離心泵水力誘導激振試驗研究

譚林偉 施衛東,2 張德勝 周 嶺 王 川

(1.江蘇大學流體機械工程技術研究中心， 鎮江 212013； 2.南通大學機械工程學院， 南通 226019)

0 引言

離心泵是一種應用最為廣泛的流體輸送設備，在多種領域發揮了重要作用[1]。隨著科技的進步，離心泵不斷向大型化、高速化發展，水力誘導激振力隨之也呈幾何級數增長[2]。BRENNEN等[3-6]系統測試了高速液氧渦輪泵葉輪的水力徑向力，建立了離心泵水力誘導激振力的數學模型。JONKEK等[7]采用有限元法數值計算了離心泵的水力激振力，表明水力激振力是葉輪和蝸殼的幾何形狀、流量以及渦動頻率比的函數。竇唯等[8]、劉占生等[9]采用數值模擬的方法分析了隔舌及不同流量工況對高速離心泵流體激振力的影響，激振力隨隔舌厚度以及流量的增加而增大，并且其主頻是葉片通過隔舌的頻率。

周期性波動的水力誘導激振力導致離心泵振動加劇，該振動即為水力誘導激振，嚴重時甚至導致葉輪口環碰撞或者機組共振，對離心泵的運行穩定性及可靠性造成極大影響。采用數值模擬分析離心泵的振動，其精度還有待進一步提高，目前主要以試驗測試為主，如在泵體或者軸承箱處安裝加速度位移傳感器測量振動信號[10-11]，或者通過電渦流位移傳感器測量軸心軌跡[12-15]，但測量的振動數據包含多種成分，其值并非水力誘導激振。為了準確測試離心泵的水力激振，本文以一臺單葉片離心泵為試驗對象，在泵體靠近口環處安裝兩個垂直分布的電渦流位移傳感器，通過對比葉輪口環在空轉及抽水時的瞬態位移，近似獲得水力誘導葉輪口環的瞬態位移即水力誘導激振。通過分析不同流量工況離心泵水力誘導激振特性，以期為離心泵的穩定運行及在線故障診斷提供參考。

1 測試儀器及系統

1.1 試驗對象

本文以一臺2.2 kW單葉片離心泵為試驗對象，主要設計參數為流量Qd=20 m3/h，揚程H=11 m，轉速n=2 940 r/min。泵的主要幾何參數為：葉輪進口直徑Dj=45 mm，出口直徑D2=125 mm，出口寬度b2=30 mm，葉片包角φ=360°，蝸殼基圓直徑D3=135mm。單葉片離心泵具有極佳的無堵塞性能，廣泛應用于具有長纖維和大顆粒介質的輸送，但其水力誘導激振明顯[16-17]。

1.2 試驗裝置

試驗包括兩部分，即外特性試驗和水力誘導激振試驗，水力誘導激振試驗在外特性試驗基礎上進行。試驗在江蘇大學機械工業排灌機械產品質量監督檢測中心(鎮江)開式試驗臺上進行，測試臺精度為2級,試驗臺如圖1所示。泵揚程的測量是通過測試泵進出口壓力求得，本試驗采用上海威爾泰工業自動化股份有限公司生產的WT2000型智能壓力變送器，在測試泵進、出口2倍管徑處各開一個測壓孔并與壓力變送器相連。流量的測量采用上海自動化儀表九廠生產的渦輪流量計，信號經過放大器輸入到數據采集系統。通過變頻器控制輸入電流頻率來調整泵的轉速。外特性數據采集采用江蘇大學自行設計的泵類產品測試系統。

圖1 試驗臺Fig.1 Experiment setup1.出口閥 2.流量計 3.進口閥 4.出口測壓管 5.進口測壓管 6.單葉片離心泵

水力誘導激振試驗采用非接觸式本特利3300型電渦流位移傳感器測量葉輪口環的瞬態位移，傳感器系統主要由探頭、前置器、延伸電纜、輸出電纜等組成，傳感器系統如圖2所示。前置器是整個傳感器系統的信號處理中心，通過特殊電路感應出探頭的頭部體與頭部體前金屬導體的間隙變化，產生隨間隙線性變化而變化的電壓輸出信號。葉輪轉動相位測試采用霍爾感應器，在葉輪前蓋板嵌入一枚永磁鐵，并在蝸殼壁面加工一個螺紋通孔，測試時將霍爾感應器擰入。霍爾感應器如圖3所示。泵運轉時當永磁鐵掃過霍爾感應器時產生一個脈沖電壓信號。采用華科水力機械綜合測試儀采集水力誘導激振試驗信號，并由配套的軟件進行數據分析。

