王志遠，溫鴻浦，錢忠東

(1.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室，武漢 430072；2.寧夏固海揚水管理處，寧夏 中寧 755100)

0　引　言

雙吸式離心泵流量大、揚程高，廣泛應(yīng)用在跨流域調(diào)水、農(nóng)業(yè)灌溉以及城市供水等領(lǐng)域[1]。離心泵的壓力脈動是影響水泵機組穩(wěn)定運行的主要因素之一，引起機組部件振動，甚至是損壞停機[2]。就水泵壓力脈動而言，存在著三種形式：即白噪聲脈動、葉頻脈動和軸頻脈動[3,4]。目前，對壓力脈動的研究可采用模型實驗和數(shù)值模擬方法。在實驗研究方面，AE Khalifa等[5]研究發(fā)現(xiàn)雙蝸殼離心泵葉輪-隔舌的相互干涉會引起強烈的葉頻脈動，水泵的振動與葉頻脈動相關(guān)；Jorge等[6]研究得到單吸離心泵壓水室某點的壓力脈動是由擾動的疊加引起的，擾動包括每個葉片通過該點的擾動以及每個葉片通過隔舌的擾動；姚志峰等[7,8]研究表明雙吸式離心泵中葉頻脈動成分在壓水室中占主導(dǎo)地位；劉厚林等[9]研究得出單吸離心泵流動誘導(dǎo)的振動對泵體的影響較大。在數(shù)值模擬研究方面，F(xiàn)u等[10]研究發(fā)現(xiàn)，在低比轉(zhuǎn)速離心泵中，設(shè)計流量條件下蝸殼中的壓力脈動相對較低；朱榮生等[11]對離心泵內(nèi)部流場進行多工況定常與非定常三維數(shù)值模擬，結(jié)果表明設(shè)計工況和大流量工況下，葉頻是主要影響頻率。

本文以250S-14雙吸式離心泵為研究對象，通過實驗的方法研究了水泵系統(tǒng)不同位置在不同運行工況下的葉頻脈動及誘導(dǎo)振動特征。本文研究可以拓展實驗技術(shù)思路，同時可以為雙吸式離心泵的設(shè)計、運行提供依據(jù)，具有一定理論意義和工程價值。

1　實驗裝置

1.1　實驗臺

本實驗在武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室水泵綜合實驗臺上進行。如圖1所示，實驗臺由水泵、電動機、進出水管路、閘閥、循環(huán)水箱以及測試設(shè)備等組成，壓力脈動由布置在水泵及管路上的壓力變送器測量，振動由布置在水泵傳動端軸承座上的振動加速度傳感器測量，流量由出水管上的電磁流量計測量，壓力變送器及振動加速度傳感器分別連接到各自的采集系統(tǒng)，進行信號采集。實驗所用雙吸式離心泵型號為250S-14，設(shè)計流量為Qn=485 m3/h，葉片數(shù)為Z=6片，額定轉(zhuǎn)速為1 450 r/min，葉片頻率為145.0 Hz，轉(zhuǎn)動頻率為24.2 Hz。

1-實驗泵；2-電動機；3-循環(huán)水箱；4-進水閘閥；5-進水管道；6-出水管道；7-出水閘閥；8-電磁流量計；9-壓力變送器；10-壓力脈動采集系統(tǒng)；11-振動采集系統(tǒng)圖1　實驗臺結(jié)構(gòu)示意圖

1.2　測點布置

如圖2所示，葉頻脈動采集的壓力變送器布置在水泵壓水室測點1處，為研究葉頻脈動在進、出水管中的傳遞規(guī)律，分別在水泵進、出水管頂端的測點2和測點3位置布置壓力變送器。振動則由布置在水泵傳動端軸承座上的徑向垂直振動加速度傳感器(測點a)和徑向水平振動加速度傳感器(測點b)獲取數(shù)據(jù)。

圖2　實驗泵壓力變送器和振動加速度傳感器布置圖

1.3　實驗過程及數(shù)據(jù)采集

實驗中，通過調(diào)節(jié)出水閘閥來改變運行工況，在零流量到1.3 倍的設(shè)計流量范圍內(nèi)選取10個實驗工況，同步采集各測點位置的壓力脈動信號和振動信號。壓力脈動采樣頻率為2 000 Hz，采樣時間為10 s[12]。振動實驗采樣頻率為2 560 Hz，采樣時間為12.8 s。

對壓力脈動和振動采集信號進行頻域分析，即對采集信號進行快速傅里葉變換(FFT)，得到了各個測點的頻譜圖，以此分析雙吸式離心泵葉頻壓力脈動及誘導(dǎo)振動特征。

