wybranych przekrojów 1 i 2 jednej strugi
można napisać równanie (rys. 2)
p1 v1 p2 v2
z1 + + = z2 + + (1)
� g 2g � g 2g
Rys. 2. Przepływ płynu przez kanał
Przy przepływie przez wirnik pompy wirowej, odbywającym się w jednorodnym polu sił ciężkości w
odniesieniu do ruchu względnego z prędkością w względem wirnika (obracającego się ze stałą prędkością kątową � )
twierdzenie Bernoulliego przyjmie postać
2
p w2 r2 �
z + + - = const (2)
ł 2g 2g
str.3/15
T-16. Badanie pompy wirowej
Zatem suma wysokości położenia, wysokości odpowiadającej ciśnieniu i wysokości odpowiadającej prędkości
względnej pomniejszona o wysokość potrzebną do wprowadzenia cieczy w ruch obrotowy jest wielkością stałą dla tej
samej strugi (r jest odległością od osi wirnika cząsteczki cieczy o prędkości względnej w).
Dla cieczy rzeczywistej równanie Bernoulliego ma postać
2 ' 2
p1 v1 p2 v2
z1 + + = z2 + + + "h (3)
� g 2g � g 2g
gdzie "h - straty przepływu na drodze od przekroju 1 do 2.
3.1. PARAMETRY UKA
ADU POMPOWEGO I PRACY POMPY
Układ złożony z przewodu ssawnego, pompy i przewodu tłocznego nazywany jest układem pompowym.
Najprostszy układ pompowy składa się z pompy 1, zbiornika dolnego dopływowego 2, przewodu dopływowego
(ssawnego) 3, przewodu tłocznego 4 i zbiornika górnego 5. Ogólnie rozróżniamy w układzie pompowym stronę
ssawną, z której ciecz dopływa do pompy i stronę tłoczną odprowadzającą ciecz pompowaną.
Istnieje wiele rozwiązań układów pompowych . W szczególnych przypadkach mogą one mieć tylko stronę
ssawną (pompa ssąca) lub tłoczną (pompa tłoczna). Zbiorniki ssawny lub tłoczny mogą być otwarte lub zamknięte. W
przypadku zbiorników otwartych, ciśnienia w nich są jednakowe i równe ciśnieniu barometrycznemu pd = pg = pb.
Określenia wielkości charakterystycznych pomp wirowych podano za obowiązującą normą PN-81/M-44001,
zgodnie z oznaczeniami na rys. 3.
Rys. 3. Schemat układu pompowego
i charakterystyczne wielkości
geometryczne układów pompowych:
1  pompa, 2  zbiornik dolny, 3 
rurociąg ssawny, 4  rurociąg tłoczny,
5  zbiornik górny
Geometryczna (niwelacyjna) wysokość ssania Hzs  jest to odległość środkowego punktu przekroju
wlotowego króćca ssawnego pompy od zwierciadła cieczy w zbiorniku dolnym
H = zs - zI (4)
zs
Geometryczna wysokość tłoczenia Hzt  jest to odległość swobodnej powierzchni cieczy w zbiorniku górnym
od środkowego punktu przekroju wlotowego króćca tłocznego
H = zII - zt (5)
zt
Wysokością ssania pompy Hs  nazywamy wysokość odpowiadającą ciśnieniu w przekroju króćca ssawnego
pompy
2 2
ps pd cs - cd
H = = - H - - (6)
s zs s
""h
� g � g 2 g
gdzie: cs, cd  odpowiednio prędkości cieczy w przekroju króćca ssawnego i przekroju przewodu ssawnego w zbiorniku
dolnym, - suma wysokości strat przepływu w rurociągu ssawnym od zbiornika dolnego do pompy.
s
""h
W przypadku zbiornika otwartego pd = pb.
