離心泵口環間隙對外特性和激勵特性的影響

魏云毅，趙存生，崔哲

海軍工程大學 艦船與海洋學院，湖北 武漢 430033

0 引 言

與螺桿泵和齒輪泵相比，離心泵具有體積小、空間設計簡單、輸出流量高等特點，故其在船舶領域的應用較為廣泛。在離心泵長期運轉過程中，葉輪進口處密封環的磨損是其外特性和振動性能發生改變的原因之一。

國內外的研究成果表明，口環間隙的變化將引起容積損失的增減，從而使離心泵的內部流場結構發生變化，并進一步導致離心泵的外特性和激勵特性發生改變。在外特性研究方面，趙萬勇等[1]發現口環間隙變化之后，離心泵內部出現了液體壓力與速度分布不對稱的情況，并在出口處發現了流場變化的極值。在激勵特性研究方面，Lomakin[2]發現間隙流動變化帶來的不僅僅是容積損失，更重要的是間隙力和轉子受力平衡發生了改變。在振動研究方面，Black[3]提出了間隙流動的流固耦合理論，認為間隙變化所帶來的流體力對結構振動產生的影響不容忽視。

1 研究對象

本文以某船用立式安裝的離心泵作為研究對象。由20～1 000 Hz條件下的結構噪聲測試結果可知，經過數年使用之后，該離心泵的結構噪聲升高了10 dB。故障診斷結果表明，相較于標準離心泵的技術參數（表1），其口環磨損非常嚴重，因此，本文將從理論和試驗的角度，分析不同的口環間隙對離心泵外特性和振動性能的影響，用以系統地掌握典型泵的振動特征。

表 1 標準離心泵的技術參數Table 1 Technical parameters of standard centrifugal pump

比 轉 速ns為

根據表1，經計算，ns=104.25，屬于中比轉速。

本文設計了7組口環，其中4號為標準口環，其他組依次增加或減少(0.12±0.02) mm，如表2所示。在本試驗中，每次試驗前后除了更換口環之外，其他參數均保持不變。

表 2 口環間隙參數Table 2 Parameters of wear ring clearance

2 試驗系統

圖1所示為立式安裝離心泵的閉式試驗臺。通過3只YT-580圓筒形橡膠隔振器將離心泵彈性安裝在泵組支架上，每個隔振器包括2個КPM-250橡膠環和4個CU-100橡膠塊，其中彈性元件的性能參數如表3（表中，KPM-250橡膠環的R，Z方向分別表示徑向和軸向，CU-100橡膠塊的Z方向表示垂向）所示，隔振器的性能參數如表4（表中，YT-580圓筒形橡膠隔振器的X，Y方向分別表示橫向和縱向，Z方向表示垂向）所示，隔振元件的結構如圖2和圖3所示（圖中數值單位：mm）。泵體采用三面懸掛式安裝，在進口端以及出口端設置橡膠撓性接管以減弱管路振動的傳遞。選用清水為流體介質，在一個標準大氣壓下進行試驗。除口環間隙參數改變外，在保證其他運行工況不變的前提下，同時對泵揚程、轉速、軸功率和機腳、基座振動進行測量[6]。試驗臺架現有的流量及壓力傳感器、振動傳感器分別安裝于隔振器的上、下端。

圖 1 離心泵的閉式試驗臺Fig.1 Closed circuit test platform of centrifugal pump

表 3 彈性元件的性能參數Table 3 Parameters for elastic component

表 4 隔振器的性能參數Table 4 Parameters for vibration isolator

3 不同口環間隙下的外特性試驗結果

3.1 離心泵的揚程性能對比分析

每次更換密封口環之后，均在穩定工況下進行離心泵的性能測試試驗，其揚程特征數據如表5所示，不同口環間隙下的揚程曲線如圖4所示。根據離心泵的流量-揚程流量公式[7]，其揚程為

式中，ai，m為擬合參數，其中i=0, 1, ···,m。

為了促進土木工程行業的發展，保證各項施工工作的順利進行，需要健全的施工管理機制為各項工作的順利進行提供堅實的基礎，并使工作人員按規范執行工作，推動施工各項工作的順利進行。相較于國外的管理情況，我國在土木工程管理機制方面存在很大的不同，并且我國實際落實度有待提高。因此，還需要結合工程的實際情況吸取國外先進的管理理念，對當前的機制進行優化和完善。此外，還可以建立合作管理機制，將管理工作的職責落實到個人，形成有效的群眾監督機制，保證工程的施工質量。

表 5 不同口環間隙下的揚程特征數據Table 5 Head characteristic datas of different wear ring clearances

圖 4 不同口環間隙下的揚程曲線Fig.4 Head curves of different wear ring clearances

隨著口環間隙的增加，1～7號口環揚程曲線的頂點逐漸向縱坐標零點移動，且揚程-流量曲線的拋物線開口程度隨之變小，離心泵的揚程-流量性能也逐級下降。當口環間隙增加時，葉輪進口處回流的增加將引起容積損失增加，進而導致揚程減少，同時揚程-流量曲線的峰值點流量也逐漸遞減。

在本次試驗中，選取m=2，經計算，回歸直線對觀測值的擬合優度R2均不小于95%。隨著口環間隙的增加，容積泄漏將引起間隙回流有所增加，而回流與主流混合將改變葉輪內部的流體狀態，從而使葉輪出口處的流場速度有所下降，導致離心泵的揚程峰值和揚程性能也隨之降低。在相同的工況點條件下，口環間隙越大，揚程越低；當間隙最小時，揚程最高。

