柔性物纏繞對雙吸式離心泵壓力脈動特性的影響

李建宏，溫鴻浦，王志遠

（1.寧夏鹽環定揚水管理處，寧夏吳忠751100；2.寧夏灌排服務中心，銀川750004；3.武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢430072）

0 引 言

寧夏回族自治區地處我國西北部黃河中上游地區，全區跨暖溫帶半濕潤區至溫帶干旱區3 個氣候區，其中3/4 屬干旱、半干旱區域，總體特征是干旱少雨，蒸發強烈，綜合水資源僅9.49億m3，是全國水資源最少的省區。寧夏是全國4大灌區和12個重點商品糧基地之一，因此，修建泵站工程，提水上山，扶貧解困成為歷史的必然選擇。自1975年，國家投入巨資在寧夏修建了一大批高揚程提灌泵站，為促進寧夏貧困地區工農業生產，解決邊遠山區人畜飲水，改善生態環境，維護民族團結、社會穩定等方面做出了歷史性貢獻。目前，寧夏的主要的引黃泵站工程有：鹽環定揚水工程、固海揚水工程、南山臺揚水工程、扁擔溝揚水工程、甘城子揚水工程、月牙湖揚水工程、寧夏扶貧揚黃灌溉工程等。雙吸式離心泵由于其流量大、揚程高的特點而被廣泛應用于引黃泵站中［1］。水泵在運行過程中，經常遇到被水中的雜草、塑料袋等柔性污物纏堵［2］，影響水泵的穩定性，引起振動加劇，嚴重時將危及水泵機組安全。

柔性污物由于其具有柔軟性，很容易通過進水管進入泵室內，隨水泵的旋轉而纏繞在泵軸或葉片上，從而阻礙水泵的過流能力，同時造成泵內水流流態的不均勻分布，使水泵的壓力脈動發生變化。近年來，相關學者對離心泵的水力激振源進行了研究，得到動靜干涉效應產生的壓力脈動頻率通常為葉頻及其倍頻［3-6］。劉陽等［7］對離心泵壓力脈動進行了較為全面的闡述，總結為離心泵內壓力脈動隨工況的不同，表現為三類不同的壓力脈動：隨機脈動、葉頻倍頻脈動、軸頻倍頻脈動。JORGE PARRONDO 等［8］研究表明離心泵壓水室壓力脈動以葉頻為主，當偏離額定工況時，脈動幅值顯著增大。AE Khalifa等［9］對雙蝸殼離心泵進行了研究，結果表明壓力脈動的強度取決于泵的轉速、流量以及測點的位置。國內外學者對離心泵壓力脈動進行了豐富的研究，但水泵故障運行狀態下壓力脈動特性表現相關研究不多。本文以模型試驗為手段，研究柔性污物對雙吸式離心泵吸水室和壓水室壓力脈動的影響，可為灌溉泵站運行的故障診斷提供科學依據，具有一定的參考價值和工程實用意義。

1 實驗裝置

1.1 實驗臺

實驗所用雙吸式離心泵的型號為250S-14，設計流量為Qd=485 m3/h，額定轉速為n=1 450 r/min，葉片數為Z=6 片。如圖1所示，實驗臺由雙吸式離心泵、電動機、進出水管路、閘閥、循環水箱以及測試設備等組成。實驗中，通過調節出水閘閥來改變流量；流量由電磁流量計測量，壓力脈動由布置在雙吸式離心泵吸水室和壓水室上的壓力變送器測量，電磁流量計和壓力變送器均連接到數據采集系統，進行信號采集。

圖1 實驗臺結構示意圖Fig.1 Schematic of the experimental setup

1.2 測點布置

本實驗的測點分布如圖2 所示，分別在水泵吸水室和壓水室布置壓力變送器，選取吸水室布置測點1 至測點4，壓水室布置測點5至測點8，總共選取8個測點進行試驗結果的分析。

圖2 實驗泵及壓力變送器布置圖Fig.2 Test pump and mounted pressure transmitters

1.3 實驗工況

為分析柔性物纏繞前后雙吸式離心泵壓力脈動特性的變化，需對水泵進行柔性物纏繞，如圖3為雙吸式離心泵單側進口有無柔性物纏繞圖（柔性物為塑料軟管）。為安全起見，本次實驗降速運行，通過變頻器來改變水泵運行的轉速，實驗中，水泵轉速降速至1 250 r/min。實驗選擇的不同流量運行工況如表1所示。

表1 不同流量實驗工況Tab.1 Different flow rate experimental conditions

圖3 雙吸式離心泵單側進口有無柔性物纏繞Fig.3 Double-suction centrifugal pump unilateral inlet with or without flexible winding

1.4 數據采集與處理

數據信號采集時，采樣頻率設定為2 000 Hz，采樣時間設定為10 s［10］。數據采集完成后，對數據進行處理和分析，時域分析采用95%置信的峰-峰分析方法［11］。

2 實驗結果與分析

2.1 雙吸式離心泵柔性物纏繞前后吸水室壓力脈動分析

雙吸式離心泵被柔性物纏繞后，其性能發生明顯變化，主要表現為水泵揚程變小，機組效率降低，且二者降低程度均隨流量的增大而增大［2］。本文針對柔性物纏繞前后水泵穩定性的變化進行研究，雙吸式離心泵吸水室和壓水室分別布置了多個測點進行柔性物纏繞前后的壓力脈動測試，試驗的工況為設計流量工況（Q/Qd=1.0）、小流量工況（Q/Qd=0.5）和大流量工況（Q/Qd=1.3），選取設計流量工況作為代表工況，觀察柔性物纏繞前后壓力脈動信號的變化情況。圖4為設計工況雙吸式離心泵纏繞前后壓水室各測點壓力脈動時域圖，由圖4可以看出，吸水室測點1和測點2壓力脈動纏繞前后變化不明顯，而測點3和測點4 處壓力脈動明顯增大，這主要是由于雙吸式離心泵具有兩個吸入口，柔性物纏繞側與布設測點側不同，傳遞的影響不明顯，但吸水室的半螺旋結構，隨著水流方向，空間變小，使得對水流的影響更加明顯，壓力脈動變大。