str.4/15
T-16. Badanie pompy wirowej
Manometryczna wysokość ssania Hms pompy  jest to różnica między wysokością odpowiadającą ciśnieniu w
przekroju króćca ssawnego pompy a wysokością wynikającą z ciśnienia atmosferycznego mierzoną za pomocą
manometru, gdy ps > pb, lub wakuometru gdy ps < pb
ps - pb
H = (7)
ms
� g
po podstawieniu do wzoru (7) wartości ps z wzoru (6) otrzymamy
2 2
pd - pb cs - cd
H = - H - - (8)
ms zs s
""h
� g 2g
w przypadku zbiornika dolnego otwartego ( pd = pb )
2 2
cs - cd
H = - H - - . (9)
ms zs s
""h
2 g
Analogicznie otrzymamy wysokość tłoczenia Ht
2
cg - ct2
pt pg
Ht = = + Htz - + (10)
t
""h
� g � g 2 g
oraz manometryczną wysokość tłoczenia Hmt jako nadwyżkę wysokości tłoczenia nad wysokością odpowiadającą
ciśnieniu atmosferycznemu, mierzoną manometrem po stronie tłocznej
pt - pb
H = (11)
mt
� g
2
pg - pb cg - ct2
H = + H - + (12)
mt zt t
""h
� g 2 g
w przypadku otwartego zbiornika górnego (pg = pb)
2
cg - ct2
H = H - + (13)
mt zt t
""h
2 g
Manometryczna wysokość podnoszenia Hm pompy mierzona na wylocie i wlocie pompy wyraża się
przyrostem energii ciśnienia, przekazywanej cieczy przez wirnik, w odniesieniu do jednostki masy podnoszonej cieczy
pt - ps
H = H - H + "z = + "z (14)
m mt ms
� g
podstawiając do powyższego wzoru wartości ze wzorów 9 i 13 otrzymamy
2 2
2
pg - pd cg - cd ct2 cs
-
Hm = + - + + + H + H + "z (15)
""hs ""ht zs zt
� g 2g 2g
Użyteczna (efektywna) wysokość podnoszenia pompy H równa jest przyrostowi energii cieczy między wlotem
i wylotem pompy w odniesieniu do jednostki masy przenoszonej cieczy
2
pt - ps ct2 - cs
H = + "z + (16)
� g 2g
Zatem użyteczna wysokość podnoszenia jest sumą manometrycznej wysokości podnoszenia i różnicy
wysokości wynikającej z różnic prędkości na wlocie i wylocie pompy. Wielkość ta powiększona o opory hydrauliczne
"hp w pompie, wywołane tarciem wewnętrznym cieczy rzeczywistej i oporami ruchu wewnątrz pompy, jest
wewnętrzną wysokością podnoszenia pompy i dla pomp wirowych jest równa teoretycznej wysokości podnoszenia
Hth obliczonej z równania Eulera.
Hth = H + "hp (17)
H
przy czym = �h jest sprawnością hydrauliczną pompy.
Hth
W rozważaniach teoretycznych stosuje się obraz przepływu przedstawiony na rys. 4.
str.5/15
T-16. Badanie pompy wirowej
Rys. 4. Przepływ cieczy przez wirnik pompy
odśrodkowej: a) przekrój
południkowy, b) rzut osiowy; A1A2 
tor względny, A1A2  tor bezwzględny
cząstki
Wychodząc z podstawowego równania pomp wirowych wprowadzonego przez Eulera, teoretyczną wysokość
podnoszenia przy nieskończonej liczbie łopatek wyrazić można wzorem
1 1
Hth" = (u2 c2 cosą2 - u1 c1 cosą1) = (u2 cu2 - u1 cu1) (18)
g g
W większości przypadków ą1 = 90� tzn., że ciecz dopływa do wirnika bez zawirowania, zatem cu1 = 0
i c1 pokrywa się z cm1 , wtedy
�#
1 1 cm2 ś#
ś#
(19)
Hth" = u2 cu2 lub Hth" = u2 ś#u2 - ź#
g g tg �2 ź#
�# #
Wynika stąd, że Hth" rośnie ze wzrostem kąta �2 . Zwykle stan ruchu na wlocie do wirnika ilustruje się za
pomocą trójkątów prędkości (rys. 5).
Rys.5. Trójkąty prędkości: na wlocie przy ą1)#90o , b) przy ą1 = 90o , na wylocie z wirnika
W rzeczywistości przy skończonej liczbie łopatek występują odstępstwa od obliczonej wartości Hth" .
Najprostszym sposobem uwzględnienia faktu zmniejszenia jednostkowej pracy wirnika dla skończonej liczby łopatek
jest wykorzystanie współczynnika Pfleiderera (p). Jest on współczynnikiem zmniejszenia poboru lub niewykorzystania
mocy, określającym jednocześnie zmniejszenie wysokości podnoszenia (bez wpływu na sprawność pompy).
W literaturze krajowej współczynnik ten nosi nazwę współczynnika niedoboru mocy
Hth"
Hth = (20)
1 + p
Przy założeniu stałej wartości poprawki p, dla danej pompy zależność powyższa jest funkcją liniową i można
zapisać
Hth = A - BQ (21)
gdzie Q jest strumieniem objętości przepływającej przez pompę cieczy.
