多級離心泵葉輪口環磨損監測方法研究

馬 波 朱 俊 張 明

北京化工大學，北京，100029

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多級離心泵葉輪口環磨損監測方法研究

馬 波 朱 俊 張 明

北京化工大學，北京，100029

采用計算流體動力學理論對多級離心泵整機流場進行了建模,分析了多級離心泵口環間隙對整機流場的影響,得到了多級離心泵效率隨口環磨損變化的曲線,引入了軸向振動指標,將效率與軸向振動相結合,提出一種口環磨損量實時監測評估方法。建立了多級離心泵實驗臺,將實驗結果與模擬結果相對比,驗證了所提出方法的可行性。通過實驗分析了口環磨損故障與葉輪腐蝕以及堵塞故障的特點,排除了葉輪腐蝕及堵塞對口環磨損實時監測的影響,完善了所提出方法。

多級離心泵；口環；磨損；計算流體動力學；可監測性

0 引言

口環作為多級離心泵密封的重要組件，在運行過程中的磨損是不可避免的。工程應用中，對離心泵口環密封的維修采用定期更換的模式。不同離心泵口環的劣化速率不一樣，采用定期更換的辦法會導致維修過剩或降低生產效率，所以實時監測口環的磨損狀況尤其重要[1]。

目前對離心泵口環的研究多集中在對密封結構與性能的優化、口環間隙對轉子及口環動力學特性的影響、口環間隙對離心泵整機流場性能的影響等方面[2-4]。對離心泵監測分析的研究多集中于滾動軸承、汽蝕故障等方面[5-7]。對口環磨損量實時監測的研究則十分鮮見。

隨著數值計算方法的日趨成熟以及基于計算流體動力學(computational fluid dynamics，CFD)商業軟件的出現，利用CFD對離心泵進行模擬與研究具有可行性。文獻[8]采用CFD分析離心泵壓力分布與速度分布，對離心泵結構進行了優化。文獻[9]對離心泵關鍵結構如葉頂間隙、側壁間隙進行計算，分析其對離心泵性能的影響等。這些研究中，口環間隙比較小且該處流動比較復雜，因此CFD模擬常常忽略口環間隙，導致研究無法考慮口環對離心泵的影響。隨著硬件技術的發展，計算機的計算能力大大提升，針對離心泵整機性能的研究開始考慮口環間隙的存在，使分析口環間隙對離心泵整機流場的影響成為可能。趙偉國等[10]利用CFD模擬不同口環間隙對離心泵流場分布的影響，分析了口環間隙對離心泵各性能參數的影響。

本文利用CFD對離心泵進行流場建模，研究分析不同口環間隙下的效率、軸向力等參數的變化規律，建立多級離心泵效率以及軸向力隨口環磨損的變化曲線，提出一種基于多參數融合的口環磨損量實時監測評價方法。深入分析了受力不平衡、葉輪流道腐蝕、堵塞故障等對口環磨損量監測的影響，使得對口環磨損量的監測更加準確，解決了實際工程中葉輪口環磨損情況無法實時監測的問題。

1 基于CFD的口環可監測性分析

1.1 CFD理論

構成CFD理論的基礎為質量守恒、動量守恒和能量守恒三大定律，使用三大定律從數學角度描述流體系統的運動，構成了包含連續性方程、動量方程、能量方程的流體動力學基本方程組——Navier-Stokes方程組(N-S方程組)。對機泵流場進行分析時可以不考慮流場能量變化[10]，因此忽略能量方程，N-S方程組可表現為以下形式：

連續性方程

(1)

福克納是一位思想復雜的作家，他在作品中揭露了美國南方深刻的社會矛盾，譴責奴隸制度的殘余勢力，同情下層勞動人民的苦難境遇；但也往往充滿著對生活失望后的變態心理和精神恐怖癥的描寫。他還以奧地利心理學家弗洛依德的精神分析學說為依據，采用“意識流”的創作手法，企圖通過時序的顛倒、敘述角度的變動和對人物潛在意識活動的推測等來加強作品的藝術效果。這些非現實主義的創作方法對后來的美國文學的發展和演變帶來了極大的影響。

(2)