2　實驗結(jié)果與分析

2.1　葉頻壓力脈動結(jié)果分析

圖3為水泵壓水室測點1、進水管測點2和出水管測點3在不同運行工況下的葉頻壓力脈動實驗結(jié)果，可以看出，測點1隨著流量的增大，葉頻幅值呈現(xiàn)出先減小后增大再減小再增大的變化趨勢，在零流量，葉頻脈動幅值最大，為3.59 kPa，在設(shè)計工況1.0Qn附近，葉頻幅值變化較小，且具有最小值，為1.05 kPa；在Q<0.28Qn時和Q>1.14Qn時，測點1的葉頻幅值隨著流量變化呈現(xiàn)出較大的變化幅度，這是因為在小流量下，水泵汽蝕嚴重，在實驗中，可聽到明顯的汽蝕聲，因此，壓力脈動不僅受葉輪與隔舌動靜干涉的影響，而且也受汽蝕的影響[4]，在大流量下，壓水室水流流態(tài)變差，在隔舌附近極易形成漩渦，造成了壓力脈動的快速升高。

進水管測點2的葉頻脈動隨著流量的增加，其變化趨勢與測點1基本相同，且各流量工況下的葉頻幅值均比測點1??；出水管測點3在Q<0.58Qn時，與測點1的葉頻脈動變化趨勢基本相同，其幅值差較測點2相差較大，在0.58Qn

圖3　壓水室測點1、進水管測點2、出水管測點3葉頻脈動幅值圖

2.2　振動結(jié)果分析

為了研究葉頻壓力脈動對水泵振動的影響，選取葉頻脈動較大的1.3Qn作為典型工況進行分析，圖4為水泵傳動端軸承座徑向垂直方向測點a的實驗結(jié)果頻譜圖，可以看出，測點a主頻為轉(zhuǎn)頻，主頻幅值為0.233 1 m/s2，次主頻為葉頻，次主頻幅值為0.222 6 m/s2，說明徑向垂直方向振動受轉(zhuǎn)子系統(tǒng)質(zhì)量不平衡引起的振動影響較大，受葉頻壓力脈動的影響次之；圖5為水泵傳動端軸承座徑向水平方向測點b的實驗結(jié)果頻譜圖，可以看出，測點b主頻為葉頻，主頻幅值達0.541 8 m/s2，而轉(zhuǎn)頻幅值僅為0.129 8 m/s2，說明徑向水平方向振動受葉頻壓力脈動影響較大，受轉(zhuǎn)子系統(tǒng)質(zhì)量不平衡影響較小。由以上分析可知，葉頻脈動對水泵傳動端軸承座徑向垂直和徑向水平方向振動都有影響，且徑向水平方向振動受葉頻脈動影響的程度大于徑向垂直方向振動。

圖4　水泵傳動端測點a振動頻譜圖(Q/Qn=1.3)

圖5　水泵傳動端測點b振動頻譜圖(Q/Qn=1.3)

2.3　葉頻壓力脈動與振動結(jié)果比較分析

圖6為不同運行工況下水泵壓水室測點1葉頻脈動與傳動端軸承座測點a、b葉頻振動實驗對比結(jié)果，其中，主坐標軸表示壓力脈動葉頻幅值，次坐標軸表示振動加速度葉頻幅值，可以看出，測點a和測點b的振動加速度在小流量和大流量情況下葉頻幅值均較大，在設(shè)計流量附近葉頻幅值較小，測點b的葉頻振動幅值在全流量范圍內(nèi)整體大于測點a，且測點b隨流量增大的變化趨勢比測點a更接近于測點1的變化趨勢，由以上分析可知，與徑向垂直方向相比，徑向水平方向葉頻振動隨流量的變化趨勢同葉頻脈動的變化趨勢更接近，因此，可以用水泵軸承座徑向水平方向葉頻振動來監(jiān)測水泵葉頻脈動的變化趨勢。

圖6　水泵傳動端軸承座測點a、b葉頻振動與壓水室測點1葉頻脈動幅值圖

3　結(jié)　論

通過在實驗泵壓水室及進出水管布置壓力變送器，在水泵傳動端軸承座布置振動加速度傳感器，測試了雙吸式離心泵不同流量下的壓力脈動信號和振動信號，并進行了FFT變換和頻譜分析。主要結(jié)論如下：

(1)葉頻壓力脈動受流量的影響明顯，在Q<0.28Qn和Q>1.14Qn時，葉頻脈動較大，主要是受小流量下發(fā)生汽蝕，大流量下流態(tài)變差，極易形成漩渦的影響；

(2)葉頻脈動可向上下游傳播，向上傳播至進水管，葉頻脈動隨流量增大的變化趨勢基本不變，葉頻幅值均減小，且減小幅度基本均勻；向下傳播至出水管，葉頻脈動變化復(fù)雜；

(3)葉頻脈動對水泵傳動端軸承座徑向垂直和徑向水平方向振動都有影響，且徑向水平方向振動受葉頻脈動影響的程度大于徑向垂直方向振動，徑向水平方向葉頻振動隨流量的變化趨勢與葉頻脈動更接近。

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參考文獻：

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