A i B są stałymi dla danej pompy pracującej z określoną prędkością obrotową wirnika.
Wystarcza zatem znajomość dwóch punktów dla każdej pompy aby otrzymać obraz geometryczny zależności
Hth = f (Q), np. Hth dla Q = 0 i Hth dla Q = Qh
Część energii przekazanej czynnikowi w wirniku Hth zostaje zużyta na pokonanie strat przepływu w pompie
H . Pozostała część energii H stanowi przyrost energii użytecznej transportowanej cieczy.
s th p
Hth = H + H (22)
s th p
gdzie H jest określone wzorem 16.
str.6/15
T-16. Badanie pompy wirowej
Mocą użyteczną (efektywną) Pu pompy nazywamy moc netto zużytą na zwiększenie energii pompowanej
cieczy i wyrażamy wzorem
Pu = Q H � g �"10-3 kW (23)
Mocą na wale (sprzęgle) P pompy nazywamy moc pobieraną przez pompę, równą mocy dostarczonej przez
silnik napędowy, względnie przez przekładnię pośredniczącą między silnikiem a pompą.
Biorąc pod uwagę, że istnieje przekładnia pasowa moc na wale pompy określona jest jako
P = Pel �"�s �"� lub P = Pws �"� (24)
pp pp
gdzie: Pws jest mocą na wale silnika, Pel mocą elektryczną silnika napędowego.
Sprawność przekładni pasowej przyjęto � = 0.97 . Sprawność silnika elektrycznego �s lub moc na wale
pp
silnika Pws określamy z pomiarów (wykresu XXX).
Sprawnością całkowitą � pompy nazywamy stosunek mocy użytecznej pompy do mocy na wale pompy
Pu
� = (25)
P
Dysponując teoretyczną wysokością podnoszenia Hth można określić sprawność hydrauliczną�th pompy
H
�h = (26)
Hth
4. OCENA POMPY  CHARAKTERYSTYKI POMP
4.1. RODZAJE CHARAKTERYSTYK
Na podstawie pomiarów, korzystając z przedstawionych w poprzednim rozdziale zależności wykreśla się
charakterystyki przepływu, mocy i sprawności.
Rozróżniamy trzy podstawowe charakterystyki pomp: przepływu, poboru mocy oraz sprawności (rys. 6).
Charakterystyka przepływu (krzywa dławienia) H = f (Q) przedstawia zależność wysokość podnoszenia H
od strumienia objętości (wydajności) pompy Q. Jest to główna charakterystyka pracy pompy.
Charakterystyka poboru mocy pompy P = f (Q)jest odniesiona do wału, za pomocą którego moc silnika
napędowego jest przekazywana pompie.
Charakterystyka sprawności pompy � = f (Q) określa zmianę stosunku efektywnej mocy, zużytej na zmianę
wartości parametrów pracy, do mocy pobieranej przez pompę o zmienionej wydajności.
Podstawowe charakterystyki odnoszą się do niezmiennej wartości prędkości obrotowej i przedstawiane są
graficznie.
Rys. 6. Przykład charakterystyki
jednostopniowej pompy odśrodkowej
Charakterystyka przepływu pompy i rurociągu
Podstawową charakterystyką hydrauliczną pomp wirowych jest przedstawiony wykreślnie obraz zależności
między wysokością podnoszenia a strumieniem objętości przepływającej przez pompę cieczy H = f (Q) wyznaczony
przy prędkości n = const. Charakterystyka przepływu może być stateczna (stabilna) lub niestateczna (labilna)  patrz
rys. 7.
str.7/15
T-16. Badanie pompy wirowej
Rys.7. Charakterystyka przepływu H = f (Q) , stateczna
BAC i niestateczna DEAC
Stateczna charakterystyka przepływu jest krzywą stale opadającą i ma swoje maksimum wysokości
podnoszenia przy wydajności Q = 0.
Niestateczna charakterystyka przepływu ma swoje maksimum przy wydajności Q `" 0.
Charakterystyka może być stroma lub łagodnie opadająca. Pompa o łagodnie opadającej charakterystyce przepływu
wymaga szczególnie dokładnego wyznaczania charakterystyk przepływu układu pompowego (charakterystyki
rurociągu), ponieważ nieznaczna zmiana strat hydraulicznych w instalacji pompowej powoduje duże zmiany strumienia
objętości przepływającej cieczy.