式中，ρ為流體的密度；u為流體流速；μe為湍流黏性系數；下標i，j=x,y，表示x方向和y方向。

動量方程

對多級離心泵流場的湍流運動分析采用標準k-ε雙方程湍流模型。標準k-ε模型引入了湍流耗散率ε，能更加真實地描述流動的物理過程。

1.2 多級離心泵流場建模

多級離心泵主要過流部件由入口、吸水室、口環間隙、葉輪、壓水室和出口組成。為了分析離心泵整機性能與口環不同間隙之間的規律，需建立多級離心泵整機流場的模型，圖1所示為整體建模步驟。本文以7級剖分式離心泵為對象建立模型，該離心泵的1～3級與4～7級的入口方向相反，每個葉輪包含5個葉片。入口直徑為150 mm，出口直徑為80 mm，口環原始間隙為0.25 mm，如圖2所示。

圖2 多級離心泵整機流道模型

圖3 口環間隙流場模型

口環間隙流場模型如圖3所示。為了提高分析精度，對不同的部件采用不同的網格尺寸，以便得到更高的網格質量。采用2 mm網格對尺寸較大的吸水室、壓水室、葉輪等部件進行網格劃分，采用0.5 mm網格對口環間隙流場進行網格劃分。

1.3 口環間隙對性能參數和軸向力影響的建模分析

通過建立不同口環間隙尺寸的多級離心泵流場模型，計算不同模型的性能參數與軸向力大小，得到口環間隙對性能參數與軸向力大小的影響曲線。根據分析需要，設計了3種不同口環間隙尺寸進行建模，口環間隙及分析后的性能參數如表1所示。

表1 性能參數

根據多級離心泵揚程H、功率PN、有效功率PNe、效率η：

(3)

PN=πnTy/30

(4)

PNe=qmHg

(5)

η=PNe/PN

(6)

式中，vo、vi分別為離心泵的出口速度和進口速度；po、pi分別為離心泵的出口壓力和進口壓力；n為泵的轉速；Ty為作用在葉輪上繞y軸的扭矩；qm為質量流量。

3.4.2 直流電源自身具有完善的蓄電池管理功能，可對蓄電池進行充放電管理，能有效延長蓄電池使用壽命，減少站點蓄電池投資和維護費用。

利用折線將各工況點連接，所得曲線如圖5所示，隨著口環間隙的增大，口環密封泄漏量的增加，導致葉輪前蓋板流場分布變化，使得多級離心泵軸向力隨之下降。口環磨損為0.9 mm時，軸向力下降率達10.7%，口環磨損對軸向力影響較明顯。

將0.25 mm、0.40 mm、0.55 mm、0.95 mm口環間隙下模擬的效率變化值采用二次多項式進行擬合：

y=0.1431x2-0.2609x+0.7768

決定系數R2計算公式如下：

高血壓腦出血是高血壓的一種嚴重并發癥，具有發病急、病情進展快、病情嚴重的特點，其致殘、致死率均十分高。高血壓腦出血患者顱內出現血腫之后，可能導致周圍組織出現微循環障礙，引發缺血現象，同時血腫部位產生的凝血酶、炎癥因子等物質會引起繼發性腦水腫，機體產生的其他神經毒素也會使病情進一步加重[5-6]。因此臨床治療高血壓腦出血時，將顱內壓有效降低，切除血腫，預防腦疝，促進腦組織恢復，是改善患者病情、提高預后效果的關鍵。

(7)

1.3.1 口環磨損與效率變化之間的規律分析

2.1.2 口環磨損實驗

圖4 效率隨口環磨損變化曲線

1.3.2 口環磨損與軸向力變化的規律分析

1.2.3 Sanger驗證 利用Primer軟件對目標位點進行特異引物設計（正向引物序列5，-GAGACTCCCA CTTCTCATACTCATAAAGGGGTGT-3’反向引物序列 5’ -GTCTTTGTCCTCTTTTTCGGCTTTTTC-3’）（引物由華大基因股份有限公司合成），對該患兒基因組DNA進行目標位點及上下游區域進行擴增；擴增產物采用天根通用DNA純化試劑盒進行純化；純化產物用Beckman 8000型DNA測序儀進行測序；測序結果與基因庫的ERCC6基因參考序列 (NC-000010.10)進行比對，進一步確認核苷酸變異信息。