圖2 本特利3300型電渦流位移傳感器Fig.2 Bentley 3300 eddy current displacement sensor1.前置器 2.延伸電纜 3.探頭 4.輸出電纜

圖3 霍爾感應器和葉輪實物圖Fig.3 Hall sensor and impeller1.葉輪 2.永磁鐵 3.霍爾感應器

2 試驗方法與步驟

外特性試驗測試時保持進口閥全開，通過調節出口閥來改變流量，從關死點到大流量工況共測試不少于13個工況點。通過采集進出口壓力信號、流量、轉速、電動機輸入電流電壓等信號，得到泵的外特性曲線。單葉片離心泵往往采用單級單吸懸臂式結構，在葉輪口環處撓度最大，并且口環表面加工水平較高，形狀誤差小。因此本文采用雙向動態法測量水力誘導激振[18]，兩個垂直布置于泵體同一橫截面上的傳感器分別測量口環表面與探頭端面的相對位置。安裝探頭時應將探頭的安裝間隙設在傳感器的線性中點，本文所使用傳感器測試范圍為距被測靶面0.25～2.3 mm，對應的電壓為-17～-1 V，靈敏度為7.87 V/mm。通過萬用表測量輸出電壓確保圖4中d0為1.2 mm左右。水力誘導激振傳感器安裝實物圖如圖5所示。離心泵運行時引起口環振動原因較為復雜，如轉子質量不平衡、聯軸器不對中、水力誘導激振力等[19-20]。為了準確測量水力誘導口環位移，測試時先測量泵空轉時口環瞬態位移，再測量泵正常抽水時口環的瞬態位移，由于離心泵葉輪為后彎葉片，并且葉片數較少，空轉時抽送空氣做功極小，兩者之差即可近似認為是水力誘導激振。為確保后處理求差時葉輪空轉和抽水時位于同一相位，采用霍爾感應器對葉輪的轉動相位進行測量，并且通過微調變頻器來確保泵在各工況下的轉速一致。

圖4 本特利3300型傳感器安裝示意圖Fig.4 Bentley 3300 sensor installation diagram

圖5 水力誘導激振傳感器安裝實物圖Fig.5 Hydrodynamic induced vibration sensor installation diagram1、2.位移傳感器 3.霍爾感應器

水力誘導激振試驗主要步驟如下：

(1)在外特性試驗完成后拆除進口管路，將位移傳感器和霍爾感應器安裝在泵體上，調整傳感器位置，確保位移傳感器與口環端面的距離位于線限中點附近(1.2 mm)，霍爾感應器與前蓋板永磁鐵距離在2 mm以內。

(2)在華科水力機械綜合測試儀配套軟件上對各傳感器進行率定，設定采樣頻率為3 072 Hz。

(3)開啟電源，調節變頻器使轉速達到額定轉速2 940 r/min，待泵穩定運行后開始錄波，記錄泵空轉30 s傳感器信號。

(4)連接進口管路，將進口閥全開，出口閥關閉。開啟電源，調整出口閥開度，共測量0.2Qd、0.6Qd、Qd和1.4Qd4個工況點，調整閥門的同時觀察轉速的變化微調變頻器，使轉速保持在2 940 r/min左右，待穩定后開始錄波，記錄每個流量工況下30 s傳感器信號。

(5)將上述測試重復3遍，將試驗數據導入后由處理軟件進行分析。

3 試驗結果與分析

3.1 外特性試驗結果

圖6為單葉片離心泵外特性曲線，從圖中可看出單葉片離心泵H-Q曲線為陡降直線，揚程隨流量的減小迅速增加；功率隨流量的增大而顯著增大，但流量達到24 m3/h后功率變得平穩；效率隨流量減小迅速降低，最高效率偏大流量工況運行。