Charakterystyką rurociągu nazywa się przedstawiony wykreślnie (rys. 8) obraz zależności między
wysokością strat hydraulicznych w instalacji pompowej a strumieniem objętości przepływającej cieczy "h = f (Q).
Punkt przecięcia charakterystyki rurociągu z charakterystyką pompy jest rzeczywistym punktem pracy pompy (układu).
Rys. 8. Współpraca pompy z rurociągiem i punkt pracy
pompy
Charakterystyka mocy i sprawności
Analogicznie do charakterystyk przepływu charakterystyki mocy i sprawności są to przedstawione wykreślnie
obrazy zależności między zapotrzebowaniem mocy przez pompę P i sprawności pompy� a strumieniem objętości
przepływającej cieczy, wyznaczone przy prędkości obrotowej n = const.
Charakterystyki mocy P = f (Q) bywają przeciążalne i nieprzeciążalne. Zaletą charakterystyki
nieprzeciążalnej jest niemożliwość przeciążenia silnika napędzającego pompę przy wzroście natężenia przepływu
(strumienia przepływającej cieczy) ponad wartość nominalną.
Charakterystyki sprawności � = f (Q) są krzywymi wypukłymi charakteryzującymi się wyraz
nym maksimum
w zakresie stosowalności Q. Maksymalna sprawność jaką może osiągnąć pompa wirowa zależy przede wszystkim od
jej wyróżnika szybkobieżności i wydajności.
4.2. POWINOWACTWO CHARAKTERYSTYK PRZEPA
YWU
Przy zmianie prędkości obrotowej n otrzymamy szereg krzywych charakterystycznych H = f (Q) , P = f (Q),
� = f (Q) o podobnym przebiegu. Obserwując zmianę przebiegu podstawowej charakterystyki przepływu
H = f (Q) przy zmiennej prędkości obrotowej n, dochodzimy do wniosku, że z rzeczywistej charakterystyki przepływu
H = f (Q) , właściwej dla danej prędkości obrotowej, możemy otrzymać charakterystykę przepływu dla innej
prędkości korzystając z teorii podobieństwa dynamicznego
str.8/15
T-16. Badanie pompy wirowej
2 2 3
�# ś# �# ś# �# ś#
Q1 n1 H1 n1 Q1 P1 n1
ś# ź# ś# ź# ś# ź#
= ; = = ; = (27)
ś# ź# ś# ź#
Q2 n2 n2 Q2 P2 ś# n2 ź#
H
�# # �# # �# #
2
Zależności powyższe wyprowadzone zostały przy założeniu stałej sprawności pompy, co oznacza, że każdemu
punktowi charakterystyki I odpowiada punkt na charakterystyce II i III spełniający podane wyżej zależności, przy czym
ze wzoru Hx/H = (nx/n)2 = (Qx/Q)2 wynika, że punkty powinowate będą leżały na parabolach o równaniu
Hx = H (Qx/Q)2 (28)
mających wierzchołki w początku układu współrzędnych (rys. 9).
Parabole określone wzorem (28) są nazywane krzywymi sprawności hydraulicznej. Szczególnie ważna jest
parabola przechodząca przez punkt A odpowiadający nominalnym wartościom parametrów pracy pompy. W punktach
A1, A2, A3 nie zmienia się wartość wyróżnika szybkobieżności n1
1 2
n Qopt
n1 = nq = (29)
3 4
H
opt
Kinematycznym wyróżnikiem szybkobieżności nq pompy wirowej o parametrach Q, H, n nazywamy prędkość
obrotową pompy geometrycznie podobnej, która przy wysokości podnoszenia H = 1 m ma wydajność Q = 1 m3/s.
Wartość wyróżnika szybkobieżności jest ściśle określona dla danego kształtu wirnika. Dla konkretnych wartości Q, H,
n pompy istnieje tylko jedna wartość wyróżnika szybkobieżności nq.
Rys. 9. Powinowactwo charakterystyk przepływu
H = f (Q) przy różnych prędkościach obrotowych
n; A  punkt odpowiadający nominalnym
parametrom pracy pompy
4.3. CHARAKTERYSTYKA UNIWERSALNA POMPY  PAGÓREK SPRAWNOŚCI
Przeprowadzone badania pomp wykazały, że założona wzdłuż parabol niezmienność sprawności
w rzeczywistości nie potwierdza się. Na rys. 10a wykreślono rzeczywiste krzywe charakterystyczne przy różnych
prędkościach obrotowych.