3.2 離心泵的功率對比分析

不同口環間隙下的軸功率數據如表6和圖5所示。隨著離心泵的流量增加，軸功率也近似線性增加。口環間隙將對功率曲線的截距和斜率造成影響，隨著口環間隙的增加，0流量所需的軸功率逐漸升高，而40 m3流量所需的軸功率則逐漸降低，其中0流量條件下所消耗的軸功率主要用于補償因口環間隙回流帶來的容積損失。當口環間隙增加時，在小流量范圍內，由于間隙回流有所增加，所以需要更多的軸功率才能輸出液體，口環間隙越大，其所需要的軸功率越高；在30～40 m3/h流量范圍內（標準工況），回流能量在低壓區與主流的混合作用將降低葉輪因旋轉帶動而產生的內阻，所以高流量范圍內的軸功率將趨于一致，隨著流量增加且口環間隙增加時，其所需要的軸功率越低。

表 6 不同口環間隙下的功率數據Table 6 Power data of different wear ring clearances

圖 5 不同口環間隙下的功率曲線Fig.5 Power curves of different wear ring clearances

3.3 離心泵效率對比分析

離心泵的效率計算公式為：

式中：η為泵的效率；ρ為泵輸送液體的密度；g為重力加速度；P為軸功率。

根據測試結果，離心泵的效率性能曲線如圖6所示。隨著離心泵流量的增加，其效率先升高后降低；隨著口環間隙的增加，離心泵的效率隨之降低，即效率-流量曲線逐級向下移動。

4 不同口環間隙下的振動響應結果

4.1 小波包分析

圖 6 不同口環間隙下的效率曲線Fig.6 Efficiency curves of different wear ring clearances

將所采集的振動信號輸入LMS采集儀，然后導入計算機并利用Matlab對時域信號加漢寧窗進行數據處理，用以分析離心泵功率隨頻率的變化關系（下文簡稱“功率譜”）。本文的試驗采樣頻率fs=25 600 Hz，對信號進行小波包分析時[8]，選擇db6（Matlab中小波分解重構的一種代碼）小波基進行N=4層小波包分解。根據小波包的計算公式[9]：

式中：f為每層小波包的頻帶寬度；N為小波分解層數。經計算，f=800 Hz，所以下文將對0～800 Hz頻帶段的功率譜進行詳細分析。

4.2 中、低頻結構振動性能

圖7所示為不同口環間隙下的測點功率譜對比結果。由圖7可知，隨著間隙回流的增加，測點在20，30，50，210 Hz頻率處出現了特征振動峰。根據固有頻率公式以及離心泵的質量和剛度系數，得出20 Hz為固有頻率對應的振動譜峰，50 Hz為轉頻和電流頻率對應的混合峰，50 Hz為軸頻振動峰。隨著口環間隙的增加，20，30，210 Hz處的線譜強度變化較小，而50 Hz軸頻的波動較大。在300～500 Hz的流體振動頻率段，振動能量強度是先增加后減小，且高頻區的能量幅值整體較高[10]。

圖 7 測點功率譜Fig.7 The power spectrum of sensor point

圖8所示為測點的特征譜峰信息。可以看出，隨著口環間隙的增加，50 Hz對應的線譜在1～3號口環間隙下的振動能量強度逐級下降，并在4～5號口環處達到最小值，在6～7號口環處則逐漸升高。

本文試驗所采用的離心泵為雙吸泵，具有揚程高、流量大等特點，所以其工程應用較為廣泛。這種泵型的特點如下：其葉輪實際上由2個背靠背的葉輪組合而成，從葉輪流出的水流最終匯入一個蝸殼中；它相當于2個相同直徑的單吸葉輪同時工作，所以在同樣的葉輪外徑下，其流量可以增加一倍；其葉輪結構對稱，沒有軸向力，運行較為平穩。

在本文試驗中，1～7號口環均為上/下口環間隙同增同減，其軸向力的影響可以忽略不計。然而，當離心泵過負荷或負荷不足時，蝸殼式泵腔內產生的作用于葉輪上的橫向力將與葉輪出口處揚程成一定比例，所以橫向力對高揚程的單級葉輪泵的影響很大[11]。

4.3 高頻結構振動性能

根據理論研究結果，葉輪口環間隙對泵腔內流體的流動影響較大，隨著間隙值的增加，流體低壓區將逐漸向蝸室反向擴散，且流體速度也隨之增加。由圖7可知，在300～500 Hz處出現了350 Hz葉頻譜峰，由于1號口環條件下的摩擦力成分突出，所以從1號到2號口環的葉頻處峰值呈下降趨勢；4號標準口環條件下的功率譜峰值最大。在500 Hz以上的更高頻段，隨著口環間隙的增加，回流能量逐漸提高，線譜隨之變寬，而能量強度則相應降低[12]。

5 結 論

本文通過搭建離心泵的外特性和激勵特性一體化試驗平臺，測量了泵體測點的振動信號功率譜，經分析，口環間隙對離心泵性能的影響具體如下：

1） 離心泵揚程和效率受口環間隙變化的影響較大，當間隙增加時，離心泵的揚程和效率隨之下降；間隙變化對額定流量下的軸功率影響較小。

2） 對于單級雙吸式離心泵，口環間隙對離心泵橫向力的影響較大，并將進一步影響離心泵的軸頻振動強度。

3） 離心泵的高頻結構振動也受口環間隙變化的影響，當口環間隙增加時，回流將使離心泵的流體脈動有所增強，進而導致振動能量向高頻處逐漸集中。