圖4 設計流量工況下雙吸式離心泵纏繞前后吸水室壓力脈動時域圖Fig.4 Time domain diagram of pressure fluctuation in suction chamber of the double-suction centrifugal pump with and without flexible material winding under design flow rate condition

為了更全面地反映不同運行工況下雙吸式離心泵柔性物纏繞前后的壓力脈動情況，對吸水室各測點進行了峰峰值分析。圖5為不同流量運行工況下雙吸式離心泵纏繞前后吸水室各測點壓力脈動峰峰值。由圖5可以看出，測點1和測點2在小流量和設計流量工況下，柔性物纏繞后壓力脈動峰峰值減小，可能是由于單側的柔性物纏繞，對水流通過形成了阻礙，使得更多的水流從測點側通過，該側的流量更接近于設計流量，流態變好，壓力脈動減小。順水流方向，空間逐漸減小，測點側流量增大和空間逐漸減小，使得測點3在小流量下繼續降低，而到了測點4，空間最小處，壓力脈動升高；同時，可以看出，在大流量下，柔性物纏繞后各測點的壓力脈動均增大，這是因為大流量下流態紊亂，單側的纏繞使得被測側的流量進一步增大，增加了擾動，使得壓力脈動均增大，測點1 和測點4 處纏繞后的壓力脈動峰峰值約為纏繞前的200%；各測點在大流量下壓力脈動峰峰值均增大，可以作為柔性物纏繞判斷的依據之一。整體看，纏繞后，對吸水室測點4的影響更加明顯。

圖5 不同流量運行工況下雙吸式離心泵纏繞前后吸水室壓力脈動峰峰值Fig.5 Peak-peak value of pressure fluctuation in suction chamber of the double-suction centrifugal pump with and without flexible material winding under different flow rate conditions

2.2 雙吸式離心泵柔性物纏繞前后壓水室壓力脈動分析

圖6為設計流量工況雙吸式離心泵纏繞前后壓水室各測點壓力脈動時域圖，由圖6 可以看出，測點5、測點6 和測點8 在柔性物纏繞后，壓力脈動稍稍增大，而測點7 在柔性物纏繞后，壓力脈動減小明顯，為了分析其原因，對測點7 進行頻域分析，如圖7 所示，測點7 處在纏繞前壓力脈動測試過程中，有一明顯高頻（500 Hz 附近），當纏繞后測試時，高頻消失，使得兩者比較，纏繞后的壓力脈動較纏繞前小很多，高頻產生的原因需要進一步研究。

圖6 設計流量工況下雙吸式離心泵纏繞前后壓水室壓力脈動時域圖Fig.6 Time domain diagram of pressure fluctuation in volute chamber of the double-suction centrifugal pump with and without flexible material winding under design flow rate condition

圖7 測點7設計流量工況下雙吸式離心泵纏繞前后壓水室壓力脈動頻域圖Fig.7 Frequency domain diagram of pressure fluctuation in P7 of the double-suction centrifugal pump with and without flexible material winding under design flow rate condition

圖8為不同流量運行工況下雙吸式離心泵纏繞前后壓水室各測點壓力脈動峰峰值。由圖8可以看出，測點5和測點6在小流量、設計流量和大流量下，柔性物纏繞后壓力脈動峰峰值均增大，這是由于單側纏繞后，兩側進水不均勻，經葉輪混合后進入壓水室，進水不均勻導致壓水室紊流程度增加，故壓力脈動增大；測點7在設計流量下纏繞前壓力脈動較大，原因為以上分析的高頻產生，但在大流量下，纏繞后的壓力脈動峰峰值增加明顯；測點8處在小流量和設計流量下纏繞后壓力脈動增加，在大流量下壓力脈動減小，整體變化不明顯，這是因為測點8在水泵近出口漸擴管上，漸擴作用進一步弱化了壓水室不穩定流態 的影響，故影響較小。整體看，柔性物纏繞后，對壓水室頂部的測點6影響更加明顯，在大流量下比未纏繞增大至200%。

圖8 不同流量運行工況下雙吸式離心泵纏繞前后吸水室壓力脈動峰峰值Fig.8 Peak-peak value of pressure fluctuation in volute chamber of the double-suction centrifugal pump with and without flexible material winding under different flow rate conditions

3 結 論

采用實驗方法研究了不同流量運行工況下雙吸式離心泵柔性物纏繞前后壓力脈動特性，結果表明：由于雙吸式離心泵吸水室半螺旋結構，單側柔性物繞后，在小流量和設計流量下，另一側的壓力脈動的變化與位置有關，靠近吸水室隔舌位置處壓力脈動增大，遠離吸水室隔舌位置處壓力脈動減?。辉诖罅髁肯?，柔性物纏繞后吸水室壓力脈動增大；柔性物纏繞對壓水室頂部影響明顯，對壓水室擴散管影響不明顯，在大小和設計流量運行工況下，壓水室頂部壓力脈動均增大，在大流量下比未纏繞增大至200%。本文可為灌溉泵站運行的故障診斷提供提供參考和啟示，具有一定的理論和工程實用意義。 □