W celu lepszego porównania przyjęto bezwymiarowy układ współrzędnych H H = f (Q Qn ) . Na rys. 10b
n
sporządzono wykresy rzeczywistych sprawności � = f (Q Qn ) zachowując tę samą skalę na osi odciętych co na rys.
10a. Na rys. 10b proste poziome przecinają wykresy sprawności w punktach o ich jednakowej wartości.
Punkty przecięcia rzutujemy na odpowiadające im (o tej samej prędkości obrotowej n) krzywe przepływu (rys.
10a) i punkty na krzywych oznaczamy wartością sprawności. A
ączymy punkty o jednakowej prędkości rzeczywistej
� = const. Z powodu podobieństwa otrzymanego wykresu do krzywych warstwicowych nazywamy go pagórkiem
sprawności lub wykresem muszlowym.
Na podstawie pagórka sprawności w prosty sposób można wyznaczyć optymalne parametry pracy pompy jako
miejsce środkowe krzywych sprawności określające �opt . A
ącząc punkty na krzywych przepływu, odpowiadające
najlepszej sprawności �max , otrzymamy parabolę z wierzchołkiem w początku układu współrzędnych i osią
pokrywającą się z osią rzędnych. Punkt optymalnej sprawności powinien pokrywać się z założonymi nominalnymi
wartościami parametrów pracy pompy.
str.9/15
T-16. Badanie pompy wirowej
Rys. 10. Pagórek sprawności pompy wirowej; a)
krzywe charakterystyczne przepływu, b)
krzywe sprawności
4.3. OBSZAR STOSOWALNOŚCI POMPY
Pompa, podobnie jak inne maszyny zużywające energię, powinna być eksploatowana w zakresie sprawności
większej od założonej minimalnej. W przypadku pomp małych i średnich dolną granicą sprawności powinna być
�min = 0.7 , dla dużych pomp o poborze mocy powyżej 200 kW - �min = 0.8 . W przypadku pomp specjalnych
kryterium ich eksploatacji może być np. niezawodność działania, czyli inne niż minimalna sprawność. W przypadku
badanej pompy �min E" 0.5 .
Na podstawie wykresu muszlowego (rys. 10a), przy założeniu minimalnej sprawności �min = 0.7 i przy
założonych prędkościach obrotowych (na rys. 11 n wynosi od 2400 obr/min do 3400 obr/min) za pole stosowalności
pompy uważamy pole zawarte pomiędzy krzywymi �min = const = 0.7 i charakterystykami H = f (Q) dla n = 3400
obr/min i n = 2400 obr/min. Obszar ten jest więc ograniczony dwiema krańcowymi charakterystykami przepływu,
wynikającymi z przyjętych granicznych wartości prędkości obrotowych oraz dwiema krańcowymi krzywymi
minimalnej sprawności.
str.10/15
T-16. Badanie pompy wirowej
Rys. 11. Pagórek sprawności i
pole stosowalności
wybranej pompy
odśrodkowej
4.4. REGULACJA WYDAJNOŚCI POMP
Strumień objętości przepływającej przez pompę cieczy (wydajność) można regulować
- przez zmianę prędkości obrotowej silnika napędzającego pompę,
- przez dławienie zaworem na tłoczeniu przy stałej prędkości obrotowej.
Regulacja wydajności pompy przez zmianę prędkości obrotowej polega na przesuwaniu charakterystyki pompy i
rurociągu (rys. 12). Jest to najbardziej ekonomiczny sposób regulacji, ponieważ nie występują straty ciśnienia, a
zmiany sprawności są niewielkie. Ten rodzaj regulacji wymaga jednak użycia silników z regulacją prędkości
obrotowej, co w przypadku najczęściej stosowanych do napędu silników elektrycznych na prąd zmienny jest trudne i
kosztowne. Z tego powodu ten sposób regulacji jest stosowany rzadko.
W praktyce, ze względu na powszechnie stosowane do napędu silniki synchroniczne o stałej prędkości
obrotowej, najczęściej stosowaną regulacją wydajności jest regulacja przez dławienie zaworem na tłoczeniu.
Wprowadzenie dodatkowego miejscowego oporu hydraulicznego wskutek zmniejszenia przekroju przepływu
powoduje przesuwanie się punktu pracy po charakterystyce pompy (rys. 13) i wraz ze zmianą H następuje zmiana
natężenia przepływu. Regulacja dławieniem związana jest ze stratami. Zmieniając "hr przesuwamy punkt pracy z p. A
przez A1 do A2.
