礦井排水系統(tǒng)離心泵葉片包角對其工作特性的影響研究

李日鵬

（山煤集團河曲舊縣露天煤業(yè)有限公司，山西 忻州 036500）

引言

礦井排水系統(tǒng)是煤礦井下重要的機械設(shè)備系統(tǒng)，主要用于將煤礦井下的積水排出巷道，確保煤礦井下綜采作業(yè)的安全性。作為礦井排水系統(tǒng)的核心，離心泵通過高速的旋轉(zhuǎn)將機械能轉(zhuǎn)換為水流的動能，實現(xiàn)排水作業(yè)。因其結(jié)構(gòu)特性，離心泵在高速工作中存在著空化振動和噪聲問題，嚴重影響了礦井排水系統(tǒng)工作時的穩(wěn)定性和排水效率[1]。對以上異常進行優(yōu)化的主要方案是通過進行水力優(yōu)化來降低空化振動和噪聲，但目前為止對水力優(yōu)化方案的研究尚處在較淺的階段，無法有效投入應(yīng)用，在研究過程中人們發(fā)現(xiàn)離心泵的葉片包角與水泵工作時的振動和噪聲具有一定的關(guān)系，因此本文以某型離心式排水泵為對象，以試驗驗證為基礎(chǔ)，對不同葉片包角情況下水泵工作時的振動、噪聲進行研究，為提升礦井排水系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和可靠性奠定基礎(chǔ)。

1 試驗測試系統(tǒng)設(shè)置

本文主要是對離心泵工作時的振動和噪聲情況進行監(jiān)測，因此建立了工程流體機械性能測試試驗平臺，該試驗平臺可用于模擬離心泵在不同工況下工作的試驗性能狀態(tài)。在該試驗系統(tǒng)中用于模擬單級離心泵，其工作時的額定流量為50m3/h，其揚程為35m，工作時的額定轉(zhuǎn)速約為2 700 r/min，其葉片包角為115°，葉輪進口位置的直徑是70mm，出口位置的直徑約為170mm，為了充分驗證離心泵葉片包角對離心泵的空化誘導(dǎo)振動噪聲的影響，在進行試驗時保證泵體的其他幾何參數(shù)不變，試驗狀態(tài)一致，分別對包角為110°、115°、120°、125°情況下葉輪的工作狀態(tài)進行研究，試驗葉輪結(jié)構(gòu)如圖1所示[2]。

圖1 離心泵葉輪結(jié)構(gòu)三維模型

試驗時對測點位置的選擇直接關(guān)系到所測試驗數(shù)據(jù)的準確性，因此在進行試驗傳感器設(shè)置時，經(jīng)過多次的驗證，將其設(shè)置在進出口法蘭、泵體相互垂直的位置及離心泵的腳上，其中位于泵腳位置的傳感器用于給離心泵整體的振動信號提供意見參考基礎(chǔ)，各個傳感器的安裝位置如圖2所示。

圖2 各監(jiān)測點位置示意圖

水聽器采用平齊式的方式安裝在離心泵的側(cè)壁上，用于監(jiān)測離心泵內(nèi)流體流動的噪聲，各個水聽器的測點布置在試驗泵出口管路距離出口約4倍的直徑位置，在水聽器和出口閥門之間設(shè)置一層橡膠法蘭，用于消除閥門處的反射影響，同時為了降低離心泵工作時管路振動對于噪聲和振動監(jiān)測精度的影響，在離心泵的出口處增加橡膠管處，并且在離心泵的底座處設(shè)置彈性支腳[3]。

2 試驗結(jié)果分析

軸流泵在不同葉片包角情況下的空化性能曲線如下頁圖3所示。

圖3 不同包角下的空化性能曲線

由圖3可知，離心泵的葉片包角φ越大離心泵工作時的揚程則越低，但離心泵在工作時的必須空化余量變化趨于復(fù)雜，分析為葉片包角增加時離心泵內(nèi)部的流體在流體的過程中更加平穩(wěn)，但當(dāng)包角增加到一定程度后會導(dǎo)致水力損失增加，因此當(dāng)離心泵葉片的包角φ=115°的情況下其具有最佳的空化性能。

在研究離心泵的振動信號時，為了便于采集數(shù)據(jù)，可以采用傳感器接收到的振動信號的均值方根來表示系統(tǒng)工作時振動量的大小，可表示為[4]：

式中：T為振動能量的大小；N為接收到的數(shù)據(jù)信號的個數(shù)；Xk為系統(tǒng)振動信號的測量值。

不同葉片包角情況下各個監(jiān)測點的振動強度的大小和系統(tǒng)空化余量的對應(yīng)關(guān)系曲線如圖4所示。

圖4 不同包角下各測定的振動強度變化曲線

由分析結(jié)果可知，在不同包角下各監(jiān)測點所測得的離心泵工作時的振動變化規(guī)律均呈現(xiàn)了先逐漸降低，然后再基本維持不變，這充分說明了在工作中當(dāng)離心泵在空化之前，其振動強度是基本穩(wěn)定的，當(dāng)發(fā)生空化后，空化余量越小，說明其工作時空泡破裂越多，振動就越大。離心泵工作時的包角越小其工作時的振動強度就越小，包角越大其工作時的振動強度就越大。

3 葉片包角對離心泵工作噪聲的影響

在離心泵的額定工況下，分別對無空化工況、揚程下降3%兩種工況下的噪聲特性進行研究，所測得在兩種工況下的噪聲頻譜如圖5所示。

圖5 不同工況下噪聲頻譜

由分析可知，當(dāng)離心泵在無空化狀態(tài)下工作時，葉片包角越大，工作時的軸頻能量的最大值越小，當(dāng)葉片包角為110°時其峰值能量最大，當(dāng)離心泵處于揚程下降3%工況時，工作時的軸頻能量則隨著葉片包角的增加先逐漸增大然后再降低，當(dāng)包角在125°情況下試驗泵的能量峰值顯著增大，其在頻率為1 800～2 200 Hz的頻段內(nèi)，其噪聲受到系統(tǒng)空化影響最為顯著，能量的最大值隨著空化程度的加大而先變大后變小。

4 結(jié)論

1）離心泵的葉片包角越大離心泵工作時的揚程則逐步降低，但離心泵在工作時的必須空化余量變化趨于復(fù)雜，當(dāng)離心泵的葉片的包角為115°的情況下其具有最佳的空化性能。

2）離心泵在工作中當(dāng)在空化之前，其振動強度是基本穩(wěn)定的，當(dāng)發(fā)生空化后，空化余量越小，說明其工作時空泡破裂越多，振動就越大。離心泵工作時的包角越小其工作時的振動強度就越小，包角越大其工作時的振動強度就越大。

3）當(dāng)包角在125°情況下試驗泵的能量峰值顯著增大，其在頻率為1 800～2 200 Hz的頻段內(nèi)，其噪聲受到系統(tǒng)空化影響最為顯著，能量的最大值隨著空化程度的加大而先變大后變小。