圖6 單葉片離心泵外特性曲線Fig.6 Performance curve of single blade pump

圖7 葉輪空轉時口環位移時域圖、頻域圖Fig.7 Time history and frequency spectrum of displacement of wear ring when pumping air

3.2 泵空轉時葉輪口環瞬態位移

單葉片離心泵由于加工及安裝的原因不可避免存在一定不平衡量，因此首先測量泵空轉的口環振動。圖7為額定轉速下泵空轉時葉輪口環瞬態位移時域圖及頻譜圖 (x、y方向分別對應圖5中傳感器1和傳感器2)。從圖中可看出，泵空轉時x、y方向的波形圖均為周期性的畸變正弦曲線，并且周期重復性極高，表明泵空轉時運行平穩。從頻域圖可看出x、y方向口環位移幅值均在轉頻出現最大值，即口環位移的主頻為葉輪轉頻，這表明泵空轉時口環振動位移的主要原因是質量不平衡、偏心等引起的離心力。

將x、y方向的位移合成一個平面內的運動，即可得到葉輪口環位移軌跡圖。為剔除測試結果包含的噪聲、電磁干擾等高頻信號，采用巴特沃斯低通數字濾波器對原始數據進行低通濾波。由頻譜圖可知葉輪口環瞬態位移幅值主要集中在5fn(fn是轉速n對應的頻率)以內，另一方面由于轉子質量不平衡、偏心、彎曲主要對應工作頻率，不對中易產生2倍頻率振動[19]，因此將截止頻率分別設置為fn、2fn和5fn。圖8為額定轉速葉輪口環位移軌跡圖，從圖中可看出，采用5fn濾波濾掉了毛刺及細微波動，濾波后的口環位移軌跡圖與原始數據基本一致。2fn濾波后的口環位移軌跡圖變得光順，形狀為橢圓形，大小與初始數據差別不大，fn濾波后的口環位移軌跡圖輪廓顯著減小，形狀為標準的橢圓形，表明2倍轉頻對口環位移軌跡影響顯著，轉子系統存在一定量不對中。

圖8 葉輪空轉時口環位移軌跡圖Fig.8 Displacement of impeller wear ring when pumping air

3.3 泵抽水時葉輪口環瞬態位移

圖9 葉輪抽水時口環位移時域圖、頻域圖Fig.9 Time history and frequency spectrum of displacement of wear ring when pumping water

通過泵空轉葉輪口環位移軌跡圖可看出泵安裝良好，適合試驗，接通進口管路，測量泵抽水時葉輪口環的瞬態位移。圖9為泵抽水時額定工況Qd葉輪口環瞬態位移時域圖及頻譜圖。從圖中可看出，泵抽水時口環位移與空轉時相似，x、y方向的波形圖均為周期波動的正弦曲線，由于單葉片離心泵葉輪轉頻與葉片通過頻率(fb)一致，因此抽水時主頻也為葉輪轉頻。單葉片離心泵空轉時轉子不平衡誘導的離心力與流場結構不對稱導致的水力誘導激振力周期一致，均隨葉輪旋轉一圈而波動一個周期，因此抽水時水力誘導激振力將會與轉子不平衡的離心力矢量疊加從而影響口環位移幅值，從圖中可看出抽水時口環位移幅值有所減小，表明水力誘導激振力與轉子不平衡的離心力方向不一致，抵消了部分值。圖10為抽水時葉輪口環位移軌跡圖，從圖中可看出，抽水時口環位移軌跡圖與泵空轉時相似，其形狀也為畸變的橢圓形，重復性良好。但在5fn濾波后口環位移軌跡圖出現了一個明顯突變區域，其可能原因是葉輪與蝸殼隔舌的動靜干涉作用導致了流場結構的突變，誘導了較強的振動。