Rys. 12. Charakterystyka pompy przy regulacji Rys.13. Charakterystyka wydajności pompy przy
wydajności przez zmianę prędkości obrotowej regulacji wydajności przez dławienie na tłoczeniu
str.11/15
T-16. Badanie pompy wirowej
5. ZJAWISKO KAWITACJI W POMPACH WIROWYCH
Kawitacją nazywamy zjawisko występujące w pompie lub w przewodach wywołane miejscowym spadkiem
ciśnienia poniżej wartości krytycznej, bliskiej ciśnieniu wrzenia cieczy w danej temperaturze, w wyniku czego
następuje tworzenie się pęcherzyków parowo-gazowych w miejscach najniższego ciśnienia oraz ich zanikanie w strefie
wyższego ciśnienia. Zanikanie pęcherzyków następuje gwałtownie w czasie krótszym niż 0,001 s i ma charakter
implozji. Napływająca z dużą prędkością w miejsce zanikających pęcherzyków ciecz może osiągnąć ciśnienie rzędu
440 MPa.
W przypadku zasklepiania się pęcherzyków przy ściance kanału przepływowego, powierzchnia jej jest
poddawana uderzeniom cieczy z wielką siłą. Następujące z dużą częstotliwością bombardowanie powierzchni przez
ciecz powoduje jej mechaniczne niszczenie.
Wyrwane ziarna materiału, a często duże grudki pozostawiają wżery, czyli kawerny. Taka chropowata
powierzchnia działa jak  zarodek tworzenia się nowych pęcherzy. Zjawisku temu towarzyszy hałas (nieregularne
trzaski, szumy), a przy rozwiniętej kawitacji również drgania kadłuba kanału przepływowego i bardzo głośne
uderzenia. Powoduje to bardzo szybkie mechaniczne niszczenie pompy i jest o wiele groz
niejsze od korozji. Kawitacji
towarzyszy również zjawisko o charakterze termodynamicznym. Parowanie cieczy związane jest ze stratą ciepła, która
powoduje spadek temperatury cieczy i obniżenie ciśnienia parowania.
Kawitacja występuje we wszystkich rodzajach pomp wirowych. Podatność na jej występowanie wzrasta ze
wzrostem wyróżnika szybkobieżności nq , ponieważ z jego wzrostem zwiększa się prędkość cieczy w kanałach
pompowych. Intensywność występowania kawitacji zależy również od kształtu kanałów przepływowych, temperatury
cieczy i ciśnienia parowania. Pewien wpływ hamujący na przebieg niszczącego zjawiska kawitacji ma zawartość gazów
rozpuszczonych w cieczy.
5.1. WPA
YW KAWITACJI NA PRAC
POMPY WIROWEJ
Zjawisko kawitacji powoduje spadek natężenia (strumienia objętości) przepływającej cieczy, sprawności
pompy i użytecznej wysokości podnoszenia.
W pierwszym stadium, tzw. kawitacji zaczątkowej, zaczynają się tworzyć niewielkie pęcherzyki parowo-
gazowe. Nie wpływa to ujemnie na pracę pompy, a nawet zdaniem niektórych, powoduje nieznaczny wzrost
sprawności, tłumaczony zmniejszeniem się oporów tarcia cieczy o ścianki.
W drugim stadium, tzw. rozwiniętej kawitacji, implozje pęcherzyków wywołują drgania całej pompy,
występują silne nieregularne wahania wskazań mierników ciśnienia na tłoczeniu, w jeszcze większym stopniu po
stronie ssawnej pompy, oraz spadek wysokości podnoszenia i sprawności pompy.
W trzecim stadium, tzw. bardzo silnej kawitacji, załamują się charakterystyki przepływu, mocy oraz
sprawności.
Warunkiem wykluczającym kawitacje jest przestrzeganie, by w układzie pompowym ciśnienie nie było niższe
od ciśnienia parowania dla danej temperatury cieczy. Powoduje to konieczność zachowania odpowiedniej wysokości
ssania, a w przypadku pompowania cieczy gorących zastępowania wysokości ssania wystarczająco dużą wysokością
napływu.
W związku z tym zastosowano pojęcie antykawitacyjnej nadwyżki wysokości ssania pompy w przekroju
wlotowym wirnika (NPSHkr), jako różnicy między całkowitą łączną wysokością (ciśnienie , prędkość) a wysokością
ciśnienia parowania, przy której na łopatce wirnika jeszcze nie występuje kawitacja.