建立了如圖7所示的多級離心泵故障模擬試驗臺。 多級離心泵為7級剖分式離心泵，由電機驅動，轉速為2980 r/min，介質為水。驅動端軸承為深溝球軸承，軸承箱上安裝水平、垂直、軸向加速度傳感器。采用的加速度傳感器靈敏度為100 mV/g，采樣頻率為25.6 kHz，采樣點數為16 384。非驅動端軸承為角接觸球軸承，用以平衡軸向力。軸承箱上同樣安裝水平、垂直、軸向加速度傳感器。在各軸承箱的軸承端蓋上安裝電渦流傳感器測量轉子位移振動，采用的電渦流傳感器靈敏度為4 V/mm，采樣頻率為5120 Hz，采樣點數為2048。在多級離心泵入口和出口安裝壓力變送器和流量變送器測量進出口的壓力與流量，計算得到多級離心泵的實時有效功率。由于直接測量多級離心泵葉輪扭矩較復雜，因此引入電機電流、電壓來計算軸功率：

F=∑F1+∑F2+∑F′

(8)

式中，F為軸向力；∑F1為前蓋板受力矢量和；∑F2為后蓋板受力矢量和；∑F′為葉輪入口沖擊力矢量和。

觀察兩組患者術后6h、術后12h、術后24h、術后72h認知功能障礙發生率,通過MMES(簡易精神狀況檢測量表)評估患者術后認知情況,滿分為30分,若患者低于23分,則為認知功能出現障礙。

上臺說題的學生一開始的時候往往很緊張，他們的眼睛總是會不自覺地盯著看老師的反應，卻忽視其他學生，所謂的說題往往會演變成說給教師一個人聽。這個時候，需要教師從旁邊及時給予指導，最好一方面采用幽默的語言緩解“小先生”緊張的心態，另一方面要告訴其他學生，每一個人上臺都會緊張，要懂得尊重別人，認真傾聽，只有這樣，下一次輪到你上臺時，才有可能得到別人的尊重。

計算出不同口環間隙下多級離心泵的效率。

圖5 軸向力隨口環磨損變化圖

1.4 口環磨損監測分析方法

由圖4、圖5可知：當口環磨損導致口環間隙尺寸增大時，多級離心泵效率與軸向力均隨之減小，因此采用多級離心泵效率與軸向力參數評估口環磨損量。工程應用中，軸向力無法直接測量，但軸向力的變化可反映在多級離心泵軸向振動上，所以采用多級離心泵效率與軸向振動變化指標來對口環磨損量進行實時監測評估，監測方法如圖6所示。

圖6 口環監測方法示意圖

從圖6可以看出，可通過CFD分析計算效率隨口環磨損的變化曲線，利用可監測參數(進出口壓力、速度、電機電壓、電流)計算多級離心泵效率，結合軸向振動和徑向振動趨勢計算口環磨損量。

2 口環磨損監測方法的驗證

為驗證所提出方法的可行性，設計建立了多級離心泵故障模擬試驗臺。該試驗臺可以模擬口環磨損、葉輪腐蝕、斷裂、堵塞、滾動軸承不對中、基座松動等故障。

茶是我國重要的葉用經濟作物，茶中類胡蘿卜素同其它高等植物一樣具有多種生理功能，在其正常生命活動中扮演著極其重要的角色。葉片中類胡蘿卜素對茶葉的色澤、香氣等方面有著重要作用，與制茶品質息息相關，同時類胡蘿卜素也是茶葉中一類重要的生物活性成分，具有眾多的生理藥理功能。因此，對茶中類胡蘿卜素的研究具有重要的理論意義和應用前景。同時，隨著茶基因組測序完成，生物工程技術在茶樹上應用逐漸成熟，茶類胡蘿卜素的研究應用將邁上一個嶄新的臺階。

2.1 試驗臺裝置及口環磨損實驗

一般來說，我會把日常生活安排得很愜意：早上6點在我最喜歡的咖啡館喝一杯拿鐵，和助手見面，回復郵件。上午10點左右去游泳，吃一頓早午飯，小睡一會兒，然后就去拍照。晚上和朋友在河邊抽著雪茄結束一天的生活。

2.1.1 試驗臺介紹及軸功率測量方法

口環密封流場所連接的流場為葉輪前蓋板側隙流場。口環磨損導致口環間隙增大，使得葉輪前蓋板側隙流場泄漏增加，壓力分布改變，導致前后蓋板壓差改變，影響多級離心泵軸向力。軸向力的計算公式為

(9)

式中， U為線電壓；I為線電流；cosα為功率因數；Δ為電機效率。

圖7 多級離心泵試驗臺概貌圖

由式(7)可計算出擬合曲線決定系數R2=0.9989，非常接近于1，故效率隨口環磨損變化曲線符合所擬合的二次多項式，擬合結果如圖4所示。隨著口環間隙的增大，多級離心泵效率下降且下降趨勢逐漸變緩。