圖10 葉輪抽水時口環位移軌跡圖Fig.10 Displacement of impeller wear ring when pumping water

3.4 水力誘導激振

圖11 霍爾感應器脈沖信號Fig.11 Pulse signal of Hall sensor

當安裝在葉輪上的永磁鐵掃過霍爾感應器探頭時產生一個脈沖電壓信號，兩個脈沖信號即為葉輪旋轉一個周期。圖11為霍爾感應器脈沖信號圖，脈沖波段表明葉輪出口掃過霍爾感應器探頭。通過霍爾感應器即可獲得葉輪的鍵相位置，同時還可以監測葉輪的動態轉速。定義脈沖信號對應的第1個數據為葉輪旋轉周期的起始時刻，將電渦流位移傳感器在泵抽水與空轉同一時刻的數據求差值即獲得水力誘導葉輪瞬態口環位移。

圖12 水力誘導葉輪口環位移軌跡圖Fig.12 Hydrodynamic radial force induced displacement of impeller wear ring

離心泵由于葉輪、蝸殼的動靜干涉作用以及葉片出口處的射流- 尾跡結構使得流場結構呈非對稱分布并且隨著葉輪的旋轉而周期性改變，從而導致了隨葉輪旋轉而周期變化的水力誘導徑向力。周期變化的水力誘導徑向力作用于葉輪轉子必然導致葉輪產生水力激振。圖12為葉輪在轉速2 940 r/min時不同流量工況的水力誘導葉輪口環位移軌跡圖。從圖中可看出，各流量工況下位移軌跡圖相似，均為畸變的橢圓形，在130°附近位移最大，而在210°～300°之間出現了一個突變區域。對比不同流量可發現，在小流量時最大位移大于其他流量，在0.2Qd即4 m3/h時最大位移達到了1.6 mm，在額定流量及大流量工況最大位移變小。對比泵外特性曲線可發現，小流量工況泵效率明顯降低，此時離心泵內流動惡化，葉輪內流動分離、回流嚴重[21]，并且葉輪出口液流與蝸殼內流體沖擊加劇，流場圓周非對稱性進一步加劇，水力誘導徑向力明顯增大，因此對應的口環位移也最大，而在額定流量及大流量工況，泵內流動情況顯著改善，泵的效率較高，水力誘導徑向力較小，水力誘導激振也明顯減弱。圖13、14分別為葉輪在不同流量工況下的時域圖及頻域圖。從圖中可看出，水力誘導葉輪口環瞬態位移x、y分量均為周期重復的畸變正弦曲線，x方向位移在每個周期內均出現一個副波峰，與壓力脈動的測試波形相似，因此推斷流體的粘性尾跡流導致了該副波峰的出現[22-23]，并且導致了口環位移軌跡圖在210°～300°之間出現了突變。從頻域圖中可看出，水力誘導口環瞬態位移主頻特征明顯，各流量工況下均為49 Hz，與葉頻fb一致，并且倍頻處均出現較大的幅值，x方向位移在98 Hz處出現僅次于主頻的幅值，這與時域圖中的2倍頻副波峰一致。

圖13 水力誘導葉輪口環位移時域圖Fig.13 Time history of hydrodynamic radial force induced displacement of impeller wear ring

圖14 水力誘導葉輪口環位移頻域圖Fig.14 Frequency spectrum of hydrodynamic radial force induced displacement of impeller wear ring

4 結論

(1)單葉片離心泵空轉時葉輪口環瞬態位移波形圖為重復的畸變正弦曲線，主頻為葉輪轉頻，引起振動的主要原因是轉子不平衡引起的離心力，空轉時口環瞬態位移信號基本在5fn以內，2倍轉頻對口環位移軌跡影響明顯。

(2)單葉片離心泵抽水時葉輪口環瞬態位移與空轉時相似，但振幅有所減小，水力激振力平衡了部分離心力。

(3)單葉片離心泵水力誘導激振隨葉輪的旋轉而周期性波動，水力誘導葉輪口環位移軌跡圖為畸變橢圓形，在葉輪旋轉到130°附近振幅最大，由于粘性尾流的影響，在210°～300°之間出現了一個振幅突變區域。

(4)在不同流量工況下，離心泵水力誘導激振主頻均為葉頻(fb)，水力激振隨流量的減小而顯著增強，在額定流量到大流量工況水力誘導激振基本穩定。

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