Badania kawitacyjne modeli pomp są przeprowadzane na stanowiskach do badania pomp ze szczególnym
uwzględnieniem badań zjawisk kawitacyjnych. Warunki badań są w tym przypadku identyczne z normalnymi
występującymi w pracy pomp. Stanowiska te umożliwiają przeprowadzenie wszechstronnych badań kawitacji w
poszczególnych jej fazach. W każdej fazie kawitacji jej pełne badania powinny ujmować: obserwację akustyczną 
pomiary głośności, obserwację wizualną, pomiary prędkości i ciśnień, pomiary parametrów pracy pompy (P, H, n),
pomiary temperatury cieczy w obszarze kawitacji, pomiary mocy pobieranej przez pompę, pomiary wagowe ubytku
materiału w wyniku kawitacji, wpływ stanu powierzchni na intensywność kawitacji, wpływ rodzaju materiału na
działanie niszczące, wpływ zawartości gazów w wodzie, wpływ kawitacji na działanie mechaniczne pompy. Metody
pomiarowe zostały omówione w normie PN-85/M-44005.
str.12/15
T-16. Badanie pompy wirowej
6. PRZEBIEG ĆWICZENIA
6.1. OPIS STANOWISKA BADAWCZEGO
Przedmiotem badań jest pompa wirowa, jednostopniowa typ 50 PJMa 200 z wprowadzonymi zmianami
konstrukcyjnymi.
Charakterystyka pompy
- średnica wirnika 200 mm,
- średnica króćca ss/tł 66/53 mm,
- przekładnia pasowa 1:1.5, � = 0.97 ,
- silnik prądu stałego (typ PZBn 32a) n = 950 1/min, U = 220V, I = 6.2 A
Na rys. 14 przedstawiono schemat stanowiska, na którym przeprowadza się badania pompy. Woda zasysana
jest ze zbiornika 1 przez przewód ssawny 2 a ciśnienie po stronie ssawnej układu pompowego mierzone jest przy
pomocy wakuometru tarczowego 3. Pompa otrzymuje napęd przez przekładnię pasową 5 od silnika elektrycznego 6 i
tłoczy wodę przewodem tłocznym 7 z powrotem do zbiornika 1. Na przewodzie tłocznym zamontowany jest manometr
tarczowy 8 i zawór (zasuwa) 9. Do pomiaru strumienia objętości przepływającej wody służą rotametry 10. Pomiaru
strumienia objętości można również dokonać przy pomocy danaidy 11. Na wale silnika elektrycznego prądu stałego
jest zamontowana na stałe prądniczka tachometryczna 12. Do pomiaru mocy silnika stosuje się watomierz 13. Przy
pomocy woltomierza 14 dokonuje się kontroli napięcia.
Do określenia mocy na wale silnika wykorzystuje się wykres (rys. 15) - Pws = f (Pel.wir ) - gdzie: Pws - moc
na wale silnika; Pel.wir.  moc elektryczna w odniesieniu do prądu wirnika.
Całkowita moc elektryczna silnika Pel = Pel.wir + Pwz ; gdzie Pwz jest mocą wzbudzenia
Pwz = (U �" I) = 220 �" 0.32 = 70.4 W
wz
Zależność Pws = f (Pel.wir ) może być podana w postaci gotowego wykresu lub wykreślona w trakcie
rozszerzonego ćwiczenia na podstawie pomiarów hamowania silnika elektrycznego (część ćwiczenia B).
Na wale napędowym silnika elektrycznego zamontowane jest dwustronne sprzęgło kłowe przenoszące napęd
na badaną pompę lub w przypadku wykonywania rozszerzonego zakresu ćwiczenia napędzające hamowany hamulcem
obciążeniowym Prony ego 15 specjalny bęben 17. Po drugiej stronie silnika zamontowana jest wspomniana wcześniej
prądniczka tachometryczna do pomiaru i ustalenia żądanego poziomu prędkości obrotowej pompy.
Uwaga! W trakcie badań pompy sprzęgło kłowe od strony koła ciernego musi być rozłączone.
Rys. 14. Schemat stanowiska pomiarowego
str.13/15
T-16. Badanie pompy wirowej
Rys. 15. Wykres sprawności silnika
6.2. PRZEBIEG POMIARÓW
W ramach ćwiczenia należy:
- Wykorzystując możliwości regulacji obrotów silnika napędowego (prądu stałego) wykreślić charakterystyki
przepływowe H = f (Q) przy trzech różnych prędkościach obrotowych pompy np. 1200, 1100, 1000 obr/min.