實驗所用離心泵間隙密封正常間隙為0.25 mm，同時，通過加工去除殼靜密封環內表面0.3 mm、0.7 mm來模擬口環間隙為0.55 mm和0.95 mm的工況。安裝不同間隙的口環部件，分別測量多級離心泵各監測參數值，計算得到不同口環間隙下的效率與軸向振動，如圖8、圖9所示。

圖8 不同口環間隙效率趨勢圖

圖9 不同口環間隙軸向振動趨勢圖

2.2 口環磨損實驗結果及分析

不同口環間隙尺寸下的效率與軸向振動加速度如表2所示。根據不同口環間隙實驗的效率，繪制出效率隨口環間隙變化的曲線。由于效率隨口環磨損變化曲線比較符合二次多項式，故對實驗值采用二次多項式進行擬合，擬合曲線如圖10所示。

表2 不同口環間隙尺寸效率與軸向振動加速度

圖10 實驗與模擬效率曲線對比圖

軸向力通過非驅動端的角接觸球軸承平衡，故軸向力的變化會反映在非驅動端軸承軸向測點振動加速度的峰值上。由不同口環間隙下的非驅動端軸承軸向測點加速度的峰值可知，隨著口環間隙的增大，軸向加速度的峰值隨之減小。

由口環磨損實驗結果可以看出，模擬結果與實驗結果相近，基于CFD分析的效率及軸向力隨口環磨損變化模擬結果符合要求。利用效率與軸向力診斷口環磨損故障，利用效率隨口環磨損曲線以及實時監測到的多級離心泵效率參數反推口環磨損量，從而得到口環的磨損情況，實現口環磨損實時監測。

(1)企業應加強誠信建設，勇擔企業社會責任，樹立良好的企業形象。通過增強企業實力，為獲得良好的融資提供堅實的基礎，拓寬融資途徑，吸引直接融資，如利用企業債券、基金等，實現多渠道的融資，特別要善于利用好民間資本，既減少社會上的閑置資金，又支持了旅游業的發展。

2.3 故障區分試驗及方法研究

效率是診斷口環磨損故障的重要指標，實際工程應用中，影響多級離心泵效率的因素除了口環磨損，還包括葉輪腐蝕、葉輪堵塞。為排除葉輪腐蝕與葉輪堵塞的影響，本文進行了葉輪腐蝕與堵塞故障模擬試驗。

2.3.1 葉輪腐蝕試驗

如圖11所示，在葉輪葉片上制造腐蝕坑，模擬葉輪流道腐蝕故障。將葉輪腐蝕故障下的多級離心泵效率和徑向振動位移與正常工況下的值進行比較，結果如圖12所示，發現葉輪輕微腐蝕對多級離心泵效率影響有限，試驗中的腐蝕程度還不能對效率造成影響。但在這種腐蝕程度下，腐蝕造成的不平衡使得徑向振動位移有所增大。

會計電算化課程現有的評價方式，以總結性評價為主。這種評價方式，雖能夠在一定程度上反映學生的學習狀況[4]，但卻無法反映學生的學習態度，以及日常知識掌握水平。形成性評價，屬于教學評價方式中較為新穎的一種。由教師借助互聯網，為學生的日常學習態度、作業完成情況進行評分，能夠使學生的學習質量更加全面的體現在教學評價結果之中。將形成性評價與總結性評價相結合，將會為學生日常學習積極性的提高，起到一定的推動作用。

圖12 葉輪腐蝕與正常工況徑向振動趨勢對比圖

2.3.2 葉片斷裂試驗

葉片腐蝕發展到嚴重的時候就會產生葉片斷裂，如圖13所示，在葉片入口處割掉一塊葉片，模擬葉片斷裂故障。將葉片斷裂故障下的效率、振動位移與正常工況以及葉片腐蝕故障下的效率、振動位移進行對比。從圖14可以看出，葉輪葉片斷裂時，較正常工況效率下降較小，但徑向振動位移比葉片輕微腐蝕時的還大。

吸引一批文化工作者、黃河文化演藝人員、手工藝者扎根黃河景區，提升景區文化活力；吸引旅游經營和管理類人才、創新型人才進行旅游創業，完善本地居民參與黃河全域旅游的發展機制；培養一批景區專業講解人員；目的地建設還要本著全域生態優先的原則，保護旅游生態環境，推動全域旅游可持續發展。