- Dokonując równoczesnego pomiaru mocy elektrycznej Pel.wir przy pomocy watomierza i odczytując Pws
z wykresu Pws = f (Pel.wir ), oraz zakładając sprawność przekładni pasowej � = 0.97 wykreślić
pp
charakterystykę mocy na wale pompy P = f (Q) ( P = Pws �"� ).
pp
- Wykorzystując podane zależności zbudować wg wykresów X i Y pomocniczy wykres � = f (Q) i odpowiednio
rzutując punkty charakterystyczne wykreślić krzywą (parabolę) stałej sprawności dla �max(�opt ). Ustalić
optymalne parametry pracy pompy ( Q, H , � ) dla n = 1200 obr/min.
- Na podstawie dokonanych pomiarów i przykładowych wykresów przedstawionych na rys. 10 i 11 określić w
przybliżeniu (ze względu na zbyt małą ilość pomiarów) obszar stosowalności pompy zakładając, że minimalna
sprawność nie może być niższa od �min = 35% , a prędkości obrotowe mają się zawierać w przedziale
1000 d" n d" 1200 obr/min.
Pomiary przy danych obrotach rozpoczyna się od maksymalnego natężenia przepływu (przy całkowicie
otwartym zaworze dławiącym), zwracając uwagę by nie przekroczyć mocy znamionowej silnika i nie stosować
napięcia wyższego niż 220+10% V. Drugim skrajnym przypadkiem jest pomiar przy całkowicie zamkniętym zaworze
( Q = 0 ). Ponadto wykonuje się pomiary dla kilku pośrednich wartości Q.
Wyniki pomiarów należy zapisać w tabeli pomiarowej.
str.14/15
T-16. Badanie pompy wirowej
6.3. OBLICZENIA
2
pt - ps ct2 - cs
Użyteczną wysokość podnoszenia H obliczamy ze wzoru H = + "z + [m] ; gdzie:
� g 2 g
pt , ps - odpowiednio ciśnienia po stronie tłocznej i ssawnej pompy [Pa],
Q Q
ct , cs - odpowiednio średnie prędkości na wejściu i wyjściu pompy [m/s] : ct = , cs =
At As
gdzie: ds - średnica rurociągu ssawnego, ds = 0.066 m, dt - średnica rurociągu tłocznego, dt = 0.053 m, "z - wg
rys. 3, "z = 0.150 m.
Dla ułatwienia w tabeli pomiarów zamiast ciśnień pt i ps uwzględniono ptn i psp odczytane odpowiednio
jako nadciśnienie po stronie tłocznej i podciśnienie po stronie ssawnej, ponieważ pt = pb + ptn , ps = pb - psp ;
zatem pt - ps = (pb + ptn )- (pb - psp) czyli pt - ps = ptn + psp
Uwzględniając powyższe zależność na użyteczną wysokość podnoszenia H obliczamy ze wzoru
2
ptn + psp ct2 cs
-
H = + "z +
� g 2g
gdzie: ptn - zmierzone nadciśnienie cieczy po stronie tłocznej, psp - zmierzone podciśnienie po stronie ssawnej.
Moc użyteczna Pu [kW]: Pu = Q �" H �" � �" g �"10-3 [kW], gdzie: Q jest strumieniem objętości przepływającej
wody w m3/s, � - gęstość pompowanej wody w temperaturze wody ( � E" 998 kg/m3)
Moc na wale pompy P [kW]: P = Pws � , � = 0.97 ; gdzie Pws jest mocą na wale silnika odczytaną
pp pp
z wykresu (rys. Z).
Pu
Sprawność pompy � : � =
P
Zależności pomocnicze
2 2 3
�# ś# �# ś# �# ś#
Q1 n1 H1 n1 Q1 P1 n1
ś# ź# ś# ź# ś# ź#
= = = =
ś#
Q2 n2 H n2 ź# ś# Q2 ź# P2 ś# n2 ź#
2 �# # �# # �# #
7. LITERATURA
1. Praca zbiorowa pod redakcją prof. dr hab. Fodemskiego T.R.: Pomiary cieplne. Część II  Badania cieplne
maszyn i urządzeń. Warszawa, WNT, 2001.
2. Stępniewski M.: Pompy. Warszawa, WNT, 1985.
3. Troskolański A.T., Lazarkiewicz Sz.: Pompy wirowe. Warszawa, WNT,1973
4. PN-85/M-44005. Pompy wirowe. Pomiary wielkości charakterystycznych.
5. PN-86/M-44015. Pompy. Ogólne wymagania i badania.
str.15/15