圖13 葉片斷裂故障模擬

圖14 葉片斷裂、腐蝕與正常工況徑向振動趨勢對比圖

圖15 葉輪堵塞故障模擬

圖16 葉輪堵塞與正常工況徑向振動趨勢對比圖

2.3.3 葉輪堵塞試驗

如圖15所示，利用布條堵塞模擬葉輪堵塞故障，測量多級離心泵在堵塞故障下的效率與徑向振動位移。從圖16可以看出，葉輪在堵塞故障時，徑向振動位移大幅度上升。

一春詩社苦拘束，恨不快挹西山鬟。 偶從勝寺歷圖卷，青松紅杏田盤間。 適來陳侯選春話，院有古木青孱顏。 丁香一樹紀遺跡，寸碣未立枝空攀。 海棠方盛插檐隙，花茵坐擬神仙班。 ……相思三五隔城闕，玉珂聽罷鳴銅鐶。 天風吹墮衍波紙，故人常望明河灣。[9]

2.3.4 結果分析與區分方法

（二）新課改下的小學科學課程有更強的趣味性，實用性與靈活性。為能更好激起學生愛科學、學科學的學習自動性，使他們在運用所學技能解決實際問題的學習過程中，鍛煉探索創新的思維能力。新的小學科學課程內容更貼近日常生活，符合小學生需要和興趣的科學內容。另外引導并提倡教師采用利于發展小學生研究能力的靈活多變的教學模式，使學生能在情感，知識，能力三方面全方位發展。

各工況效率如表3所示，可以看出，葉輪腐蝕與葉輪堵塞除了影響多級離心泵效率，還使得多級離心泵轉子不平衡量增大，導致徑向振動位移的幅值上升。葉輪腐蝕較輕微時，對效率影響較小，但對徑向振動的影響很大，因此葉輪腐蝕程度在不平衡指標上的反映要強于在效率指標上的反映。故在診斷多級離心泵口環磨損故障時，可引入徑向振動位移，排除葉輪腐蝕與葉輪堵塞故障的影響，使口環磨損故障診斷及實時監測口環磨損量的準確性更高，監測方法流程如圖17所示。

表3 各工況效率對比

圖17 口環磨損監測方法流程圖

3 結論

(1)本文利用CFD理論對多級離心泵進行了整機建模，計算不同口環間隙下多級離心泵的效率和軸向力，建立效率及軸向力隨口環磨損變化的曲線。建立了多級離心泵故障模擬試驗臺，驗證了效率隨口環磨損變化曲線的可靠性。軸向力變化體現在軸向振動，通過測量不同口環間隙下軸向振動的大小，驗證了通過軸向振動診斷口環磨損的可行性，提出了一種基于效率與軸向振動的監測方法。根據口環磨損變化曲線反推口環磨損狀況，實現口環磨損量的實時監測。

(2)葉輪腐蝕與堵塞都會引起性能效率下降，本文通過試驗驗證了葉輪腐蝕與葉輪堵塞對效率和轉子徑向振動位移的影響，通過徑向振動位移可區分葉輪腐蝕、堵塞與口環磨損故障，提高了口環磨損故障診斷及磨損量實時監測的準確性。

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(編輯 張 洋)

Monitoring Method Analysis of Multistage Centrifugal Pump Seal Ring Wear

Ma Bo Zhu Jun Zhang Ming

Beijing University of Chemical Technology, Beijing, 100029

A flow field model of multi-stage centrifugal pump was created to analyes the effects of multi-stage centrifugal pump seal ring gap on the flow field based on CFD theory, and a curve of centrifugal pump efficiency with the wear of the seal ring was established. A method of monitoring and assessing seal ring wear was proposed based on the centrifugal pump efficiency and the axial vibration. A multi-stage centrifugal pump test bench was established, the feasibility of the proposed method was verified with the comparison of experiments and simulations. Characteristics of ring wear, corrosion, and impeller blockage were analyzed by experiments. The method was improved by excluding the effects of impeller corrosion and blockage on seal ring wear monitor.

multistage centrifugal pump；seal ring；wear；computational fluid dynamics (CFD)；monitoring

2015-09-11

國家高技術研究發展計劃(863計劃)資助項目(2014AA041806)；國家自然科學基金資助項目(51305020)

TH165.3；O241

10.3969/j.issn.1004-132X.2016.21.012

馬 波，男，1977年生。北京化工大學機電工程學院副研究員。主要研究方向為設備故障診斷機理與診斷方法智能化。發表論文27篇。朱 俊，男，1991年生。北京化工大學機電工程學院碩士研究生。張 明，男，1988年生。北京化工大學機電工程學院博士研究生。